Автор: Верник С.М. Гроднев И.И.
Теги: электротехника электрическая связь радиотехника радиостанции связь линии связи издательство радио и связь
ISBN: 5-256-00120-5
Год: 1988
Текст
И. И. Гроднев
С.М.Верник
линии
связи
Издание пятое
переработанное
и дополненное
Допущено
Министерством связи СССР
в качестве учебника
для студентов
электротехнических
институтов связи
по специальностям 0702 и 0708
Москва
«Радио и связь»
1988
УДК 621.395.126
Гроднев И. И., Верник С. М.
Г86 Линии связи: Учебник для вузов. - 5-е изд., пере-
раб. и доп. —М.: Радио и связь, 1988. — 544 с.: ил.
ISBN 5-256-00120-5.
Рассматриваются тенденции развития современной электрической святи
и принципы построения магистральной, зоновой и местной сетей святи.
Приводятся конструкции и характеристики различных направляющих си-
стем: симметричных, коаксиальных, оптических и сверхпроводящих кабелей,
волноводных и воздушных линий и др. Излагается теория передачи по
направляющим системам, а также теория взаимных и внешних влияний и
меры защиты от них. Освещаются вопросы проектирования, строительства и
эксплуатации линейных сооружений связи. По сравнению с предыдущим из-
данием (1980 г.) материал учебника обновлен.
Для студентов электротехнических институтов связи.
2402040000-042
--------------ш.88
046(01)-88
ББК 32.88
Рецензент: В. Ф. Сучков
Редакция литературы по электросвязи
Учебник
Игорь Измаилович Гроднев
Семен Миронович Верник
линии связи
Редактор 5. К. Старикова. Ху божественный-редактор А. В- Проценко.
Переплет художника Ю. В. Архангельского. Технический редактор Л. А. Горшкова.
Корректор Т. С. Власкина
ИБ № 1296
Сдано в наёеф 8.05.8>4ь Подписано в печать 25,1 1.87 Т-19074
Формат 60 X 8В1/ie Бумага тип. № 2 . Гарнитура литературная
Печать офсетная Усл. печ. д. .33.32 Усл. кр.-отт. 33,32 Уч.-изд- л. 36,09
Тираж 20 000 экз. Изд. № 21301 Зак. № 6136 Цена 1 р. 50 к.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Ордена Октябрьской Революция и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая
Образцовая типография имени А. А, Жданова» Союзполиграфирома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли: 113054, Москва,
Валовая, 28.
ISBN 5-256-00120-5
© Издательство «Радио и связь», 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие средств связи имеет большое значение для эффективно-
го управления народным хозяйством, четкой работы государст-
венного аппарата, всестороннего удовлетворения культурно-быто-
вых потребностей населения и повышения обороноспособности
страны.
Современная электрическая связь в нашей стране, развиваясь
на базе Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС), позволя-
ет передавать различные виды информации: телефонной, телеграф-
ной, вещания, телевидения, передачи газет фототелеграфными ме-
тодами, а также данных ЭВМ и АСУ на требуемые расстояния.
Основными направлениями экономического и социального раз-
вития СССР на 1986--1990 годы и на период до 2000 года опре-
делена программа дальнейшего развития электрической связи, ко-
торая предусматривает: продолжить развитие и повышение на-
дежности работы Единой автоматизированной сети связи страны
на базе новейших достижений науки и техники, а также развивать
высокоавтоматизированные производства волоконно-оптических
кабелей связи.
Магистральная сеть связи страны на современном этапе раз-
вития базируется на использовании кабельных, радиорелей-
ных и спутниковых линий связи. Эти линии дополняют друг друга,
обеспечивая передачу больших потоков информации любого на-
значения на базе использования цифровых и аналоговых систем
передачи. Кабельные линии связи, обладающие высокой защищен-
ностью каналов связи от атмосферных влияний и различных по-
мех, эксплуатационной надежностью и долговечностью, являются
основой сети связи страны; по кабельным сетям передается до
75% всей информации.
В настоящее время наиболее эффективными являются коакси-
альные кабели, которые позволяют передавать мощные пучки свя-
зи различного назначения. Быстрыми темпами внедряются на се-
тях связи оптические кабели, обладающие широкой полосой пере-
3
дачи, малым затуханием, высокой помехозащищенностью и не
требующие для своего изготовления цветных металлов.
В настоящей книге рассматриваются тенденции развития сов-
ременной электрической связи, принципы и системы построения
сетей связи, приводятся конструкции и характеристики кабельных
и воздушных линий связи: Излагается теория распространения
электромагнитной энергии по направляющим системам (коакси-
альные и симметричные кабели, световоды, оптические кабели и
др.), а также теория взаимных и внешних влияний и меры защиты
цепей и трактов линий связи.
По сравнению с предыдущими изданиями заново изложены
разделы: электродинамика направляющих систем, волоконно-оп-
тические линии связи, теория взаимных влияний между цепями
связи и защитные мероприятия. Существенно переработаны главы
проектирования, строительства и эксплуатации линейных сооруже-
ний связи.
Книга предназначена для студентов электротехнических ин-
ститутов связи, а также для специалистов, работающих в области
линейных сооружений связи.
Глава 1. СОВРЕМЕННАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
1.1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ЛИНИИ
связи
Линии связи возникли одновременно с появлением электрического
телеграфа, т. е. свыше 150 лет назад. Первые линии связи были
кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции ка-
белей подземные кабельные линии связи вскоре уступили место
воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности
была построена в 1854 г. между Петербургом и Варшавой. В на-
чале 70-х годов прошлого столетия была построена воздушная теле-
графная линия от Петербурга до Владивостока длиной около
10 000 км. В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая
в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль
Москва — Хабаровск длиной 8300 км.
Создание первых кабельных линий связано с именем русского
ученого П. Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге
демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели
созданный им изолированный проводник.
В 1851 г..одновременно с постройкой железной дороги между
Москвой и Петербургом был проложен телеграфный кабель, изо-
лированный гуттаперчей. Первые подводные кабели были проло-
жены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспий-
ское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила
в строй кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной
связи между Францией и США.
Более 100 лет тому назад в 1882—1884 гг. в Москве, Пет-
рограде, Риге, Одессе были построены первые в России городские
телефонные сети. В 90-х годах прошлого столетия на городских
телефонных сетях Москвы и Петрограда были подвешены первые
кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройка
подземной городской телефонной сети.
Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началу
XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на неболь-
шие расстояния. Это были так называемые городские телефонные
кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скрут-
5
коп. В 1900—1902 гг., была сделана успешная попытка повысить
дальность передачи методами искусственного увеличения индук-
тивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности
(предложение Пулина), а также применения токопроводящих жил
с ферромагнитной - обмоткой (предложение Крарупа). Такие спо-
собы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и
телефонной связи в несколько раз.
Важным этапом в развитии техники связи явилось изобрете-
ние, а начиная с 1912—1913 гг.— освоение производства электрон-
ных ламп, В 1917 г. В. И.. Ковалев ковы м был разработан и испы-
тан на линии телефонный усилитель на электронных лампах.
В 1923 г, была осуществлена телефонная связь с усилителями на
линии Харьков — Москва — Петроград.
В 30-х годах началось развитие многоканальных систем пере-
дачи. В последующем стремлении расширить спектр передавае-
мых частот и увеличить пропускную способность линий привело
к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных.
Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту
появления новых высококачественных диэлектриков — типа эска-
лоп, высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса и т, д.
Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до не-
скольких миллионов герц и позволяют производить по ним пере-
дачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая
коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была
проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным
кабелям, проложенным в 1856 г,, организовывали лишь телеграф-
ную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена под-
водная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для
многоканальной телефонной связи.
А
В 1965—1967 гг. появились опытные волноводные линии связи
для передачи широкополосной информации, а также криогенные
сверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием.
С 1970 г. активно развернулись работы по созданию светово-
дов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное
излучения оптического диапазона волн.
Создание волоконного световода и получение непрерывной ге-
нерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль
в быстром развитии волоконно-оптической связи. И сейчас, спус-
тя 18 лет, это направление науки и техники находится в стадии
становления. Тем не менее уже можно выделить определенный
этап; закончившийся к началу 80-х гг., когда были разработаны и
испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы свя-
зи. Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть,
кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная
техника, система контроля и управления технологическими про-
цессами и т. д.
6
В СССР и других странах проложены городские и междуго-
родные волоконно-оптические линии связи. Им отводится ведущее
место в научно-техническом прогрессе отрасли связи. *
1.2. ВИДЫ ЛИНИЙ СВЯЗИ И HzX ОСНОВНЫЕ
СВОЙСТВА
На современном этапе развития общества в условиях научно-
технического прогресса непрерывно возрастает объем информации.
Как показывают теоретические и экспериментальные (статистиче-
ские) исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся
в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально
квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это
определяется необходимостью расширения взаимосвязи между
различными звеньями народного хозяйства, а также увеличением
объема информации в технической, научной, политической и куль-
турной жизни общества. Повышаются требования к скорости и
качеству передачи разнообразной информации, увеличиваются
расстояния между абонентами. Особенно велика роль связи в ус-
ловиях социалистического общества, в котором осуществляется
плановое развитие и централизованное управление народным хо-
зяйством. Связь необходима для оперативного управления народ-
ным хозяйством и работы государственных органов, для по-
вышения обороноспособности страны и удовлетворения культурно-
бытовых потребностей населения.
В эпоху научно-технической революции связь стала составным
звеном производственного процесса. Она используется для управ-
ления технологическими процессами, электронно-вычислительны-
ми машинами, роботами, промышленными предприятиями и т. д.
Непременным, и одним из наиболее сложных и дорогостоящих
элементов связи являются линии связи, по которым передаются
информационные электромагнитные сигналы от одного абонента
(станции, передатчика, регенератора и т. д.) к другому (станции,
регенератору, приемнику и т. д.) и обратно. Очевидно, что эффек-
тивность работы систем связи во многом предопределяется каче-
ством линий связи, их свойствами и параметрами, а также зави-
сит от характеристик этих величин от частоты и воздействия
различных факторов, включая мешающие влияния сторонних
эл ектро м а г н и т и ы х поле й.
Различают два основных типа линий связи: линии в атмосфе-
ре (радиолинии) и направляющие линии передачи (линии связи).
Отличительной особенностью радиолиний является распростране-
ние электромагнитных сигналов в свободном (естественном) про-
странстве (космос, воздух, земля, вода и т. д.). Дальность радио-
линий может простираться от нескольких сотен метров, как,
например, при первой радиопередаче, осуществленной великим
русским ученым А. С. Поповым в 1895 году, до сотен миллионов
7
километров — расстояний между автоматическими космическими
аппаратами и земными станциями.
Отличительной особенностью направляющих линий связи яв-
ляется то, что распространение сигналов в них от одного абонен-
та (станции, устройства, элемента схемы и т. д.) к другому або-
ненту осуществляется только по специально созданным цепям и
трактам линий связи, образующим направляющие системы, пред-
назначенные для передачи электромагнитных сигналов в задан-
ном направлении с должными качеством и надежностью.
Вышеуказанные особенности радиолиний и линий связи опре-
деляют их основные свойства и области применения. Так, радио-
линии используются для осуществления связи па различные рас-
стояния, часто между абонентами, находящимися в движущемся
относительно друг друга состоянии.
Характер распространения электромагнитных сигналов в раз-
личных средах в первую очередь зависит от частоты радиосигна-
ла (несущей частоты). В соответствии с этим различают следую-
щие типовые диапазоны длин волн и радиочастот:
Сверхдншыые волны (СД В) — 100 . . . 10 км (3 ... 30 кГц)
Длинные волны (ДВ) — 10 ... 1 км (30 ... 300 кГц)
Средние волны (СВ) — 1,0 ... 0,1 км (0,3 ... 3 МГц)
Короткие волны (КВ) 100 . . . 10 м (3 ... 30 .МГц)
Ультракороткие волны (УКВ) — 10... 1 м (30 . . , 300 МГц)
Дециметровые волны (ДЦМ) — 1 ... ОД м (300 ... 3000 МГц) или
(0,3 ... 3 ГГц)
Сантиметровые волны (СМ) — 10 . I см (3 ... 30 ГГц)
Миллиметровые волны (ММ) - - 10 . . . 1 мм (30 . . . 300 ГГц)
Оптический диапазон 10 ... 0,1 мк-м (ЗЛОВ * * * * 13 *—ЗЛО15 Гн).
В зависимости от длины волны (частоты) сигналы по радио-
линиям распространяются следующим путем (рис. 1.1):
ДВ и СВ — поверхностным лучом (/)
КВ — пространственным лучом (2)
УКВ и ОВ—в пределах прямой видимости (3).
Кроме указанных выше достоинств радиолиний, определяемых
возможностью установления связи на огромные расстояния с под-
вижными объектами, отметим еще высокую скорость установле-
ния связи, а также возможность обеспечения передачи массовым
средствам информации (радиовещание и телевидение) с неогра-
ниченным числом слушателей и зрителей.
Основные недостатки радиолиний (радиосвязи) состоят в сле-
дующем: зависимость качества связи от состояния среды переда-
чи и сторонних электромагнитных полей; низкая скорость; недо-
статочно высокая электромагнитная совместимость в диапазоне
метровых волн и выше; сложность аппаратуры передатчика и
приемника; узкополосность систем передачи, особенно на длинных
волнах и выше (отношение ДК/Д^ДО,! . . . 0,6)), где Д/7—ширина
8
Рис. 1.1. Распространение различных ти-
пов радиоволн
Рис. 1.2. Принцип работы радиоре-
лейных ЛИНИН
полосы частот информационного сигнала; — частота несущей
радиосигнала).
С целью уменьшения этих недостатков в ходе развития радио-
связи интенсивно осваивались более высокие частоты (сантимет-
ровые, оптические диапазоны), что позволило резко увеличить аб-
солютные значения Д/ц повысить пропускную способность радио-
каналов, создать узконаправленные системы радиосвязи на базе
использования направленных антенн и лазерных устройств и при-
вело к резкому уменьшению уровня помех и повышению степени
электромагнитной совместимости. Например, линии радиосвязи
(РЛ), работающие на ДВ, СВ, КВ, позволяют осуществить связь
на большие расстояния, но имеют низкую пропускную способность
(1—2 канала ТЧ) и подвержены помехам. Поэтому эти РЛ зани-
мают малый удельный вес в общем объеме электросвязи и ис-
пользуются главным образом для радиофикации и связи между
континентами и с труднодоступными районами.
Радиорелейные линии (РРЛ) работают на дециметровых —
миллиметровых волнах в пределах прямой видимости. Они пред-
ставляют собой цепочку ретрансляторов, устанавливаемых при-
мерно через каждые 50 км (высота мачты 50—70 м) (рис. 1.2).
При большей высоте антенной мачты ретрансляционные участки
могут быть увеличены до 70... 100 км. Радиорелейные линии по-
зволяют получить большее число каналов (300 ... 1920) на боль-
шие расстояния (до 12 500 км); они получили широкое применение
для телевидения, радиофикации и связи. Эти линии в меньшей
степени подвержены помехам, обеспечивают достаточно устойчи-
вую и качественную связь, хотя степень защищенности передачи
по ним недостаточна.
Спутниковые линии связи (СЛ) используют как и РРЛ санти-
метровый диапазон волн. Спутниковые линии действуют на прин-
ципе ретрансляции сигналов, осуществляемой аппаратурой, распо-
ложенной на искусственном спутнике Земли (ИС^З). Фактически
ИСЗ — это ретранслятор радиорелейной линии, поднятый на боль-
шую высоту (рис. 1.3). Спутниковые линии позволяют осугцест-
Рис. 1.3. Космическая связь с помощью ИСЗ
вить многоканальную связь на очень большие расстояния. На гео-
стационарной орбите высотой 36 000 км спутник вращается со ско-
ростью вращения Земли (один оборот за 24 часа). В этом случае
можно с помощью трех спутников, расположенных под утлом
120°, обеспечить связь на территории всего, земного шара.
Спутниковые линии применяются в первую очередь для пере-
дачи программ вешания, телевидения и полос газет в труднодо-
ступные районы страны — Сибири, Крайнего Севера и Востока.
Достоинством СЛ является большая зона действия и передачи
информации на значительные расстояния, недостатком ~ высокая
стоимость запуска спутника, сложность организации дуплексной
телефонной связи.
Достоинства направляющих линий! связи состоят в обеспе-
чении требуемого качества передачи сигналов, высокой скорости
передачи, большой защищенности от влияния сторонних полей,
заданной степени электромагнитной совместимости, относительной
простоты оконечных устройств. Недостатки линий связи определя-
ются высокой стоимостью капитальных и эксплуатационных рас-
ходов, а также относительно длительными сроками установления
связи.
Сопоставляя линии связи и радиолинии, следует отметить, что
они не противопоставляют, а дополняют друг друга, способствуя
решению глобальной задачи — созданию, развитию и совершенст-
вованию Единой автоматизированной сети связи Советского Сою-
за— ЕАСС. Примером этого единства, в частности, является то
обстоятельство, что во всех радиопередающих и радиоприемных
устройствах используются проводные линии связи, с помощью
которых осуществляется передача электромагнитных сигналов
между элементами и блоками этих устройств.
В настоящее время по линиям связи передаются сигналы от
постоянного тока до оптического диапазона частот, а рабочий
10
•диапазон длин волн простирается от 0,85 мкм до сотен километ-
ров.
Различают три основные типа линий связи — кабельные (К Л),
воздушные (ВЛ), волоконно-оптические (оптические кабели). Ка-
бельные и воздушные линии относятся к проводным линиям, у -ко-
торых направляющие системы образуются системами проводник —
диэлектрик, а волоконно-оптические линии представляют собой
диэлектрические волноводы, направляющая система которых со-
стоит из диэлектриков с различными показателями преломления.
II роводные линии связи работают в килогерцевом и мегагер-
цевом диапазонах частот. Кабельные линии обеспечивают надеж-
ную и помехозащищенпую многоканальную связь на требуемые
расстояния. В настоящее время коаксиальные и симметричные
кабели получили доминирующее развитие при организации город-
ской и междугородной связи.
Воздушные линии широко использовались в 30—40-х годах.
Однако низкая пропускная способность (12 каналов ТЧ), обуслов-
ленная недостаточной помехозащищенностью от взаимных помех,
и подверженность атмосферно-климатическим воздействиям огра-
ничивают их использование на зоновой и сельской сети связи.
Волоконно-оптические линии свяли (ВОЛС) представляют со-
бой-системы для передачи световых сигналов микроволнового диа-
пазона волн (/,=0,8... 1,6 мкм) по оптическим кабелям. Этот вид
линий связи рассматривается как наиболее перспективный. До-
стоинствами ВОЛС являются—'Низкие потери, большая пропуск-
ная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия
цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и
взаимных помех. Предполагается, что в 90-х годах ВОЛС получат
широкое развитие на сети связи страны.
В настоящее время различные виды линии связи распределя-
ются на сетях связи примерно следующим образом:
на магистральной сети насчитывается 75% — КЛ; 20% — РРЛ
и 5% —СЛ каналокплометров;
на городских телефонных сетях —95% КЛ; 5 %—ВЛ;
на зоновых сетях — 50% КЛ; 15% — РРЛ; 35 %—ВЛ;
на сельских сетях — 62% КЛ; 38% —ВЛ.
Ниже в соответствующих главах и а стоя! ней книги подробно
рассматриваются конструкции и свойства проводных (коаксиаль-
ных, симметричных) и волоконно-оптических линий связи.
1.3. СИСТЕМЫ МНОГОКАНАЛЬНОЙ
ПЕРЕДАЧИ ПО ЛИНИЯМ СВЯЗИ
На линиях связи организуются аналоговые и цифровые систе-
мы передачи информации (АСП и ЦСП). Аналоговые системы
передачи основаны на частотном разделении сигналов. С помощью
11
электрических фильтров весь передаваемый спектр делится па
частотные полосы. В качестве базового принят телефонный канал
шириной 4 кГц—канал тональной частоты (ТЧ). Чем шире по-
лоса частот, которую можно передавать по линии связи, тем боль-
ше можно получить каналов и дешевле их стоимость,
Цифровые системы передачи основаны на временном разделе-
нии каналов. Здесь передача по линии сигналов различных сооб-
щений осуществляется поочередно, т. е. со сдвигом во времени.
В этом случае по линии распространяются импульсы определенной
последовательности и длительности, образующие цифровые сиг-
налы. Для этого все виды информации (телефонную, радиовеща-
ние, телевидение и др.) предварительно кодируют. В современных
цифровых системах связи наибольшее распространение получила
применение импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) с импульсами
микросекундной и напосекундной длительности.
Достоинством цифровых систем передачи являются: большая
дальность связи; облегченные требования к защищенности цепей;
возможность создания единой интегральной системы связи, про-
стота технологии производства аппаратуры ЦСП; возможность
непосредственного ввода и скоростной обработки импульсной ин-
формации с помощью ЭВМ; автоматизация передачи данных. Не-
достатком является расширение полосы частот до 64 кГц на теле-
фонный канал (при частотной системе 4 кГц).
В табл. 1.1 приведены основные параметры систем передачи по
воздушным линиям связи, в табл. 1.2 — основные параметры мно-
гоканальных систем передачи по коаксиальным и симметричным
кабелям различной конструкции, предназначенным для магист-
ральной, зоновой, сельской и городской связи. Цифра, указанная
в графе «Система передачи», означает число телефонных каналов,
передаваемых по кабелю. Длина ретрансляционных (усилитель-
ных и регенерационных) участков (УУ) соответствует расстоянию
между НУП. В эти НУП подается дистанциоинно электропитание
из обслуживаемых усилительных пунктов (ОУП). Расстояние
между ОУП — примерно 200 ... 240 км. Общая дальность действия
магистральной связи составляет 12 500 км, зоновой — 600 км.
Т а б л и и а
Система передачи 1 1 Материал и ) диаметр провода i Число каналов Л 11НС ИНЫ И ! спектр , к Уч J i Чату.ха ние 'XV . дЬ Ра с сто я- ’ ннс мс ГО’ П км I ! 1 1 Дальность доистин я, км
В-3-3 1 Биметалл 4 мм 1 3 4 ... 31 43 1 250 12 500
В-12-2 1 Медь 4 мм 12 36 ... 143 43 250 1 1 2 500
В-2-2 ( В-3-3 J Сталь 4 мм 2 3 4.5 ... 25.7 4 ... 31 39 39 25—30 | 40 1 *—
12
Таблица 1.2
Система передачи Кабель Линейный спектр, кГц, скорость, кбит/с -Г F Длина г У У , км Расстояние между ОУП, км Дальность действия, км
К-1920 Коак КМ 4 Магистральная связь сиальный кабель — 2,6 312 ... 8500 /9,5 6 240 1 2 500
К-3600 КМ-8 6 812 ... 17 600 3 180 12 500
К-5400 4332 ... 31 100 3 240 12 500
К-10600 4332 ... 60 000 1 ,5 120 12 500
ИКМ-1920 140 000 3 240 12 500
ИКМ-! 920x2* 140 000X2 ,3 240 1 2 500
Малогабаритный коаксиальный кабель — 1,2 / 4,6
К-300 60 ... 1300 | 6 240 I 2 500
ИКМ-480 МКТ-4 34 000 з 200 12 500
ИК.Ч-480Х-* 1 3400x2 } 3 200 12 500
К-60 Симметричный кабель 12 . . . 250 20 240 1 2 500
К-1020С .МКС-4 х 4 312 ... 4640 3 280 —
ИКМ-130 8500 л 240 12 500
ИКМ-480 34 000 2,5 200 1 2 500
ИКМ-480 ОК Оптический кабель | 34 000 30—50
ИКМ-1920 | ноооо 30— 50 — •••
К-1-20 Однок ВКПА-1 Зоновая связь оаксиальный кабель — 60 . . . 552 и 812 ... 1300 2,1/9,7 10 200 . ь Г 300 240 600
К-420 К-60 ЗКП-1 х4 312 ... 2044 и 2852 ... 4584 J || Симметричный кабель i 12 ... 250 6 1 10 600 600
И км-120 ' » 1 8500 240 600
ИКМ-120 | ок Оптический кабель | 8500 | 10...30 1 1
КАМА(ЗО) МКС-7 X 4 Городская связь 12 ... 252 и 1 33 80 80
ИКМ-30 ТГ и ТП 312 . . . 552 2000 2 40 80
И КМ-30 ОК 2000 1 5... 10 —
КНК-6 Сельская связь 16 ... 60 и 76 .. . 12С ) 16 80 120
КНК-12 КСПП-1 х4 6 ... 54 и 60 ... 108 S 16 120 120
КАМА КСПП-2х4 12 . .. 252 и 9 50 50
ИКМ-15 312 .. . 552 1000 6 50 50
* На этих ЦСП увеличение 1 вания сигналов тела каналов достигается за счет многоуровневого кодиро-
13
Т а б л ина 1.3
1 Система передами | Скорость передачи , Мои т/с Тип л и | Яшина УУГ км
Первичная ИКМ-30 2.05 / СК 10
Вторичная ИКМ-120 8,45 с к 5
Третичная ИКМ-480 34 к к 6
Четверичная ИКМ -1920 14П 1 к к 3
Наибольшее применение получили аналоговые системы переда-
чи по коаксиальным кабелям типов К* 1920 и К-3600. Внедряются
системы К-5400 и К-10800. По малогабаритным коаксиальным ка-
белям широко используется система К-300. Основной системой
передачи по междугородным симметричным кабелям является си-
стема К-60. Применяется также система К-1020. На кабельных
линиях зоновой (внутриобластной) связи применяются системы
на 60 каналов по симметричным кабелям и 120...420 каналов по
однокоаксиальному кабелю. Сельская связь базируется на исполь-
зовании облегченных пластмассовых кабелей и систем передачи
на 6 и 12 каналов. Для соединительных линий ГТС применяется
в основном цифровая система (ИКМ-30). Ранее использовалась
аналоговая система КАМА.
Основные данные цифровых систем передачи приведены
в табл. КЗ.
Мощные системы ИКМ-480 и ИКМ-1920 предназначены для
магистральной сети связи по коаксиальным кабелям. В зоновой
сети получила развитие система ИКМ-120, на сельской сети —
ИКМ-15. В городах для устройства многоканальных соединитель-
ных линий между АТС широко применяется аппаратура ИКМ-30.
Для оптических линий связи предназначена цифровая система
передачи с аппаратурой ИКМ-30 и ИКМ-120 (городская связь),
ИКМ-480 (зоновая связь) и ИКМ-1920 (магистральная связь).
1.4. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
В настоящее время наряду с широким применением кабелей
получили развитие также другие средства передачи информации,
такие как волноводы, световоды, линии поверхностной волны,
сверхпроводящие и ленточные кабели и др. Все они объединены
под общим названием — направляющие системы.
Направляющая система (НС)—это устройство, предназначен-
ное для передачи электромагнитной энергии в заданном направле-
нии. Таким канализирующим свойством обладают проводник, ди-
электрик и любая граница раздела сред с различными электриче-
скими свойствами (металл—’Диэлектрик, диэлектрик—воздух и
др.). Поэтому роль направляющей системы могут выполнять ме-
14
Рис. 1.4. Конструкции направляющих систем:
а) симметричная цепь; б) коаксиальный кабель; в) сверхпроводящий кабель: г) волново-
ды; д} линия поверхностней) воды; е) диэлектрические волноводы; ж) ленточный кабель;
з) полосковая линия; и) световоды (линзовый, волоконный)
таллическая линия (кабель, волновод), диэлектрическая линия из
материала с еД>1 (диэлектрический волновод, волоконный свето-
вод), а также металло-диэлектрическая линия (линия поверхност-
ной волны).
Современные направляющие системы передачи высокочастот-
ной энергии разделяются на: воздушные линии связи (ВЛС); сим-
метричные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК); сверхпро-
водящие кабели (СПК); волноводы (В); световоды (С), оптиче-
ские кабели (ОК); линии поверхностной волны (ЛПВ); диэлект-
рические волноводы (ДВ); ленточные кабели (ЛК) (полосковые
линии ПЛ); радиочастотные кабели (РК). Конструкции различ-
ных направляющих систем схематично показаны на рис. 1.4.
Воздушные линии и симметричные кабели относятся к группе
симметричных цепей. Отличительной особенностью таких цепей
является наличие двух проводников с одинаковыми конструктив-
ными и электрическими свойствами. Известные конструкции сим-
метричных кабелей! содержат от 1X2 до 2400X2 жил под общей
защитной оболочкой.
В коаксиальном кабеле проводник а концентрически располо-
жен внутри проводника б, имеющего форму полого цилиндра.
Внутренний проводник изолируется от внешнего с помощью раз-
личных изоляционных прокладок (шайбы, баллоны, кордели
и др).
Волновод представляет собой полую металлическую трубу
круглого или прямоугольного сечения, изготовленную из хорошо
проводящего материала.
Оптический кабель представляет собой скрутку из оптических
волокон — световодов, объединенных в единую конструкцию.
15
Сверхпроводящий кабель имеет коаксиальную конструкцию
весьма малых габаритов, помещенную в условия низких отрица-
тельных температур (—269°C).
Линия поверхностной волны представляет собой одиночный
металлический провод, покрытый высокочастотной изоляцией (по-
лиэтиленом) .
Диэлектрический волновод —это стержень круглого или пря-
моугольного сечения, выполненный из высокочастотного материа-
ла (полиэтилена, стирофлекса).
Полосковая линия состоит из плоских ленточных проводников
с расположенной между ними изоляцией. Разновидностью этой
линии является ленточный кабель, содержащий большое число
проводников, расположенных в одной плоскости.
Радиочастотные кабели имеют коаксиальную, симметричную
или спиральную конструкцию.
Последние три типа направляющих систем имеют локальное
назначение и используются в качестве фидеров передачи энергии
на короткие расстояния от антенн к аппаратуре. Линия поверх-
ностной волны предназначена главным образом для устройства
телевизионных ответвлений от магистральных кабельных и радио-
релейных линий небольшой протяженности (до 100 км). Осталь-
ные направляющие системы применяются для организации маги-
стральной высокочастотной связи на большие расстояния для пе-
редачи различных видов современной информации: телефониро-
вание, телеграфирование, телевидение, передача данных, вещание,
фототелеграфирование, передача газет и др.
Направляющие системы могут быть классифицированы в пер-
вую очередь по длине волны и частотному диапазону их исполь-
зования. В табл. 1.4 приведена частотная классификация направ-
ляющих систем. Здесь же указаны частоты, используемые для
радио- (РЛ) и радиорелейных (РРЛ) линий, а также спутнико-
Таблица 1.4
Направляющая система j Частота . Гц Длина волны Радиосредства
ВЛ 0—105 КМ РЛ
СК ю6 100 М РЛ
кк, лпв, РЧК 108 м РЛ
КК, СПК; ЛК, РЧК 10s дцм РЛ. РРЛ
—,— Ю10 см СЛ, РРЛ
в, дв 101С ... 10й мм — --
1012 ... 1014 ИКЛ —
с, ок 10й . . . 10’5 мкм (ВЛ) лс
1O1S ... 1017 УФЛ —
Примечание. ИКЛ—инфракрасные лучи; УФЛ—ультрафиолетовые лучи; ВЛ—видимые лу-
чи ,
16
МГц
ггц
ТГи,
<0' Ю5 '’0s ГГ '10s \ю3' ' 10ю'Ю1]'10'2 1и'2'>0* 'ю!5Ю16ШпЮ)8,Гц
Стерто ос весь и радиоволны | от^роболны Оптические волны
Л
! 330м
4/
I 0,3 мн 30 a
1 I
Змк\ЗООа ja
•А<
С7
л 7 бель
. W лг/. <7 ль нь, ш но Гель
v поверхностно!] волны
VL'dcp\ lil II
)« Потосковал лен точна? линии
’ I I I I . !
йжмйАяя^ опта ллическии волновод
I______] I i .
*«4 ГиэлЕктоичеснии волновод
! !
ймай Световое
Рис. 1.5. Частотные диапазоны различных направляющих систем
вых линий (СЛ) на основе искусственных спутников Земли и ла-
зерной связи (ЛС).
На рис. 1.5 указаны частотные диапазоны различных направ-
ляющих систем. Из приведенных данных следует, что воздушные
линии связи используются в диапазоне до 105 Гн, симметричные
кабели-- до 106 Гц, а коаксиальные кабели — до 10 s Гц для ма-
гистральной связи и до 105 Гц для устройств антенно-фидерных
трактов. Сверхпроводящие кабели имеют премущественно коак-
сиальную конструкцию и предназначены для использования
в частотном диапазоне коаксиальных систем (до 109 Гц).
Появление и разработка новых направляющих систем переда-
чи, таких как волноводы и световоды (оптические кабели), свя-
заны с освоением новых, более высоких частот миллиметрового и
оптического диапазонов. Волноводы междугородной связи пред-
назначены для работы на частотах до 10й Гц (миллиметровые
волны), а световоды используют частоты 10й Гц (оптический диа-
пазон волн 0,85—1,55 мкм). Осваиваются также волны 2--
6 мкм.
Радиолинии используют диапазон длинных, средних и корот-
ких волн. Радиорелейные линии связи работают на волнах пря-
мой видимости в дециметровом (0,3 ... 3 ГГц) и сантиметровом
(3...30 ГГц) диапазонах.
Естественно, что чем более высокий диапазон частот можно
передать по направляющей системе, тем больше можно образо-
вать каналов связи и экономичней передача. Это наглядно идлю^
стрируется табл. 1.5, где указано 4i|5jicq
Таблица 1.5
Направляющая система Частота, Гц Длина волны Возможное число телефонных каналов Существующая система связи
Воздушные линии Симметричный кабель Коаксиальный кабель Волновод Световод (оптический кабель) 10е 108 Ют-и 1Q14—15 км 100 м м мм мкм 10 100 1000 ... 10 000 100 000 100 000 В-12 К-60, к-1020 К-1920, К-3600, К-10800 ИКМ-480, ИКМ-1920 И КМ—7680
Из табл. 1.5 видно, что световоды и волноводы, использующие
очень высокие частоты, принципиально позволяют образовать ог-
ромное число каналов. Коаксиальные кабели также пригодны для
передачи большого потока информации. Существенно меньше
диапазон частот симметричных кабелей и очень мала пропускная
способность воздушных линий связи.
1.5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЛИНИЯМ
СВЯЗИ
В общем виде требования, предъявляемые высокоразвитой сов-
ременной техникой электросвязи к междугородным линиям связи,
могут быть сформулированы следующим образом:
осуществление связи на практически необходимые расстояния
до 12 500 км в пределах страны и до 25 000 для международной
связи;
широкополосность и пригодность для передачи различных ви-
дов современной информации (телевидение, телефонирование, пе
редача данных, вещание, передача полос газет и т. д.);
защищенность цепей от взаимных и внешних помех, а также
от грозы и коррозии;
стабильность электрических параметров линии, устойчивость и
надежность связи;
экономичность системы связи в целом.
Кабельная линия междугородной связи представляет собой
сложное техническое сооружение, состоящее из огромного числа
элементов. Так как линия предназначена для длительной работы
(десятки лет), и на ней должна быть обеспечена бесперебойная
работа сотен и тысяч каналов связи, то ко всем элементам линей-
но-кабельного оборудования и в первую очередь к кабелям и
кабельной арматуре, входящим в линейный тракт передачи сигна-
лов, предъявляются высокие требования. Выбор типа и конструк-
ции линии связи определяется не только процессом распростра-
нения энергии вдоль линии, но и необходимостью защитить
18
расположенные рядом высокочастотные цепи от взаимных ме-
кающих влияний. Кабельные диэлектрики выбирают исходя из
требования обеспечения наибольшей дальности связи в каналах
ВЧ при минимальных потерях.
В соответствии с этим кабельная техника развивается в сле-
дующих направлениях,
1. Преимущественное развитие коаксиальных систем, позво-
ляющих организовать мощные пучки связи и передачу программ
телевидения на большие расстояния по однокабельной системе
связи.
2. Создание и внедрение перспективных оптических кабелей
связи, обеспечивающих получение большого числа каналов и не
требующих для своего производства дефицитных металлов (медь,
свинец).
3. Широкое внедрение в кабельную технику пластмасс (поли-
этилена, полистирола, полипропилена и др.), обладающих хоро-
шими электрическими и механическими характеристиками и по-
зволяющих автоматизировать производство.
4. Внедрение алюминиевых, стальных и пластмассовых оболо-
чек вместо свинцовых. Оболочки должны обладать герметично-
стью и обеспечивать стабильность электрических параметров
кабеля в течение всего срока службы.
5. Разработка и внедрение в производство экономичных кон-
струкций кабелей внутризоновой связи (однокоаксиальных, одно-
четверочных, безбронных).
6. Создание экранированных кабелей, надежно защищающих
передаваемую по ним информацию от внешних электромагнитных
влияний и грозы, в частности кабелей в двухслойных оболочках
типа алюминий — сталь и алюминий — свинец.
7. Повышение электрической прочности изоляции кабелей свя-
зи. Современный кабель должен обладать одновременно свойст-
вами как высокочастотного кабеля, так и силового электрического
кабеля. Он должен позволять передачу токов высокого напряже-
ния для дистанционного электропитания необслуживаемых усили-
тельных пунктов на большие расстояния.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Современные тенденции развития электрической связи.
2. Какие известны вам системы передачи по линиям связи?
3. Сравните различные типы линий связи (радиолинии, радиорелейные, спутни-
ковые, кабельные, оптические, воздушные линии и др.).
4. Классификация, частотный диапазон и области использования различных на-
правляющих систем передачи (кабели, волноводы, световоды, криогенные ка-
бели и др.).
5. Назовите этапы развития линейных сооружений связи.
6. Какие требования предъявляются к линиям связи?
19
Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ СЕТЕЙ
ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
2.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ
Сеть связи включает: 1) системы передачи информации (линии и
аппаратура); 2) устройства (системы) коммутации; 3) оконечные
устройства.
По капитальным затратам наибольший удельный вес занима-
ют линейные сооружения и аппаратура передачи информации,
поэтому очень важно выбрать оптимальный вариант построения
сети — структуру сети.
Сеть состоит из узлов (пунктов коммутации цепей, каналов) и
ребер (линий связи), соединяющих эти узлы между собой.
При построении сети связи исходят из задачи, сделать ее эко-
номичной и надежной. Надежность обеспечивается созданием раз-
ветвленной сети и применением различных типов линий связи и
прокладки их на различных направлениях. На этих линиях орга-
низуется требуемое число каналов с обходными, резервными пу-
тями. Необходимо, чтобы каждый узел связи имел два-три обход-
ных независимых пути к другим узлам. Существенным требова-
нием являются также возможность построения сети в наиболее
короткие сроки.
Возможно несколько вариантов структурного построения сети
(рис. 2.1):
полносвязное (каждый с каждым), при котором любой узел
имеет прямые связи со всеми остальными узлами (рис. 2.1,а);
узловое, при котором несколько пунктов группируются в узлы
и последние соединяются между собой (рис. 2.1,6);
радиальное (звездообразное), при котором имеется лишь один
узел с расходящимися линиями по радиусам к другим пунктам
(рис. 2.1,в).
Рис. 2.К Варианты построения сетей связи:
а) непосредственное соединение; б) узловое; в) радиаль-
ное
20
Непосредственное соединение каждого пункта с каждым наи-
более надежно, но в технико-экономическом отношении невыгод-
но. Неэкономична и узловая система. Радиальная система наибо-
лее дешевая, но она не имеет никаких путей резервирования и не
обеспечивает непрерывности связи.
Наилучшие результаты дает сочетание радиальной и узловой
систем. Такая система позволяет создать разветвленную, устойчи-
вую и в то же время довольно экономичную сеть связи. Принци-
пиальная схема радиально-узловой системы построения сети по-
казана на рис. 2.2,а. Она характеризуется тем, что одноименные
узлы связи соединяются линиями не только с нижестоящими уз-
лами, но и между собой.
По такой системе организуются прямые связи в обход главных
узлов между взаимотяготеющими крупными промышленно-эконо-
мическими районами страны, внутри экономических районов
и т. д.
Во всех случаях стремятся создать сетку связи, при которой
каждый узел связи связан со смежными ближайшими узлами или
узлами, имеющими наибольшее тяготение. При этом создаются
обходные, резервные пути и обеспечивается два-три независимых
выхода к любому узлу связи (рис. 2.2,6).
Разновидностью сетевидной сети являются решетчатые (яче-
истые) структуры (рис. 2.2,в). Они очень надежны, но требуют
больших капитальных затрат на их сооружение.
В нашей стране соблюдается производственно-территориальный
принцип административно-технического управления сетью Мини-
стерством связи СССР. По различным видам и отраслям связи
функционируют главные управления и осуществляется руководст-
во сверху вниз по производственному принципу. Одновременно
действуют республиканские министерства связи и соответственно
° Районный узел
• Оконечная станция
а)
Главный узел
Зоновый узел
Рис. 2.2. Структура сети связи:
ч.) радиально-узловая; б) сетка связи; в) решетчатая структура
21
Рис. 2.3. Производственно-территориальный
принцип управления сетью связи
краевые, областные производственно-
технические управления связи
(ПТУС), обеспечивающие руковод-
ство всеми видами связи в масштабе
подведомственной территории (рис.
2.3).
В качестве главных управле-
ний .Министерства связи СССР
действуют ГУМТС (междугородные кабельные и радиорелейные
линии), ГРУ (радиосвязь, вещание, телевидение), ГУ КС (косми-
ческая спутниковая связь), ГУТГ (телеграфная, факсимильная
связь и передача данных), ГУТС (городская, сельская связь).
2.2. МАГИСТРАЛЬНЫЕ И ЗОНОВЫЕ СЕТИ
связи
Сеть связи страны (рис. 2.4) состоит из магистральной
(рис. 2.5) и зоновых сетей (рис. 2.6). Зоновая сеть организуется
в пределах одной-двух областей (или республик, краев). Она
подразделяется на внутризо-
новую и местную. Внутризо-
новая связь соединяет област-
ной (республиканский, крае-
вой) центр с районами. .Месс-
иан связь включает сельскую
связь (райцентр с колхозами,
совхозами и рабочими посел-
ками) и городскую связь. Або-
ненты зоны охватываются еди-
ной семизначной нумерацией,
и следовательно, в зоне мо-
жет быть до 107 телефонов.
Магистральная сеть соединяет
Москву с центрами зон (об-
ластей, республик, краев),
а также зоны между собой
(рис. 2.5). Магистральная сеть
объединяет магистральную
Рис. 2.4. Структура сети связи страны
22
Рис. 2.5. Построение магист-
ральной сети
/\ Гора докой узел
О Районный узел
Колхоз (сдвпоз)
Рис 2.6. Построение зоновой сети
Зоновый узел
сеть союзного значения и магистральные сети республиканского
значения. /Магистральная сеть союзного значения обеспечивает
связью:
Москву со столицами союзных и автономных республик и по-
следние между собой;
Москву с краевыми, областными центрами РСФСР и послед-
ние между собой;
Москву с областными центрами союзных республик: област-
ные и республиканские (АССР) центры союзных республик меж-
ду собой.
Магистральная сеть республиканского значения обеспечивает
связью столицу союзной республики с ее областными и респуб-
ликанскими (АССР) центрами, а также перечисленные центры
между собой.
Внутриобластная (внутризоновая) сеть является сетью област-
ного, краевого или республиканского (в республиках без област-
ного деления и в АССР) значения. Эта сеть обеспечивает связью
областной, краевой или республиканский центр со своими горо-
дами и районными центрами и последние между собой, а также
выход их на магистральную сеть союзного значения.
Сеть строится на основе территориально-сетевых (ТСУ) и сете-
вых (СУ) узлов. Кроме того, сеть связи страны подразделяется на
первичную и вторичную (рис. 2.7).
Первичная сеть — это совокупность всех каналов без подраз-
деления их по назначению и видам связи. В состав ее входят ли-
нии и каналообразующая аппаратура. Первичная сеть является
единой для всех потребителей каналов и представляет собой базу
для вторичных.
Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения (теле-
фонных, телеграфных, передачи газет, вещания, видеотелефонных,
передачи данных, телевидения и др.), образуемых ла базе пер-
вичной сети. Вторичная сеть включает коммутационные узлы,
оконечные пункты и каналы, выделенные на первичной сети
(рис. 2.8).
23
Рис. 2./. Первичная и вторичная сети святи
Рис. 2.8, Вторичные сети связи:
/ — системы и сред еч и первичной сети; узды коммутации вторичных сетей; 3 — оконечные
пункты вторичных сстеП; -/—абонентские каналы или линии; 5 — точки, обозначающие гра-
ницы исриичнон исзи
Вторичные междугородные сети подключаются к первичной
сети с по мош (ио соединительных линий между оконечными станы
днями первичной и вторичных сетей.
2.3. ГОРОДСКИЕ ТЕЛЕФОННЫЕ СЕТИ
В общем случае линейные сооружения городской телефон ной
сети состоят из абонентских и соединительных линий. Для сокра-
щения расходов па строительство линейных сооружений и повы-
шения эффективности их использования в крупных городах (обыч-
но при емкости сети свыше 10 тыс. номеров) строят несколько
районных автоматических телефонных станций (РАТС). Такая
сеть называется районированной. При этом линии, соединяющие
телефонные аппараты с районной телефонной станцией, называ-
ются абонентскими, а линии, соединяющие районные станции
между собой, — соединительными.
Связь между районными станциями осуществляется одним из
следующих способов: по принципу «каждая с каждой» (рис. 2.9,а);
радиальному (рис. 2.9,6); с УВС — узлами входящего сообщения
(рис. 2.9,в); с У11С — узлами исходящего и входящего сообщений
(рис. 2.9,г).
Первый способ обычно применяется на районированных сетях
общей емкостью до 80 000 номеров. Радиальный способ использу-
24
ется для связи районных АТС с подстанциями или учрежденче-
скими станциями. На крупных сетях образуются узлоЕзые телефон-
ные станции с применением третьего или четвертого способа. Кро-
ме того, для выхода на междугородную сеть районные АТС свя-
зываются с междугородной телефонной станцией непосредственно
или через узловые станции.
Построение сетей абонентских линий осуществляется различ-
ными способами, однако все они могут быть сведены к двум ос-
новным системам: шкафной и бесшкафной; в СССР, как правило,
применяется шкафная система.
Схема устройства линейных сооружений по шкафной системе
изображена на рис. 2.10. Здесь показана часть города с распре-
деленными по отдельным кварталам телефонными абонентами,
причем в пунктирных квадратиках обозначено число абонентов,
а в квадратиках, обведенных сплошными линиями, число пар про-
25
а) распределение кабелей но зданиям; б) шкафная система; в) бесшкафная система; г) параллельное включение жил при
беешкафний системе
водников кабеля, подведенных к данной группе абонентов. Как
видно из рис. 2.10,(7, число пар проводников кабеля будет больше
числа телефонных абонентов. Это обеспечивает необходимый экс-
плуатационный запас.
Включение абонентов в телефонную станцию осуществляется
через распределительные коробки (РК) и распределительные
шкафы (РШ). При этом от телефонной станции в различных на-
правлениях отходят крупные по емкости кабели, которые, раз-
ветвляясь на более мелкие, заходят в распределительные шкафы.
Эти кабели вместе с относящимся к ним линейным оборудова-
нием составляют так называемую магистральную сеть. От рас-
пределительных шкафов отходят меньшие по емкости кабели
(100...50 пар), которые, разветвляясь, подходят к распредели-
тельным коробкам емкостью 10x2. Данные кабели и относящееся
к ним линейное оборудование составляют распределительную
сеть. От распределительных коробок к телефонным аппаратам
абонентов прокладываются однопарные кабели, составляющие
абонентскую проводку (рис. 2.10,6).
Наличие распределительного шкафа облегчает производство
испытания кабелей и дает возможность путем соответствующих
переключений в ыем соединять любые пары магистрального и
распределительного кабелей, что имеет важное значение при экс-
плуатации сети, так как на последней обычно имеют место пере-
группировки абонентов, появляется необходимость включения но-
вых абонентов, замены цепей в кабелей и т. п. Кроме того, при-
менение распределительных шкафов позволяет экономить маги-
стральные кабели. Дело в том, что в распределительные коробки
соответственно их емкости включаются десятипарные распредели-
тельные кабели, в то время как число абонентских линий, вклю-
ченных в отдельные распределительные коробки, обычно меньше.
Если подвести непосредственно к телефонной станции полную ем-
кость кабелей, включенных в распределительные коробки, то на
значительном расстоянии до телефонной станции образовался бы
большой запас кабельных пар, который более или менее продол-
жительное время оставался бы в значительной мере неиспользо-
ванным, что невыгодно. Наличие распределительных шкафов по-
зволяет иметь эксплуатационный запас кабельных пар магист-
ральной сети значительно меньше запаса в распределительной
сети, обеспечивая таким образом экономию емкости магистраль-
ного кабеля.
Схема построения телефонной сети по бесшкафной системе
приведена на рис. 2.10щ. Здесь для обеспечения требуемой гиб-
кости сети используется система параллельного включения кабе-
лей, при которой отдельные пары кабеля включаются параллельно
в несколько распределительных коробок.
Сущность параллельного включения кабельных жил заключа-
ется в том, что одна и та же кабельная пара, идущая от телефон-
ной станции, включается параллельно в несколько распредели-
тельных коробок. Благодаря такому включению достигается
уменьшение запасных пар в магистральных кабелях (аналогично
распределительным шкафам). Как видно из рис. 2.10,г, у кабелей
емкостью 20X2 в направлениях А и Б идут по семь пар (7X2),
а шесть пар (6X2) запараллелены и могут быть по желанию ис-
пользованы частично или полностью в направлении А или Б.
При построении телефонных сетей применяется также смешан-
ная система с использованием того или иного способа на тех
участках сети, где он является наиболее целесообразным.
2.4. СЕТИ СЕЛЬСКОЙ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ
И ПРОВОДНОГО ВЕЩАНИЯ
В сельской местности па территории административного райо-
на создается сеть линий и каналов связи, входящая в зоновую
(областную) связь.
В сельской местности образуются следующие виды сетей элек-
тросвязи:
общего пользования (телефонной связи, факсимильной связи,
передачи вещания);
внутрипроизводственные (связь внутри колхозов, совхозов,
а также внутри строек и предприятий района);
учрежденческо-производственной связи (связь предприятий
различных ведомств).
По месту на сети сельской телефонной связи (СТС) станции
делятся на следующие виды:
центральная станция (ЦС), расположенная в районном центре,
являющаяся одновременно станцией района;
узловая станция (УС), расположенная в любом из населенных
пунктов сельского района. В эти станции включаются соедини-
тельные линии оконечных станций;
оконечные станции (ОС), расположенные в любом из населен-
ных пунктов сельского района.
Сельская телефонная сеть строится по радиально-узловой си-
стеме. Она наиболее экономична и в то же время достаточно на-
дежна. Пример построения СТС приведен на рис. 2.11. Оконечные
станции ОС включены в центральную и узловые станции. Из-за
большого тяготения между абонентами станций ОС-7 и ОС-8
организована рокадная связь.
В сельском районе, обычно в райцентре, строится радиотранс-
ляционный узел (мощностью 1, 2, 5 или 10 кВт). Радиотрансля-
ционная сеть узла обычно состоит из местной (двух- и трехзвен-
ной) сети, обслуживающей все остальные населенные пункты
района. Если не представляется возможным охватить системой
высоковольтных фидеров населенные пункты, удаленные от рай-
28
Рис. 2.И. Построение сельской телефонной сети связи
центра (высокая стоимость, неудовлетворительные качественные
показатели), то в районе сооружается дополнительно несколько
усилительных подстанций.
В небольших городах и рабочих поселках сеть радиоузла име-
ет двух- или трехзвенное построение. Трехзвенная сеть применя-
ется на крупных узлах с большой нагрузкой, питающихся от рай-
онных усилительных станций. Число станций, их мощность и раз-
мещение на территории города определяется в зависимости от
конкретных условий и нагрузки.
Наивыгоднейшее число распределительных фидеров двузвен-
ной сети, питаемой от станций радиоузлов и усилительных транс-
форматорных подстанций, определяется, исходя из местных усло-
вий. Обычно оно равно 6... 10.
Опыт строительства радиотрансляционных сетей показывает,
что даже в больших городах распределительный узел должен
иметь нагрузку не более 20 тыс. радиоточек, а в городах с малой
плотностью застройки и малой этажностью — 6... 8 тыс. радио-
точек.
Фидеры уличной звукофикации предусматриваются лишь в том
случае, когда по местным условиям выдвигается требование о не-
обходимости звукофикации какой-либо открытой территории (пло-
щади, стадиона и др.) для передачи программы, отличной от рай-
онной. Во всех других случаях уличные громкоговорители вклю-
чаются в распределительные фидеры с помощью специальных
блоков.
2.5. ЕДИНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СЕТЬ
СВЯЗИ ЕАСС
Единая автоматизированная сеть связи страны — это общего-
сударственная сеть связи, развивающаяся на основе единой тех-
нической политики с максимальной автоматизацией и полностью
29
удовлетворяющая потребности народного хозяйства и населения
Советского Союза в передаче всех видов информации по всей тер-
ритории страны. Она объединяет в одно целое средства электри-
ческой связи всех ведомств и министерств (кабельные, радиоре-
лейные, воздушные, радиолинии, ионосферные линии и каналы,
создаваемые через искусственные спутники Земли, а в перспекти-
ве— волноводные и оптические линии) и направляет их развитие
по единому плану.
Единая автоматизированная сеть связи объединяет в масшта-
бе страны все сети магистральной, зоновой (областной), сельской
и городской связи, обеспечивая их развитие в едином автомати-
зированном комплексе с единой нумерацией и коммутацией. Это
позволит в перспективе каждому абоненту одного населенного
пункта страны иметь автоматическую связь (путем обычного на-
бора номера на диске телефонного аппарата) с любым другим
абонентом другого населенного пункта страны.
Единая автоматизированная сеть связи включает передачу
всех видов современной информации: телефонную, телеграфную,
фототелеграфную, телевидение, видеотелефон, сигналы автомати-
ческого управления, данные электронно-вычислительных машин и
т. д. В перспективе все виды информации будут передаваться
едиными методами на основе единых инженерных решений.
В инженерном отношении ЕАСС представляет собой широко
разветвленную сеть каналов связи с большой пропускной способ-
ностью и высокой верностью передачи информации. Сеть базиру-
ется на целесообразно размещенных по стране узлах. автоматиче-
ской коммутации, соединенных между собой большими пучками
каналов.
В систему ЕАСС входят электронно-вычислительные центры,
в которых информация обобщается и систематизируется. В связи
с этим различные виды информации преобразуются в цифровые
сигналы, а затем передаются по каналам связи.
Составными частями ЕАСС являются: автоматическая теле-
фонная сеть (ТФ); телеграфная сеть (ТГ); сеть передачи данных
(ПД); сеть звукового вещания (ВЩ); сеть факсимильной связи
(ФС) (фототелеграф, газеты); сеть телевизионного вещания (ТВ);
ведомственные сети и др.
Основой ЕАСС являются современные кабельные магистрали
в гармоническом сочетании с радиорелейными и развивающимися
спутниковыми линиями.
Установлено, что слияние разрозненных сетей в единую обще-
государственную сеть связи страны с созданием мощных систем
передачи и коммутационных узлов позволяет существенно сни-
зить стоимость каналов, сократить затраты цветных металлов для
изготовления кабелей и достигнуть снижения эксплуатационных
расходов.
30
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
д. Сформулируйте основные положения ЕАСС.
2. Принцип построения сетей связи.
3. Как обеспечить надежность и живучесть сетей связи?
4. Чем определяется размер территории зоны?
5. Варианты построения сетей ЕТС.
6. Построение сельской сети связи.
7. Первичные и вторичные сети связи.
Глава 3. КОНСТРУКЦИИ И
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНИЙ СВЯЗИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ СВЯЗИ
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА
КАБЕЛЕЙ
Кабелем называется электротехническое изделие, содержащее
изолированные проводники, объединенные в единую конструкцию
и заключенные в общую металлическую или пластмассовую обо-
лочку и защитные покровы (рис. 3.1).
Современные кабели связи классифицируются по ряду при-
знаков: в зависимости от назначения, области применения, усло-
вий прокладки и эксплуатации, спектра передаваемых частот,
конструкции, материала и формы изоляции, системы скрутки, ро-
да защитных покровов.
В зависимости от области применения кабели связи разделя-
ются на магистральные, зоновые (внутриобластные), сельские, го-
родские, подводные, а также кабели для соединительных линий и
вставок. Изготовляются также радиочастотные кабели для фиде-
ров питания антенн радиостанций и монтажа радиотехнических
установок.
В зависимости от условий прокладки и эксплуатации кабели
разделяются на подземные, подводные, подвесные и кабели для
протяжки в телефонной канализации.
По спектру передаваемых частот кабели связи делятся на низ-
кочастотные (тональные) и высокочастотные (от 12 кГц и выше).
По конструкции и взаимному расположению проводников це-
пи кабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.
Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в
электрическом и конструктивном отношениях изолированных про-
водников (рис. 3.2,а). Коаксиальная цепь представляет собой два
цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр — сплошной
31
Рис. 3.1. Обший вид кабеля:
J — сердечник; 2 — ободочка; 3 — броневой
покров
Рис. 3.2. Кабельные цепи:
и) симметричная; б) коаксиальная
проводник, концентрически расположен внутри другого цилиндра
полого (рис. 3.2,6).
Кроме того, различают кабели в зависимости от:
состава входящих в него элементов — однородные и комбини-
рованные;
материала и структуры изоляции — с воздушно-бумажной,
кордел ьно-бум аж ной, кордельно-стироф леке пой (пол и стироль-
ной), сплошной полиэтиленовой, пористо-полиэтилсновой, баллон-
но-полиэтиленовой, шайбовой полиэтиленовой, фторопластной и
другой изоляцией;
вида скрутки изолированных проводников в группы — парной
и четверочной (звездной), в сердечник - повивпой и пучковой
скрутки.
Наконец, кабели делятся по виду оболочек: металлические
(свинец, алюминий, сталь), пластмассовые (полиэтилен, поливи-
нилхлорид), металлопластмассовые (альпэт, стальпэт), а также
по виду защитноброневых покровов (ленточная или проволочная
броня, джутовый или пластмассовый покров).
Для удобства классификации и пользования кабелями им при-
сваивается определенное условное обозначение — марка кабеля.
Магистральные и междугородные кабели маркируются буквой М;
буквы КМ обозначают коаксиальные магистральные. Телефонным
городским кабелям присваивается буква Т. Если кабель имеет
стирофлексную (полистирольную) изоляцию, то дополнительно
вводится буква С, полиэтиленовую изоляцию — буква П. В кабе-
лях с алюминиевой оболочкой еще добавляется буква А, а со
стальной — буква С.
В зависимости от вида защитных покровов кабели маркиру-
ются буквами: Г — голые (освинцованные), Б — с ленточной бро-
ней и К — с круглопроволочной броней. Наличие наружной пласт-
массовой оболочки обозначается буквой П (полиэтиленовая) или
В (поливинилхлоридная).
32
Соответственно междугородные симметричные кабели в свин-
цовой оболочке с кордельпо-бумажпой изоляцией имеют марки
МКГ, МКБ, МКК, с кордельно-стирофлексной изоляцией —
МКСГ, МКСБ, МКСК, с полиэтиленовой изоляцией —
МКПГ, МКПБ, МКПК- Симметричные кабели со стирофлексной
изоляцией в алюминиевой оболочке: МКСАШп, МКСАБпШп,
МКСАКпШп. Симметричные кабели в стальной оболочке имеют
марку МКССШп.
Коаксиальные магистральные кабели маркируются КМГ,
КМБ, КМК (в свинцовой оболочке), КМА, КМАБ, КМАК (в алю-
миниевой оболочке). Комбинированные коаксиальные магистраль-
ные кабели имеют, кроме того, дробный индекс, обозначающий
число больших пар 2,6/9,5 мм (числитель) и малых пар 1,2/4,6 мм
(знаменатель) (например, КМБ-8/6, КМБ-6/4 и др.). Малогаба-
ритные коаксиальные кабели имеют марки МКТС: МКТСБ
(в свинцовой оболочке), МКТАШп (в алюминиевой оболочке и
в полиэтиленовом шланге).
Однокоаксиальные кабели с пористо-полиэтиленовой изоляци-
ей для внутриобластной связи с алюминиевым внешним проводом
маркируются ВКПАП и ВКПАПт (бучва «т» означает наличие
встроенного троса).
Городские телефонные кабели парной скрутки в свинцовой
оболочке маркируются буквами ТГ, ТБ, ТК. Городским телефон-
ным кабелям с полиэтиленовой изоляцией и в пластмассовой обо-
лочке присвоены марки ТПП, ТППБ (полиэтилен) и ТПВ, ТПВБ
(поливинилхлорид). Влагостойкие кабели с герметизированным
заполнением маркируются ТППЗ.
Кабели звездной скрутки для соединительных линий и узлов
связи обозначаются марками ТЗГ, ТЗБ и т. д. (с кордельно-бу-
мажной изоляцией) и ТЗПП, ТЗППБ и г. д. (с пористо-полиэтиле-
новой изоляцией). Кабели в алюминиевой оболочке с защитой по-
лиэтиленовым шлангом маркируются ТЗАШп и ТЗАБпШп. Од-
ной ет ве р о ч н ы е к а б е л и з о и о во й с в я з и м а р к и р у юте я 3 К П - в п ол и -
этиленовой оболочке и ЗКПАп — в алюминиевой оболочке и поли-
этиленовом шла иге.
Кабели сельской связи с полиэтиленовой изоляцией и в пласт-
массовой оболочке имеют марки КСПП, КСППБ, КСППК (одно-
и двухчетверочные с диаметром жил 0,9 и 1,2 мм). Однопарные
кабели маркируются ПРВПМ и ПРВГ1А. Буква А означает нали-
чие алюминиевых жил вместо медных.
Для сельского радиовещания применяются магистральные фи-
дерные кабели МРМ-1Х2 и абонентские кабели ПРППМ-1Х2-
Последнее время получили широкое развитие оптические кабе-
ли (ОК), которые содержат вместо медных проводников тонкие
волокна из кварцевого стекла — световоды. Эти кабели предна-
значаются для междугородной, городской и подводной связи.
Имеются также и монтажные оптические кабели. В копструктив-
2—6136 33
Рис. 3.3. К.-ассибикация кабелей связи
А
пом отношении ОК подразделяются на три группы: повивные.
с профилированным сердечником и плоские ленточного типа. Оп-
тические кабели изготовляются с числом волокон 2, 4, 6, 8, 10
и т. д., которое указывается в марке ОК, например ОК-4 означа-
ет наличие четырех волокон.
На рис. 3.3 приведена классификация кабелей связи, изготов-
ляемых отечественной промышленностью.
3.2. ПРОВОДНИКИ
Токопроводящие жилы (обычно круглой формы) кабелей свя-
зи должны обладать высокой электрической проводимостью, гиб-
костью и достаточной механической прочностью. Наиболее рас-
пространенными материалами для изготовления кабельных жил
являются медь и алюминий.
Медь, как правило, применяется отожженная, мягкая, марки
М М с у д е л ь I! ы м с о п р о т и в л е и и ем 0,01754 О м • м м2 / м и т е м п е р а т у р -
ным коэффициентом сопротивления постоя иному току 0,004. Проч-
ность на разрыв — 260 Н/мм2 с относительным удлинением 25%
(для жил диаметром 1 — 1,5 мм). Удельный вес - - 8,89 г/см3.
Алюминий имеет удельное сопротивление 0,0295 Ом • мм2/м, т. е.
в 1,65 раза больше, чем у меди. Температурный коэффициент
34
Рис. 3.4. Конструкция кабельных проводников:
а) сплошной; б) гибкий; е) биметаллический; г) для подводных кабелей
0,0042. Удельный вес 2,72 г/см3.
Медная проволока используется диаметром 0,32; 0,4; 0,5; 0,6;
0,7 мм для кабелей городских телефонных сетей и 0,8; 0,9; 1,0;
1,1; 1,2 мм для междугородных кабелей. На городских сетях наи-
более широко применяются кабели с жилами диаметром 0,5 мм,
а для междугородной связи —с жилами диаметром 1,2 мм.
Алюминиевые жилы, применяемые в производстве кабелей
связи, имеют диаметры 1,15; 1,55; 1,8 мм. Эти жилы аналогичны
по электрической проводимости медным с диаметром 0,9; 1,2;
1,4 мм соответственно. По механическим характеристикам лучшие
результаты дают алюминиевые сплавы, содержащие присадку
из магния, железа и других металлов.
Наряду со сплошными цилиндрическими проводниками ис-
пользуются также проводники несколько более сложной конструк-
ции (рис. 3.4). В тех кабелях, где требуются повышенная гибкость
и механическая прочность, токопроводящая жила скручивается в
литцу из нескольких проволок (чаще 7, 12, 19 и т. д.). Имеются
также биметаллические проводники конструкции алюминий —
медь. В подводных кабелях применяется многопроволочная жила,
Рис. 3.5. Конструкции внешних проводников коаксиальных кабе-
лей;
о) молния; б) гофрированный; в) спиральный; г) оплеточный
35
Таблица 3.1
Наименование материала । ' - 1 Плот- ; яость, I r/CMs Удельное сопротив- ление при 20°С ОмХ Хмм2/мХ ХЮ'8 Предел прочности при растяжен ии 11 -‘-f_ --- _ Относитель- ное удлине- ние, % Температур- ный коэффн циент сопро- тивления на PC
МПа к гс/мм
Медь ММ 8,9 0,01754 270 Ог7 — । 1 25 ; 0,00393
Медь МТ 8,9 0,01820 390 39 ] 0.00393
Алюминий AM 2,7 ! 0,0295 750 75 15 | 0,00423
Алюминий АТ 1 2,7 | 0,0295 J 160 16 С 5 I 0,00423
Сталь 7,8 | 0,1380 1 350...500 । 38,..50 8 ! 0.00455
Свинец j 1! .4 * 0,2210 1 1 14...16 ! j ! 1.4... 1,6 50 1 ! 0,00411
состоящая из проволок разного сечения. В центре такой жилы
размещается толстый проводник, а повив состоит из тонких про-
волок.
Указанные токопроводящие жилы используются для симмет-
ричных кабелей и в качестве внутреннего проводника коаксиаль-
ного кабеля. Внешний проводник коаксиального кабеля, имею-
щий форму полого цилиндра, изготовляется в виде тонкой трубки
из меди и алюминия. В электрическом отношении наилучшей фор-
мой внешнего проводника коаксиального кабеля является одно-
родная по всей длине трубка. Однако изготовить достаточно длин-
ный гибкий кабель со сплошным цилиндрическим внешним про-
водником крайне затруднительно. Промышленное применение
имеют конструктивные разновидности гибких внешних проводни-
ков коаксиального кабеля, приведенные на рис. 3.5.
Наибольшее применение в коаксиальных кабелях дальней свя-
зи получила конструкция внешнего проводника типа молния как
более технологичная и обеспечивающая требуемую электрическую
однородность по длине.
Основные характеристики кабельных проводниковых материа-
лов приведены в табл. 3.L
3.3. изоляция
Материал, применяемый для изоляции кабельных жил, дол-
жен обладать высокими и стабильными во времени электрически-
ми характеристиками, быть гибким, механически прочным и не
требовать сложной технологической обработки. В электрическом
отношении свойства изоляции определяются следующими пара-
метрами: электрической прочностью U, при которой происходит
пробой изоляции; удельным электрическим сопротивлением р, ха-
рактеризующим ток утечки в диэлектрике; диэлектрической про-
ницаемостью £, характеризующей степень смещения (поляриза-
дай) зарядов в диэлектрике при воздействии на него электриче-
ского поля; тангенсом угла диэлектрических потерь (или величи-
ной диэлектрических потерь) tg5, характеризующим потери высо-
кочастотной энергии в диэлектрике.
Наилучшим диэлектриком является воздух, который обладает
р-->оо и tgd->0. Однако создать изоляцию только из возду-
ха практически невозможно. Поэтому кабельная изоляция, как
правило, является комбинированной и содержит как воздух, так
и твердый диэлектрик, причем количество твердого диэлектрика
должно быть минимальным и определяться требованием устойчи-
вости изоляции и жесткости ее конструкции. Изоляция должна
предохранять токопроводящие жилы от соприкосновения между
собой и строго фиксировать взаимное расположение жил в груп-
пе по всей длине кабеля.
В качестве диэлектриков в кабелях связи широко используют-
ся полимеризационные пластмассы типа полистирол (стиро-
флекс), полиэтилен, фторопласт, полихлорвинил и др. Со-
четание высоких электрических характеристик в широком спектре
частот, влагостойкости к различным агрессивным средам и срав-
нительно несложно!’! технологической обработки обеспечило пласт-
массам широкое применение в кабелях связи в качестве изоля-
ции и защитных оболочек.
При оценке пригодности того или иного типа кабеля следует
иметь в виду, что ширина полосы частот, передаваемой по кабе-
лю, обусловлена качеством используемого диэлектрика (с, tg’6)
и в первую очередь величиной диэлектрических потерь. Потери
высокочастотной энергии в диэлектрике кабеля ад непосредствен-
но связаны с величиной tg6 и прямолинейно возрастают с ростом
частоты. Для сравнения укажем, что при частоте 1 МГц величи-
на кор дельно-бумажной изоляции составляет 400- 10~г, а полиэти-
лена— не более 5...10М С ростом частоты эта разница в поте-
рях линейно возрастает и для высокочастотных кабелей становят-
ся пригодными лишь определенные пластмассы.
Основные физико-механические и электрические свойства ука-
занных материалов приведены в табл, 3.2.
Бумага, предназначенная для изоляции жил НЧ кабелей, вы-
рабатывается из сульфатной целлюлозы. Для международных ка-
белей применяется бумага толщиной 0,12 и 0,17 мм. Для удобст-
ва монтажа бумагу окрашивают в разный цвет: красный, синий,
зелен ый.
Бумажный кордель представляет собой нить, скрученную из
кабельной бумаги диаметром 0,6; 0,76 и 0,85 мм. Прочность бу-
мажного корделя равна 70 МПа (7 кге/мм2).
Полистирол (стирофлекс) вырабатывают из жидкого стирола,
исходным сырьем для которого является нефть или каменный
уголь. Полистирол прозрачный, гибкий и негигроскопичный мате-
риал, из которого вырабатывают ленты толщиной 0,045 мм и ши-
37
Табл и и а 3.2
Материал Плотность г/см3 Предел прочности при растяжении
МПа КГ С/СМ 2
Кабельная бумага Полистирол Сплошной полиэтилен Пористый полиэтилен Поливинилхлорид 0.7 1.05 0.92 0.47 1.26 ... 1.40 80 30...50 12...18 2.5... 5 10...22 800 300 ... 500 120 .. . 180 25 ... 50 100 ... 220
рипой 10 ...12 мм и кордель диаметром 0,8 мм для изоляции жил
высокочастотных кабелей связи.
Полистирол имеет различную расцветку — красную, синюю, зе-
леную. Недостатком полистирола является его низкая теплостой-
кость, находящаяся в пределах 65... 80°C.
Полиэтилен получают путем полимеризации жидкого этилена.
Полиэтилен представляет собой молочно-белый (иногда желтова-
то-белый) материал, на ощупь напоминающий парафин. При под-
жигании загорается медленно и горит синеватым пламенем без
копоти. Полиэтилен термопластичен, температура его размягче-
ния около 110°С. При обычной температуре на него не действу-
ют кислоты и щелочи.
Существуют два способа получения полиэтилена: при высоком
давлении (150... 350 МПа или 1500... 3500 ат) и температуре
+ 200 °C и при низком давлении (0,3...0,4 МПа или 3... 4 ат) и
температуре +70°C. Полиэтилен низкого давления отличается
большей плотностью (до 0,97 г/см3) и более кристаллической
структурой, чем полиэтилен высокого давления. Полиэтилен вы-
пускается в виде мелких частиц-гранул размером 3 мм.
Пористый полиэтилен получается введением в состав компо-
зиции полиэтилена газообразователей или порофоров, способных
при определенных температурах переходить в газообразное со-
стояние.
Поливинилхлорид получается путем полимеризации винилхло-
рида. Чтобы получить из поливинилхлорида мягкий материал, его
смешивают с пластификатором. Поливинилхлорид весьма устой-
чив к действию химических реагентов, однако он сравнительно
легко разлагается при нагревании, выделяя хлористый водород.
Важным свойством его является негорючесть, поэтому он нашел
широкое применение в качестве оболочек станционных кабелей
связи.
Существенным недостатком поливинилхлорида является срав-
нительно низкая теплостойкость (не выше 70°C). При низких тем-
пературах пластикат теряет прочность, а при высоких резко ухуд-
шает свои электрические свойства.
38
Относительное
удлинение при
разрыве, %
I Морозостойкость-!
Теплостой-
кость. с
Диэлектрическая
проницаемость
ls>J !0*4 при
частоте 1 кГц
50
—- 20 до bi)
! 2 ... 2,5
I 2,5 . . . 2.7
2,28 .. . 2.30
1,45 ... 1,50
i 3 ... 6
80
2
«•>
4
3'10... 1000
9
1 1 о
Нз основе указанных диэлектриков в настоящее время разра-
ботаны и применяются различные конструкции изоляционных по-
кровов. В основном в кабелях связи используются следующие ти-
пы изоляции:
гр v б ч a j а я — выполняется в виде бумажной или пластмассо-
вой ленты, наложенной в виде трубки (рис. 3.6,ц);
кордсльная —состоит из нити корделя, расположенного от-
крыто й спиралые? на проводнике, и ленты, которая накладывается
поверх корделя (рис. 3.6,6);
сплошная — выполняется из сплошного слоя пластмассы
(рис. 3.6,в);
пористая —- образуется из слоя пенопласта (рис. 3.6,?);
баллонная — представляет собой тонкостенную пластмассовую
трубку, внутри которой свободно располагается проводник. Труб-
ка периодически в точках или по спирали обжимается и надежно
удерживает жилу в центре изоляции (рис. 3.6}<5, е);
шайбовая — выполняется в виде шайб из твердого диэлектри-
ка, насаживаемых на проводник через определенные промежутки
(рис. 3.6,ж);
Рис. 3.G. изоляций кабелей связи
39
спиральная (геликоидальная)—представляет собой равномер-
но распределенную по длине проводника пластмассовую спираль,
имеющую прямоугольное сечение (рис. 3.6,з).
Известна также кордельно-трубчатая изоляция, состоящая из
пластмассовых корделя и трубки.
Из различных диэлектриков и конструктивных форм изоляции
наибольшее применение в настоящее время получили:
для кабелей городской и сельской связи — трубчатая, выпол-
ненная в виде обмотки бумажными лентами, сплошная полиэтиле-
новая, пористая бумажная или полиэтиленовая;
для симметричных кабелей междугородной связи — кордельно-
стирофлексная, баллонная, кордельно-трубчатая или пористая из
полиэтилена;
для коаксиальнЫ/Х кабелей шайбовая, баллонная, геликоидаль-
ная и пористая (во всех случаях диэлектриком является полиэти-
лен);
для подводных коаксиальных кабелей сплошная полиэтилено-
вая изоляция.
3.4. ТИПЫ СКРУТОК В ГРУППЫ
Отдельные жилы обычно скручивают в группы, называемые
элементами симметричного кабеля. В результате жилы цепи ста-
новятся в одинаковые условия по отношению друг к другу. При
этом снижаются электромагнитные связи между цепями и повы-
шается защищенность их от взаимных и внешних помех. Кроме то-
го, скрутка облегчает взаимное перемещение жил при изгибах ка-
беля и обеспечивает ему более устойчивую и круглую форму. Су-
ществует несколько способов скрутки жил в группы.
Парная скрутка (П)—две изолированные жилы скручивают
вместе в пару с шагом скрутки не более 300 мм (рис. 3.7щ).
Скрутка четверочная или звездная (3)—четыре изолирован-
ные жилы, расположенные по углам квадрата, скручивают с ша-
гом скрутки примерно 150 ...300 мм; разговорные пары в этой
скрутке образуются из диагональных жил. Так, жилы а и b об-
разуют одну пару, а жилы с и d — другую (рис. 3.7,6).
Скрутка двойная пара (ДП) —две предварительно свитые раз-
говорные пары (а, b и с, d) скручивают между собой в четверку
Ы 47 6J г) а)
Рис. 37. Скрутка жил в группу
40
(рис. 3.7,в). Шаги скрутки пар должны быть отличными как один
от другого, так и от шага, скрутки самой четверки. Шаг скрутки
пар принимается в пределах 400...800 мм, а шаг скрутки четвер-
ки 150 ... 300 мм.
Скрутка двойной звездой (ДЗ) — четыре предварительно сви-
тые пары вновь скручивают вместе но способу звезды, образуя
восьмерку (рис.. 3.7,г). Шаги скрутки нар, составляющих вось-
мерку, делают различными и берут обычно в пределах 150...
...250 мм, а шаг скрутки восьмерки — 200...400 мм. Направление
скрутки пар и скрутки восьмерки должны быть противополож-
н ы м и.
Восьмерочная скрутка (В) —восемь жил группы располагают-
ся концентрически вокруг сердечника из изолированного материа-
ла, например стирофлексного (полиэтиленового) корделя (рис.
3.7 Д). Из восьми жил могут быть образованы две четверки: пер-
вая с нечетными .номерами, а вторая-—из жил с четными номе-
рами. Всего может быть получено четыре основные пары и две
фантомные с одинаковыми параметрами передачи.
Для уменьшения влияния между цепями систематически меня-
ют (в муфтах) взаимное расположение жил по длине.
При скрутке элементы кабеля с воздушно-бумажной изоляци-
ей деформируются, изоляция обжимается и группы несколько за-
падают друг в друга. Поэтому, кроме диаметра описанной вокруг
группы окружности (расчетный диаметр), существует понятие эф-
фективный диаметр группы. Значения расчетного и эффективного
диаметра групп, выраженные через диаметр изолированной жилы
d\,приведены в табл. 3.3.
Наиболее экономичной, обеспечивающей лучшую стабиль-
ность по электрическим параметрам, является звездная скрутка.
Эта скрутка получила преимущественное применение в междуго-
родных кабелях связи.
Парная скрутка является наиболее простой в производстве и
применяется в основном при изготовлении городских телефонных
кабелей. Скрутки ДП и ДЗ не получили широкого применения в
современных конструкциях кабелей связи.
Таблиц г 3.3
t Скрутка Диаметр
рас четны it эффективный
Парная г/п Звездная d3 Двойная парная Цд,п Двойная звездная с/д,3 Восьмерочная г/в 2,4?Н1 3,98^ 3.60Ц1 ' 1 ,65с/* 2.2d, 2,6</( 3,9d, 3.54d,
41
3.5. ПОСТРОЕНИЕ СЕРДЕЧНИКА КАБЕЛЯ
Скрученные в группы изолированные жилы систематизируют
по определенному закону и объединяют в общий кабельный сер-
дечник.
В зависимости от характера образования сердечника различа-
ют две системы скрутки: повивпую и пучковую. При пучковой
скрутке группы сначала скручивают в пучки, содержащие по не-
скольку десятков групп (наиболее распространены пучки из 50
или 100 групп), после чего пучки, скручиваясь вместе, образуют
сердечник кабеля (рис. 3.8,л). Пучковая скрутка применяется
лишь для низкочастотных кабелей городских сетей.
Основным методом общей скрутки в современных кабелях
дальней связи является повивная скрутка, (рис. 3.8,5). Группы
располагают последовательными концентрическими слоями (по-
вива ми) вокруг центрального повива, состоящего из одной — пя-
ти групп. Смежные (рядом расположенные) нови вы скручивают-
ся в противоположные стороны с целью уменьшения взаимного
влияния между группами смежных повивов и придания кабельно-
му сердечнику большей механической устойчивости. Такое распо-
ложение повивов облегчает также отделение их друг от друга
при монтаже кабеля.
При однородной кабельной скрутке для образования повивов
в кабеле применяют пять различных форм скрутки с 1, 2, 3, 4 и 5
группами в центральном повиве. Диаметр центрального повива
при различном числе групп определяют по формуле
где ^ — диаметр группы;
(две — пять). При
л-—число групп в центральном повиве
т. е. когда в центре имеется одна груп-
Рис. 3.8. Скрутка групп в сердечник:
ц ) ii\ ’iKfHUJR; (5) НОВНВНЗЯ
Д2
Рис. 3.9. Шаг скрутки
па, диаметр равен диаметру этой группы
(D = d)\ при п = 2 D^=2fid\ при п = 3
b~2,155d; при п = 4 0 = 2,4d; при п~5
D=^2,7d.
Зная число групп (элементов) в цен-
тральном повиве, можно определить их
число в последующих повивах. Так, если
имеется какая-либо кабельная скрутка,
у которой, считая от центра, по-
вив имеет пг групп, то в следующем повиве оудет
^/72~рб. Следовательно, при повивной скрутке число групп (эле-
ментов) в каждом последующем повиве увеличивается на шесть
по сравнению с предыдущим. Исключением из этого правила яв-
ляется второй повив в том случае, когда в первом (центральном)
повиве имеется лишь одна группа. Тогда во втором повиве уве-
личение будет не на шесть, а на пять групп.
Так как группы каждого последующего повива накладываются
на предыдущий по винтовой линии, то длина жил кабеля увели-
чивается по сравнению с длиной кабеля (рис. 3.9). Удлинение жил
кабеля учитывается через коэффициент укрутки, определяемый
по формуле:
х = 1 /sin а ~ ]/1 -у rd (ффИ)ц
где D — D/Jrd.
Параметр х равен L02 ... 1,07.
3.6. ЗАЩИТНЫЕ ОБОЛОЧКИ
Сердечник кабеля, состоящий из скрученных по определенной
системе групп, покрывают поясной изоляцией и заключают в гер-
метичную оболочку, предохраняющую кабель от влаги и возмож-
ных механических воздействий, которые могут возникнуть в про-
цессе транспортировки, прокладки и эксплуатации кабеля. В ка-
бельной промышленности применяют следующие кабельные
оболочки: металлические, пластмассовые и металлопластмас-
совые.
К металлическим оболочкам относятся, главным образом,
свинцовые, алюминиевые и стальные.
Свинцовые оболочки накладывают на кабель методом опрес-
сования в горячем виде. Чтобы свинцовая оболочка имела боль-
шие твердость и вибростойкость, ее изготовляют из легированно-
го свинца с присадкой 0,4 ...0,8% сурьмы. Толщина свинцовых
оболочек в зависимости от диаметра кабеля приведена в табл. 3.4.
Алюминиевые оболочки выпрессовывают в горячем виде или
43
Таблица 3.4
Диаметр кабеля под оболочкой, мм Номинальная толщина оболочки, мм. кабелей Диаметр кабеля под оболочкой, мм Номинальная i оболочки, мм- го лщина кабелей
1 голых 1 с ленточ- ! ной Гро- ! ней В 1 1 1 ; ! с круглой броней К голых с ленточ- ной бро- ней Б е круглой броней К
До 9 1,2 1,1 29 . . .32 1,9 1 ,6 2,2
9...13 1,3 i 1,15 1,9 32 . ..35 2 1,7 2,3
13...16 1,4 i ,2 1,9 35 ...38 2.1 1,8 2,3
16...20 1,5 1,25 9 38 . . .41 ГО ю 1,9 2,4
20...23 1,6 1,3 о 41 .. .44 2,3 2 2,5
23...26 1 1.7 1 .4 2 1 44 . .47 2,4 2,1 2,6
изготовляют холодным спосооом из ленты со сварным продоль-
ным швом. Известны методы сварки оболочки из алюминиевых
лент высокочастотными токами или спосооом холодной сварки,
давлением. Для больших диаметров кабеля (свыше 20...30 мм)
применяют алюминиевые оболочки гофрированной конструкции.
Использование алюминиевых оболочек является делом весьма
прогрессивным. Алюминиевая оболочка легкая, дешевая и обла-
дает высокими экранирующими свойствами. Однако алюминий
весьма подвержен электрохимической коррозии, и поэтому его на-
дежно защищают полиэтиленовым шлангом с предварительно на-
ложенным слоем битума. Толщины алюминиевых оболочек приве-
дены в табл. 3.5.
Стальные оболочки изготовляют путем сварки лент толщиной
0,3... 0,5 мм, свернутых, в трубку. Для повышения гибкости сталь-
ные оболочки подвергают гофюпрован-ию, а с целью защиты от
Таблица 3.5
Диаметр ка- белей под оболочкой t мм Еыпрессовэн - ные оболочки, мм 1 Сварные обо - лочкн, мм
; гладкие гофриро- ванные 1 гладкие ( I 1 _. i гофриро- ванные
До 16 16...20 20,..23 23...26 26...33 33...36 36...40 1,1 1,2 1,35 1,45 1,45 1 ,55 1,7 Шит — . 1 0,95 1,1 1 f оо -о СП 1 } ел ед сл 1
коррозии покрывают полиэти-
леновым шлангом с предвари-
тельно наложенным слоем би-
тума. Стоимость стальных
оболочек составляет 50 %
стоимости свинцовой оболоч-
ки и 64 %-алюминиевой. Та-
кие оболочки не требуют до-
полнительной механической
защиты.
Из пластмассовых оболочек
наибольшее распространение
получили полиэтилен, поливи-
нилхлорид и полиизобутилено-
вые композиции. Пластмассо-
вые оболочки выгодно сочета-
44
Рис. 3.10, Марки и конструкции защитных покровов
45
Таблица 3.6
Диаметр кабеля под оболочкой, мм 4... 6 6. . .8 8. . .10
Толщина оболочки, мм, при условиях прокладки и экс- плуатации кабеля нормальных 0,6 0,9 1,2
тяжелых 1 — Е2 1 ,5 1 1,5
ют влагостойкость, стойкость^ против электрической и химической
коррозий и придают кабелю легкость, гибкость и вибростойкость.
Однако через пластмассу постепенно диффундируют водные пары,
что приводит к падению сопротивления изоляции кабеля. Поэтому
пластмассовые оболочки применяют, главным образом, в кабелях
с негигроскопической изоляцией типа полиэтилена, фторопласта,
поливинилхлорида и др. Толщины пластмассовых оболочек из по-
лиэтилена и поливинилхлорида приведены в табл. 3.6.
В настоящее время известна целая серия комбинированных
металлопластмассовых оболочек: «алпэт», «сталпэт», «свипэт», со-
стоящих соответственно из алюминия, стали, свинца и полиэти-
лена.
Сопоставляя различные конструкции защитных оболочек, сле-
дует отметить как наиболее перспективные алюминиевые и сталь-
ные, надежно защищенные полиэтиленовым шлангом.
3.7. ЗАЩИТНЫЕ БРОНЕПОКРОВЫ
Снаружи кабеля поверх оболочек-располагаются бронепокро-
вы, защищающие кабель от механических повреждений. Основные
конструкции защитных покровов металлических оболочек кабелей
связи и области их применения приведены в табл. 3.7 и показаны
на рис. 3.10.
В зависимости от механических воздействий на кабель в про-
цессе прокладки и эксплуатации применяются две разновидно-
сти брони:
две стальные ленты (Б);
повив из круглых стальных проволок (К).
Кроме того, используется усиленная двойная броня, состоя-
щая из комбинации различных типов брони (БК, КК).
Кабели в свинцовой оболочке имеют защитные покровы ма-
рок Б, Бв, К и Кл, т. е. состоят из стальных лент или круглых
проволок и двух волокнистых покровов, расположенных под и над
броней. Нижний слой, обычно называемый «подушкой», предна-
значен для уменьшения давления, производимого на свинцовую
46
10. - 15 15...20 20...25 25...30 30.•.40 40..♦50 г
1,5 1 = 7 1,9 - 1,9 2,1 2 3
- — - . . 1,8 1 С\5 СЧ । г от сч 3 __ 3 4 1
оболочку броневым слоем. Волокнистые покровы представляют
собой кабельную пряжу (джут), пропитанную битумным соста-
вом.
В кабелях с алюминиевыми и стальными оболочками, которые'
сильно подвержены коррозии, применяются усиленные влагоза-
щитные покровы (Шп), состоящие из вязкого подклеивающего
слоя, наносимого непосредственно на оболочку, и полиэтиленово-
го шланга. Поверх полиэтиленового шланга может быть дополни-
Таблиц а 37
| Тип защитно- го покро- ва 1 i । Конструкция защитного покрова Об пасть применения .кабеля (место прокладки)
г Голый В канализации
Б Броня из двух стальных лент, с на- тужным покровом 1 В земле
БГ Броня из двух стальных лент, без | наружного покрова В коллекторах, тоннелях и шахтах
Бв То же, с усиленной подушкой | В агрессивных грунтах
Бч Броня из двух стальных лент, с по- лиэтиленовым шлангом и наружным покровом из кабельной пряжи В грунтах всех категорий
Бл Слой поливинилхлоридного пластика, броня из двух стальных лент, с на- ружным защитным покровом из ка- бельной пряжи В агрессивных грунтах
БпШп Броня из двух стальных лент, с на- ружным полиэтиленовым шлангом То же, в районах с повышенной грозодеятельностью
Шп Полиэтиленовый шланг с подклеи- вающим слоем В канализации, коллекторах, тон- нелях, по местам, а также в райо- нах с незначительными внешними электромагнитными влияниями
К Броня из круглых проволок В реках и районах вечной мерз- лоты
Кл То же, со слоем поливинилхлоридно- го пластика То же, в агрессивных грунтах и водах
КпШп То же, с наружным полиэтиленовым шлангом То же, при наличии больших рас- тягивающих усилий
47
тельный покров из стальных лент или круглых проволок. С целью
защиты от коррозии стального покрова и сохранения на многие
годы необходимой величины коэффициента защитного действия
применяется дополнительный наружный полиэтиленовый шланг.
Броня типа Б изготовляется из стальных лент толщиной 0,3...
...0,8 мм и шириной 25... 45 мм, типа К — из стальных проволок
диаметром 4 мм, накладываемых с большим шагом на подушку.
Наружный защитный слой состоит из кабельной пряжи,/пропитан-
ной битумным компаундом, противогнилостным составом и мело-
вым раствором, предохраняющим кабель от слипания витков на
барабане. В настоящее время ведутся работы по созданию брони
в виде стальной сварной гофрированной трубки взамен двух спи-
рально накладываемых стальных лент.
3.8. МЕЖДУГОРОДНЫЕ КОАКСИАЛЬНЫЕ
КАБЕЛИ
В настоящее время изготовляются коаксиальные кабели связи
следующих типов (табл. 3.8).
Наибольшее применение имеют кабели среднего (2,6/9,5) и
малогабаритного (1,2/4,6) типов. В ряде случаев используют ком-
бинированные конструкции кабелей, состоящие из 4, 6, 8 коакси-
альных пар среднего типа и 4, 6 малогабаритных пар. Средние ко-
аксиальные пары предназначены для организации многоканаль-
ной связи и телевидения на большие расстояния между оконечны-
ми пунктами и крупными узлами связи, а по малогабаритным па-
рам организуются распределительные каналы между промежуточ-
ными пунктами и городскими, расположенными по трассе магист-
рали. В СССР применяются коаксиальные кабели среднего типа
КМ-4, малогабаритные МКТ-4 и комбинированные КМ-8/6 (в чис-
лителе указано число коаксиальных пар среднего типа, в знаме-
Таблица 3.8
Марка кабеля Материал оболочки Число коаксиальных пар Тип защитных покровов
2,6/9.5 0'2/4 ,6 2,1/9.7
КМ-4 Свинец 4 1 Г, Б, БГ, Бл, БШп; К
КМА-4 Алюминий 4 Шп, Бп. БпШп
КМЭ-4 Алюминий и 4 г* Г, Б, БГ, Бл, К
свинец
КМ-8 6 Свинец 8 6 . Г, Б. БГ, Бл, К
МКТС-4 Свинец 4 Г. Б, Бп, БГ, Бл, К
МКТА-4 Алюминий — 4 — 1 Шп, Бп, БпШп
МКТП-4 Пластмасса — 1 ~ 4 Б, К
ВКПАШп-1 Алюминий —— 1 Шп, КШп: БпШп
48
натёке — число малогабаритных пар). Оболочки изготовляются
из свинца и алюминия.
< Известны также конструкции микрокоаксиальных кабелей, ко-
торые /содержат 4, 7, 19 и более тонких коаксиальных пар
(0,7/2,9)\ и используются для организации 300 аналоговых кана-
лов до i;3 МГц или 30... 120 цифровых каналов в диапазонах 2...
... 8,5 Мбйт/с. Микрокабели предназначены для городской и при-
городной связи.
Большие коаксиальные пары представляют собой, как прави-
ло, одну пару большого размера (7/27, 11/40 и др.). Они будут
использоваться по двухкабельной системе и предназначаться для
организации большого числа каналов на главных направлениях
связи. Кабели предполагается использовать для систем передачи
на 50 000 или 100 000 телефонных каналов в диапазоне 300 и
600 МГц соответственно.
Подводные коаксиальные кабели предназначены для устройст-
ва связи через моря и океаны. Кабели, как правило, имеют одно-
коаксиальную конструкцию большого размера — 5/18; 8,4/25,4
и др. и рассчитаны на передачу по 48, 60, 120, 300 и 2700 и боль-
ше каналов связи.
Рассмотрим более подробно коаксиальные кабели среднего ти-
па (2,6/9,5 мм), малогабаритные кабели (1,2/4,6 мм), а также
.комбинированные коаксиальные кабели (2,6/9,5 и 1,2/4,6 мм).
Магистральный коаксиальный кабель КМ-4 типа 2,6/9,5 со-
держит четыре коаксиальные пары и пять звездных четверок
(рис. 3.11). Каждая коаксиальная пара состоит из внутреннего
медного проводника диаметром 2,6 мм и внешнего проводника в
виде медной трубки диаметром 9,5 мм с одним продольным швом.
Коаксиальная пара имеет изоляцию из полиэтиленовых шайб тол-
AW4
Б ране проволока
Поясная
изоляция
/T/W-4
' Наружный
покров (джут)
Оронеленлы 4
Рис. 3.11. Коаксиальный кабель типа КМ-4:
а) поперечный разрез: б) коаксиальная пара 2.G/9.5; / — внутренний проводник; 2 — шайба;
3 — внешний проводник; 4 — экран; 5 — бумажные ленты
Свинц,
аймочха /
49
Таблица 3.9
Оболочка Кабель
Марка кабеля Материал 1 Толщина, i мм Масса, кг/км Диаметр, мм Масса, кг/км Масса меди, кг/км
КМГ-4 Свинец 1,8 2010 31,8 2970 592
КМБ-4 Свинец 1,5 1680 40,2 3880 592
КМК-4 Свинец 2,1 2400 48,6 7330 592
КМ Г-8/6 Свинец 2,3 3950 48,0 6260 1293
КМБ-8/6 ;Свинец 2,0 3410 56,4 7530 1293
КМК-8/6 Свинец 2,5 4320 64,4 12 100 1293
щиной 2,2 мм с расстоянием между ними 25 мм. Поверх внешнего
проводника расположен дополнительный экран в виде двух мяг-
ких стальных лент толщиной 0,15... 0,2 мм, который покрывается
одним-двумя слоями кабельной бумаги. Кабель имеет свинцовую
оболочку и обычные броневые покровы и маркируется КМБ, КМГ,
КМК. Кабель типа 2,6/9,4 используется в основном по однока-
бельной системе.
Конструктивные данные кабелей приведены в табл. 3.9.
По кабелю КМ-4 можно организовать две системы К-1920
с расстоянием между усилителями 6 км или две системы К-3600
с расстоянием между усилителями 3 км. Возможно также приме-
нение цифровых систем передачи ИКМ-480 и ИКМ-1920.
Расстояние между усилительными пунктами равно 6 км при
передаче в диапазоне до 8,5 МГц и 3 км при передаче до 18 МГц.
Усилительные пункты получают электропитание дистанционно от
обслуживаемых пунктов, расположенных через 120... 240 км на
кабельной магистрали. Аппаратура дает усиление до 48,4 дБ.
Максимальная дальность связи 12 500 км. Основные электриче-
ские характеристики коаксиальной пары 2,6/9,4; номинальное вол-
новое сопротивление ZB = 75 Ом; внутренняя неоднородность (ко-
эффициент отражения) р = 2-10~3; переходное затухание Ао~
— 122 дБ при частоте 300 кГц; коэффициент затухания а на ча-
стоте 1 МГц равен 2,48 дБ/км; испытательное напряжение U—
= 3,7 кВ постоянного тока.
Частотные характеристики вторичных параметров кабеля при-
ведены в табл. 3.10 Первичные параметры коаксиального кабеля
КМ-4 пр иведены в табл. 3.11.
Коаксиальные кабели в алюминиевых оболочках КМА-4 и
КМЭ-4 отличаются от кабелей КМ-4 только типом оболочки.
В кабелях КМА-4 применяются алюминиевая оболочка толщиной
1,5 мм, а в кабелях КМЭ-4 комбинированная двойная оболочка,
состоящая из алюминиевой толщиной 1 мм и свинцовой толщиной
1,3 мм, наложенной непосредственно поверх алюминиевой оболоч-
ки. Эти кабели имеют повышенные экранирующие свойства и
50
Таблица 3.10
к МГц а, дБ/км |201.Ом -?в, град з. рад/км v-10’. км/с 0 МГц а дБ/км |2В1, Ом -фв. град 3. рад/км и 10\ км/с
0,01 0,326 80,5 6,2 0,25 250 Г) 3,499 74,6 - 45,9 279
0,03 0,457 78,6 3,5 0,71 266 3 4,276 74,6 ——• 67,46 279-
0,05 0,553 77,8 3,1 1,15 272 5 5,538 74,5 112,24 280
0,1 0,8 76,8 2 2 2,31 274 8,6 7,278 74.4 192,64 280
0,3 1 ,353 75,7 1,2 6,85 276 10 7.856 74,3 — 224,13 280
0,5 1 ,755 75,4 1 ,0 11,36 277 15 I 9.652 74,25 336 280
1,0 2.477 *"Р *" /О 0,4 22.6 278 17 10,287 174,25 1 — 1 381 280
1,5 3.031 74,8 0,3 33,82 278 20 11,169 74,2 1 — 448 280
р 1 Е 1 25 12,521 74.2 t 560 1 280 1
Таблица З.И
! f, МГц С -м/км Г, мГ/км С „ нФ/км мкСм/км о МГц R. Ом /км Г, мГ/км 1 с, нФ/км 1 G f мкСм /км
0 5 0,29 48 10-* 10 134,1 0,265 48 201
0,3 24 0.276 48 6 15 164,5 0,265 48 301.4
1 43 0.27 48 20,1 20 190 0,264 48 401 ,8
3 73,8 0.267 48 60,3 25 212,5 0,264 48 507,3
5 95,1 0,266 48 100,5 50 300,5 0,264 48 1004,7
предназначены для прокладки в районах высокой грозодеятель-
ности и на участках сближения с ЛЭП эл.ж.д. Коэффициент за-
щитного действия этих кабелей составляет 0,1 ...0,14 мм.
Малогабаритные коаксиальные кабели 1,2/4,6 предназначены
для строительства кабельных магистралей ограниченной протя-
женности, рокадных линий между магистралями, устройства глу-
боких вводов радиорелейных линий и обеспечения областных
связей. Достоинством этих кабелей являются простота конструк-
ции, дешевизна и технологичность их изготовления.
Наибольшее применение получил четырехкоаксиальный мало-
габаритный кабель. Он может изготавливаться в свинцовой
(МКТС-4) и алюминиевой (МКТА-4) оболочках. Сердечник ка-
беля во всех случаях идентичный.
Конструктивные данные кабелей МКТС-4 приведены в
табл. 3.12.
На рис. 3.12 показан малогабаритный кабель типа МКТС-4.
Внутренний проводник этого кабеля — медный, диаметром 1,2 мм.
Изоляция — воздушно-полиэтиленовая, баллонного типа. Внешний
проводник медный, с продольным швом, толщиной 0,1 мм. Эк-
ран-— из двух стальных лент толщиной по 0,1 мм. Четыре коак-
сиальные пары скручивают вместе с пятью сигнальными парами
диаметром 0,5 мм и покрывают поясной изоляцией. Снаружи рас-
полагается свинцовая оболочка и соответствующий броневой по-
51
Таблица 3.12
Марка кабеля Материал Оболочка Кабель
Толщина, мм Масса, кг/км Диаметр, мм Масса, кг/км Масса меди, кг/км
МКТСБ-4 Свинец 1,25 910 29 2180 167
МКТСК-4 Свинец 2,0 1510 37,5 4880 167
МКТАШп-4 Алюминий 1,2 215 25,0 790 167
МКТАБп-4 Алюминий 1,2 215 24,5 1700 167
кров. Строительная длина 500 м. Разрывная прочность кабеля —
не меньше 1260 Н. Волновое сопротивление кабеля 75 Ом. Коэф-
фициент отражения (3... 5) • 1(Н3. Коэффициент затухания на ча-
стоте 1 МГц равен 5,33 дБ/км. Переходное затухание на ближнем
я дальнем концах строительной длины на частоте 60 кГц — не ме-
нее 104 дБ. Электрическая прочность изоляции переменному току
2000 В. Частотная зависимость электрических характеристик ка-
беля 1,2/4,6 приведена в табл. 3.13 и 3.14.
Кабель МКТ-4 применяется для 300-канальной системы высо-
кочастотной связи (К-300) в диапазоне 60... 1300 кГц. Система
питания — дистанционная. Необслуживаемые пункты устанавли-
ваются через 6 км, обслуживаемые — через 120 км. Система свя-
зи—четырехпроводная, однополосная. Энергетический потенциал
аппаратуры К-300 до 44 дБ. Применяются также цифровые систе-
мы ИКМ-480. Известны конструкции малогабаритных коаксиаль-
ных-кабелей, имеющих одну, четыре, шесть, восемь, двенадцать
пар.
Рис. 3.12. Малогабаритный коаксиальный кабель типа МКТС-4:
а) поперечный разрез; б) коаксиальная пара 1,2/4,4; 1 — внутренний проводник; 2— баллон-
ная изоляция; 3 — внешний проводник; 4— экран; 5 — поливинилхлоридная лента
52
Та б а и ц а 3.13
' 1 /, ! МГц 1. дГ> к м Ом , 1 5т 1 рад/км| , НН км/с О мГц дБ.’км j Ю’ Ом 3- 1 рад/км| v, 103 км/с
\06 1 .589 80 I .5 ( 250 О 9,229 73.7 69.5 271
0,1 1 .898 79 2.47 254 4 10,652 73.6 92.6 372
0.2 2.501 77.4 4.86 259 D 11,90s 73,4 114 274
0,3 2,974 76,7 7,17 264 6 13.047 73.2 138 274
0,5 3.755 75,9 11,85 266 7 14,097 73.1 Oil 274
1 5.342 75 73,4 "69 1 8 15,074 "7 О / <3 183.50 I 274
КЗ 6, 105 74 .6 30,4 270 | и ‘ 15.996 72,8 '• I 275
2 I 7,545 ; 7 4 46.8 270 I 1 Ю 1 16.87 72.7 1229 I 275
Т а б л и ц а 3.14
О кГц к. Ом /км /., мГн.’км 1 {Ф / к м G, мкСм км 1 I Kl'il /?. Ом км 1. * мГн/км 1 нФ/км а. мкСм:КМ
0 21 ,2 0,3 49,6 Щ-4 1000 87.7 0.282 1 I 49,6 15.5
60 22 0,286 49.6 1 1 1300 100 1 0,281 | 49,6 20,3
500 62 0,284 49,6 8 ! 10 000 274 0,275 | 49.6 1 56
Комбинированные коаксиальные кабели содержат средние па-
ры 2,6/9,5 мм, малогабаритные коаксиальные пары— 1,2/4,6 мм и
симметричные группы. Комбинированные кабели позволяют:
организовать мощные пучки телефонных каналов и телевизи-
онную передачу на большие расстояния по коаксиальным парам
2,6/9,5 мм с помощью систем передачи К-1920 и К-3600;
обеспечить распределительные каналы для связи между горо-
дами и промежуточными пунктами, расположенными по магист-
рали, по коаксиальным парам 1,2/4,6 мм с помощью системы
К-300 и системы ИКМ-480;
обеспечить выделение необходимого числа каналов в любом
пункте трассы с помощью систем передачи К-300 и К-24;
организовать служебную связь и телесигнализацию по сим-
метричным парам и четверкам.
Кабель КМ-8/6 содержит: восемь коаксиальных пар 2,6/9,5 мм;
шесть коаксиальных пар 1,2/4,6 мм; одну четверку; восемь сим-
метричных пар и шесть отдельных жил. Сечение кабеля КМ-8/6
показано на рис. 3.13. Все симметричные пары, четверки и отдель-
ные проводники имеют медные жилы диаметром 0,9 мм с труб-
чато-полиэтиленовой изоляцией. Конструктивные данные кабелей
КМ-8/6 приведены в табл. 3.9.
В табл. 3.15 приведены данные о числе каналов, которые мож-
но организовать по комбинированным коаксиальным кабелям.
Строительные длины комбинированных коаксиальных кабелей
490 м.
53
Таблица 3.15
Кабель Число каналов, организованных с помощью систем передачи по кабелю Общее число каналов
2,679,5 мм 1,2/4,6 мм
К-1920 К-3600 К-10800 К-300
КМ-8,6 7680 14 400 43 200 900 900 900 8580 15 300 44 100
Таблица 3.16
Г МГц а, дБ/км /, МГц а, дБ/км f> МГц а, ДБ/КМ f, МГц а, дБ/км
2-6/9,5 мм 1 ,2/4 ,6 мм 1 2.6/9,5 ww 9‘Ш‘ I ; I 2,6/9,5 мм ! 1 ,2/4,6 мм 2,6/9,5 мм 1,2/4,6 мм
1 2,48 4.38 60 19,4 41 ,3 200 36,0 75,7 400 51,2
10 7,86 15,9 80 22,5 47,4 250 40,2 450 54,7 —
20 11,2 23,8 100 25,2 53,2 300 43,3 500 58,4 ’
40 15,9 34,7 150 31,0 65,1 350 47,9 - 1 »
Наружный покров Подушка Две бронепроволока кмб 1 ж vff А a Vi т11 \ Поясная КМГ \ изоляция Свинцовая оболочка Рис. 3.13. Комбинированный коаксиальный ка- бель КМ-8/6 54 ^В £/Т* й •Г">9ГЧ wJr Рис. 3.14. Комбинированный коаксиальный кабель КМ-12
Электрические характеристики коаксиальных пар комбиниро-
ванных кабелей аналогичны характеристикам кабеля КМБ-4 для
пар 2,6/9,5 и кабеля МКТ-4 для пар 1,2/4,6.
В табл. 3.16 приведены значения коэффициента затухания ко-
аксиальных кабелей среднего (2,6/9,5 мм) и малогабаритного
(1,2/4,6 мм) типов в широком диапазоне частот.
На рис. 3/14 показана конструкция коаксиального кабеля
КМ-12.
3.9. МЕЖДУГОРОДНЫЕ СИММЕТРИЧНЫЕ
КАБЕЛИ
Междугородные симметричные кабели по виду изоляции под-
разделяются на корделыю-бумажные МК, кордельно-полисти-
рольные (ст и рефлексные) МКС и полиэтиленовые MKIE Наруж-
ные оболочки изготавливаются из свинца, алюминия .или стали.
Для междугородной связи применяются в основном 4X4 и
7X4 конструкции кабелей, а для зоновой (внутриобластной свя-
зи) — конструкции 1X4. Кабели предназначены для систем пере-
дачи К-60 в спектре до 252 кГц при напряжении дистанционного
питания 1000 В постоянного тока (690 В переменного тока). Рас-
стояние между НУП 20 км между ОУП 160... 250 км. Максималь-
ная дальность связи 12 500 км.
Кроме того, эти кабели используются для цифровой системы
передачи ИКМ-120 и аналоговой системы К-1020 с.
Наибольшее применение имеют кабели с кордельно-полистш
рольной стирофлексной изоляцией МКС. В зависимости от типа
оболочки они классифицируются: МКС — в свинцовой оболочке;
МКСА—в алюминиевой оболочке; МКСС — в стальной, оболочке.
Во всех случаях сердечник кабеля идентичен. Кабели типа МКС
изготавливаются 7X4, 4x4 и IX Г строительная длина 825 м.
Конструкция наиболее распространенного симметричного ка-
беля с кордельно-полистироль-
ной изоляцией МКС-4Х4 при-
ведена на рис. 3.15. Диаметр
медных жил 1,2 мм. Токопро-
водящие жилы высокочастот-
ных четверок изолируются
Рис, 3.15. Симметричный кабель типа
МКСА-4Х4:
1 — поэтиленовый шланг; 2 — поливинил-
хлоридная лента; 3— битумный состав; 4—
брояепроволока; 5 — пряжа; 6 — две бро-
поленты; 7— подушка; 8— подклеивающий
слон; 9 — алюминиевая оболочка; 10 — по-
ясная изоляция; // — четверка; 12— лента;
13 — корделъ; 14 — жила, 15 ~~ заполнитель
МКСАБп
55
Рис. 3.16. Симметричный кабель в стальной гофри-
рованной оболочке:
/ — сердечник; 2 — стальная гофрированная оболочка; 3 —
полиэтиленовый шланг
разноцветным полистирольным корделем диаметром 0,8 мм и по-
листирольной лентой толщиной 0,05 мм с перекрытием 25 ... 30%.
Первая пара каждой четверки состоит из жил красного и желтого
цветов, -вторая пара — из жил синего и зеленого цветов. Центр
четверки заполняется стирофлексным корделем диаметром 1,1 мм.
Шаги скрутки всех четверок различны, взаимно согласованы и
лежат в пределах 125 ... 275 мм.
Таблица 3.17
Марка кабеля 1 Материал Оболочка Кабель Масса меди, кг /км
Толщина, мм Мас са, кг/км Диаметр, мм Масса, к г/км
МКСБ 4X4 Свинец 1,25 800 29,0 1840 163
МКСАШп 1X4 Алюминий 0,95 93 16,4 270 41
МКСАБп 4X4 Алюминий 1,0 160 32,2 1430 163
МКССШп 4X4 Сталь гофри- рованная 0,4 3 250 28,5 780 163
Таблица 3.18
г с X а, дБ/КМ з, рад/км 2 I 1 1 1 град J —г г ¥ А. а, дБ/км X рад/км Z , Ом d сз с, а i Л * < О — О. й —
10 0,739 0.283 190 1 16,45 3,58 200 2,2'5 5,18 166,7 2 9 2,15
30 0,956 0,800 175,6 79 83 2.94 250 2,197 6.45 166,5 2,7 2,14
50 1,153 1 ,31 172,4 5,78 2.56 300 2,707 7,75 166.2 2,56 2,13
70 1,335 1,83 170,8 5,80 2,34 400 3,108 10.3? 166,1 2.23 2,07
100 1,588 2,60 169.2 4,00 9 99 — у — — 500 4,459 12,85 166 1,95 2,06
150 1,935 3,88 167.6 3,25 2, 17 550 3,62] 14, 15 165,6 j 1,8
Таблица 3.19
кГц /?, Ом/км L. мГн/км С, нФ/км ь с, мкСм/км /. кГц R, Ом/км т мГ я/км нФ/км G. мкСм/км
0 31,7 0,88 24 10-4 150 78 0,78 24 14
12 34,4 0,85 24 0,7 200 93 0,76 24 18,8
50 43,6 0.82 24 4,6 250 102,4 0,74 24 23,4
100 64 0,8 24 9,4
56
Кабели со свинцовой оболочкой и соответствующей броней
имеют марки ЛАКСГ, ЛАКСБ и ЛАКСК. Толщина свинцовой обо-
лочки у кабеля МКСБ 1,25 мм, а у остальных—1,4 мм.
Кабели с алюминиевой оболочкой имеют поверх алюминия ан-
тикоррозийный защитный покров в виде' битума и полиэтиленово-
го шланга. Такие кабели имеют в названии дополнительные бук-
вы «АШ» и маркируются ЛАКСАШп, МКСАБпШп, МКСАКпШп
•И т. д. Толщина алюминиевой оболочки при высокочастотной свар-
ке 1,0 мм, при прессовании— 1,3 мм.
Кабели в стальной оболочке маркируются МКССШп. Стальная
оболочка имеет толщину 0,4 мм и для большей гибкости гофриру-
ется по всей длине. Поверх стали наносятся антикоррозийный по-
кров в виде битума и полиэтиленовый шланг (рис. 3.16).
Конструктивные данные кабелей МКС приведены в табл. 3.17.
Для кабелей типа ЛАКС нормированы следующие электриче-
ские .характеристики: сопротивление цепи постоянному току
31,7 Ом/км; сопротивление изоляции — не менее 10 000 ЛАОм-км;
емкость 24,5±г 1,0 нФ/км; переходное затухание па ближнем кон-
це не менее 61,7 дБ/сд; защищенность на дальнем конце—не ме-
нее 73,8 дБ/сд; электрическая прочность изоляции между жила-
ми 1500 В. Первичные и вторичные параметры кабелей ЛАКСА в
алюминиевой оболочке приведены в табл. 3.18 и 3.19.
Кабели в свинцовой и стальной оболочках имеют затухание на
2—3% больше.
3.10. ЗОНОВЫЕ (ВНУТРИОБЛАСТНЫЕ)
КАБЕЛИ
Для зоновой связи, т. е. связи областного центра с районны-
ми, используются следующие типы кабелей:
одночетверочные различных модификаций, с полиэтиленовой
и кордельно-полистирольной изоляцией, с системой передачи К-60
по двухкабельной системе;
однокоаксиальные типа ВКПАШп-1 (с парой 2,1/9,7), с систе-
мой передачи К-120 по однокабельной системе.
Одночетверочный кабель предназначен для зоновой связи, а
также для междугородной связи с предельной дальностью 1000 км
при применении аппаратуры К-60 в диапазоне 12...252 кГц или
аппаратуры К-24 в диапазоне 12...108 кГц. Прокладываются
обычно два кабеля, позволяющие получить 120 (при К-60) или
48 (при К-24) телефонных каналов. Длины усилительных участ-
ков при этом соответственно равны И и 20 км.
Известно несколько модификаций одночетверочных кабелей:
ЗКП-1Х4 — с полиэтиленовой изоляцией в полиэтиленовой
оболочке;
ЗКПАШп-1Х4 — с полиэтиленовой изоляцией в алюминиевой
оболочке и шланге;
57
. I 7. Одночотвср очный
' л ,
г-х^'
эн розодч пая
изтиленовое
ч этипенопая
жили; 2 —
за полненне;
(Хкюючкм
к а бел ъ зо н о в о й с в я з и
п оли этил сиово н з ’ зол я ц и я;
4— и л a экран,
МКСАШи-I х4 — с ксрделы'Отюлнетирольной изоляцией в
а л ю м в и и с?<) п оболочке и шланге;
МРчССШлЛ >74 — с кордельни гюлнетирольнон изоляцией в
стальной оболочке и шланге.
Наиболее паспрогтцапешиямч кабелями являются ЗКП-1 Х4 и
МКСАШп~!Х4.
На рис. 33 7 показана конструкция одночетверочного кабеля
с нолиэтиленозой изоляцией и оболочкой ЗКП-1Х4.
Кабель К<П б/4 имеет медные жилы диаметром 1,2 мм, изо-
л и рог л шше силою ним пол и этиленом толщиной 1J ±0.1 мм. Че-
тыре изолироваиныс жилы скручиваются с тагом 130... 1 оО мм во-
круг цен трального корделя. Па скрученную четверку накладыва-
ют I ’ о л и эт и л е ново е з а я ст л н с > 1 и е, а п оно р х -— экран и з алюмин но-
вых или медных лепт. Внеш пня оболочка выполнена из полиэтиле-
на или алюминия. Строительная длина ЮоО м. Выпускается так-
же бронированный вариант кабеля ЗКПБ-1Х4. Он имеет поверх
пластмассовой оболочки броню из двух стальных лент толщиной
0,2 ...0,3 мм. Конструктивные данные кабелей ЗКП-1Х4 приводе-
!Jbi В и. Ак
Для кабелей типа 3КП-1X4 нормируются следующие пара-
метры: сопротивление постоянному тону Зц7 Ом/км; сопротивле-
ние изоляции — нс менее 10 000 ААОм км; емкость 35 нФ/км; пе-
рслищюе затухание на ближнем конце — не менее 65,1 дБ/сд; за-
щищенность на дальнем конце — нс менее 73,8 дБ/км; испыта-
тельное напряжение — не менее 2000 В.
Частотная зависимость параметров кабеля ЗКП-1Х4 приве-
дена в табл. 3.21. Кабель ЗК.ПАШи-1Х4 мл алюминиевой обо-
лочке). имеет примерно аналогичные электрические характери-
стик и.
Г а б л и ц а 3.20
1 i 1 1 Обо почка I 1 Кабель Масса, меди,
Марка кабеля | материал < ; с-болочкн i Толщина , Диамею, Диаметр,
1 i м м | к г / к м Е ММ ММ К Г / К \4
ЗКПБ-1 Х4 | Полиэтилен 2,2 i 1 G4 ) 790 41
ЗКПАГШт! Х4 I Алюмин ий 1,0 1 130 ]8.9 400 41
ЗКП1Х4 । Полиэтилен О 9 94 J 17 260 41
58
If а блиц a 3.21
f, кГц а, цБ/КМ 1 3. рад/км |ХВ1. Ом град i Vod / j *e-0I '°® д а, дБ/км 3, рад/км Л —Фп, град tfed/i ‘«-or’»
10 0,958 0,35 166 16,2 3,39 100 1,8 3,28 141,1 3,6 2,2
30 1,191 1 147,8 8 2,82 150 2,152 4,9 140,1 2,6 2,13
50 1,38 1,66 144,5 5,6 2,49 200 2,454 6,5 139,8 2,1 2,1
70 1,558 2,3 142,7 4,5 2,31 250 2,723 8,12 139,8 1,6 2,08
Кабель МКСАШп-1\4 имеет медные жилы диаметром 1,2 мм.
Изоляция —- кордельно-полистирольная. Первая пара четверки
состоит из жил красного и желтого цветов, вторая пара — из жил
синего и зеленого цветов. В центре четверки находится полисти-
рольный кордель толщиной 1,1 мм. Кабель имеет алюминиевую
оболочку толщиной 1,0 мм, поверх которой наложена полиэтиле-
новая антикоррозийная оболочка толщиной 1,5 мм.
Электрические характеристики кабеля МКСАШп-1х4: сопро-
тивление постоянному току 31,7 О м/км; сопротивление изоляции—
не менее 10 000 МОм-км; емкость — 25 нФ/км; переходное зату-
хание на ближнем конце—не менее 61,7 дБ/сд; защищенность
на дальнем конце — не менее 73,8 дБ/сд; электрическая прочность
изоляции 1500 В. Коэффициент затухания составляет: 0,782 дБ/км
при частоте 10 кГц; 1,82 дБ/км — при 100 кГц и 2,91 дБ/км — при
250 кГц.
Однокоаксиальный кабель ВКПАШп-1 (2,1/9,7) предназначен
для организации зоновой связи на 120 телефонных каналов с рас-
стоянием до 600 км. Кабель используется в диапазоне 0,06...
...1,3 МГц аппаратурой К-120 по двухполосной схеме; 60...
...552 кГц—в прямом и 728... 1320 кГц— в обратном направле-
нии. Расстояние между усилителями 10 км. Возможно выделение
12-канальных групп в любом НУП с общим числом 60 каналов.
По этому кабелю работает также система передачи К-420 по двух-
полюсной схеме в диапазоне 312... 4584 кГц с расстоянием между
усилителями 6 км.
Рис. 3.18. Однокоаксиальный кабель ВКПАШ-1:
подвесной; 6) подземный; /) внутренний проводник; 2— изоляция; 3 — внешний провод-
ник; 4 — оболочка; 5 — стальной трос
59
Т а б л и ц а 3.22
Марка кабеля Внешний проводник Кабель Масса, меди, К г / к м
i Материал Масса, кг /км Диаметр, мм Масса t кг / км
ВКПАШп-1 Алюминии 100 1 17.2 280 32
ВКПАШпт-1 — »~ 100 | 17,2 365 1 32
ВКПАШпыт-1 —’» 100 1 ж,2 420 32
ВКПАКпШп-1 —»— 100 I 28,3 1490 32
Г а б л и ц
fuvv О j j а. ДВ.'КМ «О -|и/| S 1 — Юл град S с д । 1>10\ к м ' с Юм 4 ! 5 i ч а ) j izy. Ом —град 1 v I(Р, к м / с
0,06 0.762 77,8 2,45 1,64 231 ! I 0,8 2,639 73. 0,5 21 239
0,1 0,968 /7,1 2,12 2,70 234 j 1 2,953 75,05 0.44 26 240
о.з 1,607 75.8 К 24 8,95! 237 i j t з 3,373 / У) 0,39 34 240
0,5 оо ю сч 75,25 1,02 13,19 239 1 ,5 3,627 74,9 0,35 39,2 240
Конструктивно кабель выполняется в двух вариантах (рис.
3.18): подземный ВКПАШп-1 и подвесной самонесущий с встро-
енным тоосом ВКПАШпт-1. Длина пролета подвесного кабеля
50... 65 м.
Внутренний проводник кабеля ВКПАШп-1 выполнен из мед-
ной проволоки диаметром 2,1 мм, изоляция — из пористого поли-
этилена с внешним диаметром 9,7 мм, внешний проводник — алю-
миниевая прессованная трубка толщиной 0,8 мм. Эта же трубка
играет роль экрана. Защитная оболочка выполнена из светостой-
кого полиэтилена толщиной 2,2 мм.
В конструкцию подвесного кабеля ВКПАШпт-1 в общую поли-
этиленовую оболочку вмонтирован стальной трос из 49 оцинко-
ванных стальных проволок диаметром 0,34 мм. В поперечном се-
чении подвесной кабель имеет форму восьмерки. Разрывное уси-
лие троса 6800 Н. Механическая прочность на разрыв подземного
кабеля 2900 Н.
Имеются также бронированный вариант конструкции кабеля
с кругло-проволочной броней (ВКПАКпШп-1).
Конструктивные данные однокоаксиальных кабелей типа
ВКПА приведены в табл. 3.22.
Электрические характеристики кабеля ВКПА-1: сопротивление
внутреннего провода 5,2 Ом/км; внешнего — 2,6 Ом/км; емкость
60
56 нФ/км; электрическая прочность 3000 В; волновое сопротивле-
ние 75 Ом, коэффициент неоднородности 8*10-3.
Частотная зависимость однокоаксиального кабеля ВКПА-1
приведена в табл. 3.23.
3.11. ГОРОДСКИЕ ТЕЛЕФОННЫЕ КАБЕЛИ
Для устройства сетей ГТС используются кабели двух назначе-
ний!: абонентские, дающие связь от станций (АТС) к абонентам,
и соединительные, связывающие АТС между собой и с междуго-
родной станцией МТС. Для абонентских линий применяются мно-
гопарные телефонные кабели до 2400x2; для соединительных ли-
ний, кроме телефонных, используются также кабели междугород-
ного типа: симметричные МКС-7Х4 или коаксиальные МКТ-4 с
многоканальными системами передачи.
Абонентские телефонные кабели, изготовляемые отечественной
промышленностью, подразделяются на два типа:
с бумажной (трубчатой или пористой) изоляцией и в металли-
ческой защитной оболочке (свинцовой, алюминиевой или сталь-
ной) ;
с пластмассовой изоляцией из сплошного полиэтилена и в
пластмассовой или стальной защитной оболочке.
Общие виды городских телефонных кабелей повивной и пучко-
вой скруток показаны на рис. 3.19.
Кабели с бумажной изоляцией имеют токопроводящие жилы
диаметрами 0,4; 0,5 и 0,7 мм. Изоляция — из пористой бумажной
массы или из бумажной ленты, наложенной по спирали с перекры-
тием в 20—30%.
Кабель имеет парную скрутку групп с шагом 70... 100 мм и по-
вивную скрутку сердечника. Защитная оболочка выполнена из
свинца или алюминия. Номинальная радиальная толщина свин-
цовой оболочки 1,15 ... 3,0 мм.
Кабели выпускаются как без брони (ТГ), так и с различными
броневыми покровами: стальными лентами (ТБ), круглыми про-
волоками (ТК) и другими вариантами брони. Кабели типа ТГ вы-
пускают с числом пар 5... 1600, а бронированные кабели до
600 пар.
;7
Рис. 3.19. Общий вид городских телефонных кабелей повивной (а) и пучковой
(б) скрутки
61
Таблица 3.24
сЦ мм R, Ом/км С, нФ/км R . из МОм • км и, В а, дб/КМ (0,Ь кГц) |ХВ1, Ом
0,4 1 39 50 5000 750 1 ,66 1054
0,5 90 50 5000 7b0 1,20 972
0,7 45 45 5000 750 0,88 672
Электрические характеристики городских кабелей с бумажной
изоляцией приведены в табл. 3.24.
В перспективе имеется в виду сократить ассортимент жил до
трех типов: 0,32; 0,5 и 0,64 мм.
Кабели с пластмассовой изоляцией из полиэтилена изготавли-
ваются в полиэтиленовой (ТПП) и поливинилхлоридной (ТПВ)
оболочках. Соответствующие варианты с ленточной броней марки-
руются ТППБ и ТПВБ. Выпускаются также кабели в стальной
оболочке (ТПС).
Жилы кабелей — медные, диаметрами 0,32; 0,4; 0,5; 0,7 мм.
Изоляция — из полиэтилена толщиной 0,2 ... 0,4 мм. Ассортимент
изготавливаемых кабелей ТПП: с диаметром жил 0,32 и 0,4 ем-
костью от 10 до 2400X2; 0,5 мм — от 10 до 1200X2; 0,7 мм — от
10 до 600X2. Емкость броневых кабелей ТППБ до 600X2.
Кабели малой емкости (до 100X2) изготавливаются с гидро-
фобным заполнением, предохраняющим жилы от проникновения
влаги. Такие кабели не требуют постановки под газовое давле-
ние. Они маркируются ТПЗ.
Допускаются повивная и пучковая общие скрутки кабеля в
сердечник. При пучковой скрутке кабель комплектуется из оди-
наковых унифицированных пучков емкостью 50X2 и 100x2 (или
25X4 и 50X4). Эти пучки в свою очередь состоят из элементар-
ных пучков емкостью 10X2 (5x4). Наибольшее применение по-
лучил унифицированный пучок 100X2 (по емкости бокса) и эле-
ментарный пучок 10x2 (по емкости распределительной коробки).
Система скрутки 100X2 кабеля (3-]-7)Х10Х2 или (3+7)Х
Х5Х4. Сердечники свыше 100x2 скручиваются из 50- или 100-
парпых (соответственно 25- или 50-четверочных) унифицирован-
ных пучков. Так, кабель емкостью 300X2 комплектуется из трех
100-парных ЗХ(Ю0Х2) или шести 50-парны.х пучков— (1+5)Х
Х(50Х2) (рис. 3.20).
Поверх скрученного сердечника накладывается поясная изо-
ляция из пластмассовых лент. Затем идет алюминиевый экран
из лент толщиной 0,1...0,2 мм, наложенных с перекрытием про-
дольно или спирально. На кабелях диаметром свыше 15 мм про-
дольная лента имеет гофрированную конструкцию. По экрану рас-
полагают оболочку из полиэтилена толщиной 2... 4 мм.
62
Рис. 3.20. Схемы образо-
вания пучков в кабелях
ГТС:
а) 5X4 или 10X2; б) 50X2:
в) 100X2; г) 300X2; д) иООХ
Х2; е) 1200X2
Электрические характеристики кабелей с полиэтиленовой изо-
ляцией приведены в табл. 3.25.
Для устройства соединительных линий АТС — АТС и АТС —
МТС используются:
симметричный кабель МКСГ-7Х4 и МКСАШп-7Х4 с системой
передачи КАМА. Такая система позволяет получить 14X30 = 420
соединительных линий;
симметричный кабель любого типа с системой передачи
ИКМ-30 по каждой цепи кабеля;
малогабаритный коаксиальный кабель МКТП-4 с системой пе-
редачи К-300.
В перспективе намечается использовать для соединительных
линий ГТС оптические кабели с импульсно-кодовой системой пе-
редачи.
Таблица 3.25
dt мм /?, Ом/км С, нФ/км , МОм-км ИЗ и, в а, дБ/км (0,8 кГц) 12 |, Ом D
0,32 216 45 1 5000 1500 1,92 1358
0,4 139 45 5000 1500 1,54 1164
0,5 90 45 5000 1500 1,23 892
0,7 45 45 5000 1500 0,87 676
63
3.12. КАБЕЛИ СЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ И
ПРОВОДНОГО ВЕЩАНИЯ
Кабели сельской телефонной связи подразделяются на меж-
станционно-соединительные и абонентские.
Для межстанционной связи применяются высокочастотные од-
но- и двухчетверочные кабели типа КСПП-1Х4 и КСПП-2Х4.
По ним работают высокочастотные системы передачи — аналого-
вые КНН-6 и КНК-12 и аппаратура КАМА (30 каналов) и циф-
ровые ИКМ-15. Эти системы позволяют получить по одной чет-
верке от 12 до 30 каналов связи. Дальность передачи по межстан-
ционным соединительным линиям достигает 100 км (в среднем,
40 км).
Для абонентских линий используются обычные кабели ГТС
типа ТП емкостью до 50X2, а в основном 10... 20 пар. Длина або-
нентских линий не превышает 15 км (в среднем, 2...3 км). При-
меняются также однопарные кабели типа ПРППМ-1Х2.
Кабели сельской связи имеют, как правило, медные жилы, по-
лиэтиленовую изоляцию и полиэтиленовую оболочку. В качестве
токопроводящих жил используется алюминиевый сплав или биме-
талл (алюминий, медь и сталь).
Для передачи программ радиовещания на селе, как правило,
применяются однопарные кабели усиленной конструкции типа
МРМ-1Х2 и обычные кабели ПРППМ-1Х2.
Кабели пригодны для монтажа при температуре до —10 °C и
эксплуатации при температурах от —40 до -|-50сС.
Одночетверочный высокочастотный кабель типа КСПП-1Х4
(рис. 3.21) изготавливаются в нескольких модификациях:
КСПП--1Х4 — с полиэтиленовыми изоляцией и оболочкой;
КСППБ-1Х4 — с бронированной стальной лентой в полиэти-
леновом защитном шланге для подземной прокладки;
КСППК- 1X4 — бронированный круглыми стальными проволо-
ками для прокладки через реки;
Л Д7/7
Рис. 3.21. Одночетверочный кабель сельской связи КСПП-1ХХ
а) подземный; б) подвесной с тросом
64
КСППт и КСППБт—не-
бронированный и брониро-
ванный кабели со встроен-
ным несущим тросом для
подвески по опорам.
Для влагостойкости ка-
бели могут иметь внутри
гидрофобное заполнение.
Тогда в марке фигурирует
буква 3—КСПЗП, КСПЗПБ
и т. д.
Одночетверочные кабели
имеют медные жилы диа-
Таблица 3.26
Кабель . d=0,9 мм d— 1 ,2 мм
Диаметр кабсля» мм Масса, к г/км Диаметр кабсля, мм Масса, к г/км
КСПП-1Х4 13 106 14 131
КСППБ-1 Х4 13,5 ] 90 16 229
КСППК-1Х4 16,4 210 17 265
КСППт-1Х4 14x25 14x25 —
КСППБ-2Х4 13x22 14x24 —
метром 0,9 или 1,2 мм, полиэтиленовую изоляцию толщиной
0,7 ... 0,8 мм. Поверх скрутки накладывается полиэтиленовая обо-
лочка толщиной 0,9 ... 1,0 мм и алюминиевый экран толщиной
0,1 мм. Наружная полиэтиленовая оболочка имеет толщину
1,2 ... 1,5 мм.
Наружный диаметр кабелей и масса при диаметрах медной
жилы 0,9 и 1,2 мм приведены в табл. 3.26; Электрические харак-
теристики кабелей приведены в табл. 3.27.
Двухчетверочный высокочастотный кабель состоит из двух бро-
нированных одночетверочных кабелей КСППБ, имеет общий на-
ружный полиэтиленовый шланг и в сечении представляет собой
восьмерочную конструкцию (рис. 3.22).
Учитывая, что сердечники одночетверочного и двухчетверочного
кабелей одинаковы, основные параметры передачи (сопротивление,
емкость, затухание, волновое сопротивление) полностью идентичны.
Достоинством кабеля КСППВ-2Х4 является высокое переход-
ное затухание между цепями различных четверок (Д0™100 ...
... 120 дБ/сд). Это позволяет осуществлять двустороннюю связь по
кабелю и применять цифровые и аналоговые системы передачи.
Та б лица 3.27
Характеристики Единица измерения КСПП- IX Х4Х0.9 и 2X4X0,9 КСПП-1Х Х4Х1,2 н 2X4X1,2
Сопротивление постоянному току Ом. км 56,8 31,6
Сопротивление изоляции МОм - км 15 000 15 000
Электрическая емкость нФ км 38 43,5
коэффициент затухания при частоте, кГц:
120 дБ/км 3,28 3,0
550 6,34 5,64
700 7,03 6,16
Водновое сопротивление Ом 130 ИЗ
Переходное затухание на ближнем конце Ао дБ сд 58 58
Защищенность дБ сд 66 66
3—6136
65
Рис. 3.22. Двухчетвсрочныи кабель ссльско:
связи КСППБ-2У4:
1 — медная жила; 2— изоляция; 3 — гидрофобны
заполните, чи: 4 — поясная изоляция; 5 — злю
миниевьи- экран: 6 — стальная ленточная броня
7 — полиэтиленовая оболочка
Конструктивные и электрические характеристики двухчетвероч-
ных кабелей типа КСПП-2Х4 приведены в табл. 3.26 и 3.27.
Однопарные кабели показаны на рис. 3.23. Кабели имеют, как
правило, медные жилы диаметром 0,8; 0,9; 1,2 мм. Изоляция из
полиэтилена. Поверх наложена оболочка из Шлангового светоста-
билизированного полиэтилена (ПРППМ-1 X2). Находят также при-
менение конструкции кабелей с поливинилхлоридной изоляцией —
ПРВПМ-1Х2, однопарные кабели с алюминиевыми (ПРППА-1Х2)
метальными (ПТПЖ-1Х2) жилами.
Кабели с полиэтиленовой изоляцией пригодны для работы при
температурах —40 ... 4-50 сС. Для поливинилхлоридной изоляции
диапазон отрицательных температур сокращается до —20 сС.
Строительная длина однопарных кабелей 500 м.
Наибольшее применение для сельской связи имеет кабель
с медными жилами, полиэтиленовой изоляцией и оболочкой марки
ПРППМ-1Х2.
Конструктивные и электрические характеристики однопарных
кабелем приведены в табл. 3.28 и 3.29.
Для сельского радиовещания применяются магистральные фи-
дерные кабели МРМ-1Х2 и абонентские кабели ПРППМ-1Х2 (см..;
рис. 3.23). .
Кабель МРМ имеет однопарную конструкцию с медными про-
водниками диаметром 1,2 мм. Изоляция из пористого полиэтилена
значительно большей толщины, чем у кабеля ПРППМ. Благодаря
этому он может применяться для радиотрансляционных сетей с на-
пряжением до 960 В, в то время как по кабелям типа ПРПЖ на-
пряжение не должно превышать 360 В.
Рис. 3.23. Однопаряые кабели сельской связи и радиофикации:
/ — медная жида; 2 — пористьЫ полиэтилен; 5 — полиэтилен; 4 — полиэтиленовая оболочка;
5 — поливинилхлорид; 6 —стальная жила
Таблица 3.28
Марка кабеля Проводник Изоляция Кабель
Материал Диаметр, МхЧ Размеры, мм | Масса, кг/км
ПРППМ-1X2 Медь 0,8 ПЭ 3.6Х7.2 29,0
0,9 3,9X7,8 36,0
1,2 4,6 X 9,2 43,8
ПРПВМ-1Х2 Медь 0,8 пхв 3,2X6,7 24,2
1,0 3,8X8,1 36,4
1,2 4.4 X 9,3 51,0
ПТПЖ-1Х2 Сталь 0,6 ПЭ 2,0X6,0 8,6
1 ,2 2,8x7,6 25,3
i,8 3,6X9.2 51.7
ПРППА-1Х4 Алюминий 1,6 ПЭ 4,6X9,4 48,0 1
Таблица 3.29
Марка кабеля R, Ом/км т, мГн/км нФ/км а, дБ/км |Z !т Ом Щ в МОм км
ПРППМ-IX 2X0,8 72,0 0,7 50 1 ,24 353 380 6000
ПРППМ-1 Х2ХО,9 56,8 0,7 51 ПО 290 380 6000
ПРППМ-1 Х2Х 1.2 32,0 0,7 56 0,83 237 380 6000
ПРПВМ-1 Х2Х 1,0 47,8 0,7 . 114 1 —-» - - 360 ю
ПРППА-1 Х2Х 1,6 29,4 0,7 80 0,65 269 380 6000
ПРПЖ-1 Х2Х 1.2 280,0 0,7 56 —— 500 60
3.13. ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ
Специфические особенности прокладки и эксплуатации подвод-
ных кабельных магистралей предъявляют особые требования к кон-
струкции и характеристикам подводных кабелей связи. Важней-
шим требованием, предъявляемым к кабелям, которые проклады-
вают на больших глубинах, являются их легкость и в то же время
большая прочность на разрыв, позволяющая выдерживать давле-
ние при прокладке кабеля на большой глубине или подъеме его во
время ремонта.
Подводные кабели, прокладываемые на большой глубине, испы-
тывают значительное давление воды, поэтому их изоляция должна
быть сплошной, без воздушных включений, из высокопрочного ди-
электрика, позволяющего обходиться без металлической оболочки.
Кроме того, подводные кабельные магистрали должны быть при-
годны для длительного срока службы и обеспечивать высокую ста-
бильность электрических характеристик при длительной эксплуа-
тации в воде. Такие кабели должны иметь малое затухание, сво-
дящее к минимуму число промежуточных усилителей, установка
которых связана с известными трудностями.
67
Рис. 3.24. Схемы подводных кабельных линий:
а) в Атлантическом океане; б) в Тихом океане
Подводные кабели разделяются на речные и морские (океан-
ские). Морские кабели, в свою очередь, подразделяются на глубо-
ководные и береговые, которые отличаются, в основном, конструк-
цией брони. Особо усиленную броню, состоящую из двух слоев
круглой проволоки, имеют береговые кабели. Этот броневой по-
кров должен противостоять воздействию береговых приливов и от-
ливов и выдерживать возможные удары береговых^камней, якорей,
багров и т. п. Кабели со свинцовой оболочкой и воздушно-бумаж-
ной или воздушно-полистирольной изоляцией пригодны лишь для
68
о
джессел
О. Mudy'J
дайку Sep
Порт -Алверни
Гюрт -
П*Ан белое
Мьт Арена
Сан-
Франциско
прокладки на глубину до 50 м. Это обусловлено тем, что свинцовая
оболочка может выдержать без деформации давление порядка
0,5 МПа,
Кабели без свинцовой оболочки со сплошной изоляцией из гут-
таперчи, полиэтилена и других аналогичных материалов могут про-
кладываться на всех практически доступных глубинах.
В настоящее время для прокладки в морях и океанах получил
однозначное признание коаксиальный кабель с полиэтиленовой
изоляцией. Для речных переходов используются кабели с бумаж-
ной (ТЗК, МКК) и кордельно-полистирольной (МКСК) изоляцией
с круглопроволочной броней.
Основные тенденции развития океанских подводных кабельных
линий заключаются в увеличении их протяженности и расширении
диапазона передаваемых частот. Первый подводный коаксиальный
кабель был проложен через Атлантический океан между Англией и
Канадой в 1956 г. Протяженность магистрали равна 4000 км, глу-
бина прокладки достигает 5 км. В последующие годы были построе-
ны новые подводные магистрали, связывающие США со странами
69
Рис. 3.25 Рис. 3.26
Рис. 3.25. Подводный бронированный кабель
Рис. 3.26. Подводный облегченный кабель без брони:
7 — трос из стальных проволок; 2 — внутренний проводник; 3 — полиэтиленовая изоляция-
4— внешний проводник; 5 — полиэтиленовая оболочка
Европы. В 1964 г. вступила в строй Тихоокеанская магистраль
между Австралией и Америкой протяженностью 15 000 км. Завер-
шено строительство трансатлантических линий, связывающих Аме-
рику с Италией, Испанией и Францией. В 1976 г. построена под-
водная магистраль Япония — США на 2700 каналов. Завершено
строительство всемирной кабельной магистрали через Атлантиче-
ский и Тихий океаны протяженностью 50 000 км (рис.3.24).
В качестве основного типа кабеля используется коаксиальный
кабель со сплошной полиэтиленовой изоляцией. Получили приме-
нение две конструкции кабелей:
бронированные для прокладки в берегах и местах, подвержен-
ных механическому воздействию;
безбронная для глубоководных участков трассы.
На рис. 3.25 показан подводный бронированный коаксиальный
кабель типа 4,1/15,7 мм. Кабель состоит из внутреннего проводни-
ка, выполненного из медной проволоки диаметром 3,36 мм и обви-
того медными лентами толщиной 0,37 мм. Диаметр внутреннего
проводника 4,1 мм. Изоляция кабеля изготовлена из сплошного
полиэтилена с наружным диаметром 15,7 мм. Внешний проводник
Таблица 3.30
Хаоактеристика Единица измере- ния 48 |
Передаваемая частота МГц 0,164 9
Число кабелей ШТ А 1 7^
Размеры кабеля ММ 4,1 /1 о, 1 о
Тип кабеля - г С броней
Диаметр кабеля Масса кабеля мм кг км 35,6 3 075
Тип усилителя " Гибкий, ламповый Г АЛ 1
Напряжение дистанционного литания в 2 500 68,5 4 070
Длина усилительного участка км
Дальность связи км
33
1 200
Жесткий
6 300
48,7
13 000 |
70
выполнен из шести медных лент толщиной 0,406 мм и скрепляю-
щей медной ленты толщиной 0,08 мм. На внешний проводник на-
ложены последовательно полиэтиленовая лента, джутовая подуш-
ка, стальная броня и джутовое покрытие. Броня в зависимости от
назначения кабеля и глубины прокладки состоит из 13 ... 24
стальных проволок диаметром 2 . . 7,6 мм. Наружный диаметр
кабеля в зависимости от конструкции брони составляет 25,6 ...
.. 48 мм, масса — соответственно 1700 ... 3075 кг/км. Наиболее
усиленный двухслойный броневой покров имеет береговой кабель.
На рис. 3.26 показан облегченный коаксиальный кабель без
брони для глубоководной прокладки. Несущий трос, работающий на
растяжение, расположен внутри центрального медного проводни-
ка кабеля. Трос состоит из нескольких повивов стальных высоко-
прочных проволок. Диаметр внутреннего биметаллического про-
водника 8,4 мм. Внешний проводник 'выполнен из алюминиевых
лент. Диаметр кабеля по полиэтиленовой изоляции (без внешнего
проводника) 25,4 мм, общий диаметр 32 мм. Кабель в 1,5 раза
легче бронированного.
На подводных магистралях усилительная аппаратура (усили-
тельные элементы, лампы, контуры и пр.) размещаются в жестких
или гибких электрических усилителях, встроенных вдоль кабеля
примерно через каждые 20 ... 50 км. Гибкие усилители, встроен-
ные в кабель, вызывают лишь незначительное его утолщение и не
препятствуют непрерывной прокладке кабеля с судна.
Подводный усилитель жесткого типа выполняется в виде ци-
линдра из берилловой меди длиной I ... 2 м и диаметром 0,3 м.
.Гарантийный срок службы усилителей 20 лет. В усилителях со-
держится резервный комплект ламп. Наряду с ламповыми усили-
телями применяются усилители на полупроводниковых элементах.
Электропитание подводных усилителей осуществляется с обоих
передачи с числом каналов
| 128 | 360 720 2700 | 4200
1,1 3 5,9 26 30
1 1 1 1 1 1
| 8,38/25,4 8,1/25,15 | 8,5/38,1 8,4/38,1 12,1/43,2
Без брони
32 | 33 | 44,5 44,5 52,6
1 320 1 200 ——- —- —
ламповый Жесткий 1 Жесткий, транзисторный
1 6 000 6 300 6 000
37 18,5 18,5 6 6
6 475 6 500 4 7 400 6 000 5 826
71
концов магистрали по внутреннему проводнику кабеля при напря-
жении источников тока на концах кабеля 3000 ... 5000 В. Про-
кладка подводных кабелей осуществляется со специальных кабель-
ных судов, вмещающих до 3000 км кабеля.
Основные данные систем передачи подводных каоелей приведе-
ны в табл. 3.30. Наибольшее применение находят системы на 48 и
360 каналов. Усилительная способность аппаратуры 52 ... 60 дБ.
Известны также системы 'передачи на 128, 720 и 4000 каналов в
спектрах до 1,6 и 30 МГц. Осуществлена также телевизионная пе-
редача по подводным кабелям.
В связи с расширением спектра передаваемых частот наряду
с кабелем типа 4,1/15,7 используются более мощные конструкции
подводных кабелей с соотношением проводов 8,4/25,4 и 8,4/38,1 мм.
ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ СВЯЗИ
3.14. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ
КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
Оптический кабель состоит из скрученных по определенной си-
стеме оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), за-
ключенных в общую защитную оболочку. При необходимости ка-
бель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие
элементы.
Существующие оптические кабели по своему назначению могут
быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и
городские. В отдельные группы выделяются подводные, объектовые
и монтажные оптические кабели.
Т а б л и ц а 3.31
Волоконно-опти- ческая линия связи Конструкция кабели
Число OB Тип ОВ Диаметр сердеч- ника оболочки, мкм Система передачи
Магистральная Зоновая Городская 4, 8, 16 4, 8 4. 8 Одномодовый Градиентный Г радиентный 8-125 «г 50 125 50, 125 ИКМ-480 ИКМ-1920
ИКМ-480
ИКМ-120 ИКМ-30
Подводная Объектовая Монтажная 6 2, 4, 6 1, 2, 4. 8 Одномодовый Ступенчатый Ступенчатый 8 125 100 200 100/200 ИКМ-1920
72
Магистральные кабели предназначаются для передачи инфор-
мации на большие расстояния и на большое число каналов. Они
должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой ин--
формационно-пропускной способностью. Используется одномодовое
волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина
волны 1,3 ... 1,55 мкм.
Зоновые кабели служат для организации многоканальной связи
между областным центром и районами, с дальностью связи поряд-
ка до 250 км. Применяются градиентные волокна с размерами
50/125 км. Длина волны 1,3 мкм.
Городские кабели применяются в качестве соединительных меж-
ду городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие
расстояния (до 10 км) и большое число каналов. Волокна гради-
ентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 мкм. Эти линии, как пра-
вило, работают без промежуточных линейных регенераторов.
Подводные кабели предназначены для осуществления связи че-
рез большие водные преграды. Применяемые для этой цели опти-
ческие кабели должны обладать высокой механической прочностью
на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подвод-
ной связи также важно иметь малое затухание и большие длины
регенерационных участков.
Объектовые кабели служат для передачи информации внутри
объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь,
внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые инфор-
мационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).
Монтажные кабели предназначены для внутри- и межблочного
монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плос-
ких лент.
В табл. 3.31 приведены основные данные различных волоконно
оптических линий связи.
Характеристика системы
Длина волны, мкм Затухание, дБ/ км Пропускная способность, МГн-км Дальность СВЯЗИ, км Регенераии- онный участок, км
1,3 ...1,55 0,5.. .0,8 5000 Сотни, ТЫСЯЧИ км 50
1,3 1 500...800 Десятки, сотни км 30
1 0,85 3. . . 5 300...500 Единицы км 8. ..10
1 1,3 . . . 1,55 0,5. . . 1 5000 Сотни, тысячи км 50
0,85 10.. .20 ——* До I км ——
0,85 До 1 и. 50 ~— Метры
3.15. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА И
ОСОБЕННОСТИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Основным элементом оптического кабеля является оптическое
волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного во-
локна цилиндрической формы, по которому передаются световые
сигналы с длиной волн 0,85 ... 1,6 мкм, что соответствует диапазо-
ну частот (2,3 ... 1,2) • 10й Гц.
Световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердце-
вины и оболочки с разными показателями преломления (п\ и и?).
Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. На-
значение оболочки — создание лучших условий отражения на гра-
нице сердцевина — оболочка и зашита от помех из окружающего
пространства.
Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболоч-
ка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно назы-
вается кварц—кварц, а второе кварц—полимер (кремнеоргани-
ческий компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик
предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло обладает следу-
ющими свойствами: показатель преломления— 1,46, коэффициент
теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кт/м3.
Снаружи световода располагается защитное покрытие для пре-
дохранения его от механических воздействий и нанесения расцвет-
ки. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным; вна-
чале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем — эпоксида-
крылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр
волокна 500 ... 800 км (рис. 3.27).
В существующих конструкциях оптических кабелей применяют-
ся световоды трех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины
50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем по-
казателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой серд-
цевиной (6 ... 8 мкм) (рис. 3.28). По частотно-пропускной способ-
ности и дальности передачи лучшими являются одномодовые свето-
воды, а худшими — ступенчатые.
Важнейшая проблема оптической связи — создание оптических
волокон (ОВ) с малыми потерями. В качестве исходного материа-
ла для изготовления ОВ используется кварцевое стекло (SiOs),
которое является хорошей сре-
дой для распространения свето-
вой энергии. Однако, как прави-
ло, стекло содержит большое ко-
личество посторонних примесей,
таких как металлы (железо, ко-
бальт, никель, медь) и гидро-
Рис. 3.27, Сечение оптического волокна:
/ — сердечник; 2 — оболочки; 3 — защитное
покрытие
74
Рис. 3.28. Световоды:
а) профиль показателя преломления; 6) прохождение луча; /—ступенчатые; 2— градиент-
ные; 3 — одпомодовыс
Рис. 3.29. Изготовление заготовки методом химического осаждения из газовой
фазы:
/ — опорная трубка (оболочка п_); 2— осажденные продукты (сердечник ж); 3 —нагрева-
тельная спираль; 4 — газообразный ноток кварца
ксильные группы (ОН). Эти примеси приводят к существенному
увеличению потерь за счет поглощения в рассеяния света. Для
получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо изба-
виться от примесей и получить химически чистое стекло.
В настоящее время наибольшее распространение получили два
метода создания оптических волокон с малыми потерями: химиче-
ского осаждения из газовой фазы и двойного тигля.
Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы
выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая
заготовка и из нее вытягивается волокно. Заготовка изготавливает-
ся следующим образом (рис. 3.29). Во внутрь полой кварцевой
трубки с показателем преломления п? длиной 0,5 ... 1 м и диа-
метром 16 ... 18 мм подается струя хлорированного кварца (SiCl4)
и кислорода (О). В результате химической реакции при высокой
температуре (1500 ... 1700 °C) на внутренней поверхности трубки
слоями осаждается чистый кварц (S1O2). Таким образом, заполня-
ть
ется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы
ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высо-
кая температура (1900 °C), за счет которой происходит схлопыва-
ние и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндриче-
скую заготовку.
Чистый осажденный кварц затем становится сердечником опти-
ческого волокна с показателем преломления /2|, а сама трубка вы-
полняет роль оболочки с показателем преломления Н2- Затем при
температуре размягчения стекла (1800 ... 2200 °C) производится
вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный бара-
бан. Из заготовки длиной в 1м получается свыше 1 км оптического
волокна (рис. 3.30).
Достоинством данного способа является не только получение
оптического волокна с сердечником из химически чистого кварца,
но и возможность создания градиентных волокон с заданным про-
филем показателя преломления. Это осуществляется за счет при-
менения легированного кварца с присадкой титана, германия, бора,
фосфора или других реагентов. В зависимости от применяемой
присадки показатель преломления волокна может изменяться. Так,
германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления.
Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая определен-
ный объем присадки в осаждаемых на внутренней поверхности
трубки слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения /гг
по сечению сердечника волокна.
По методу двойного тигля исключается предварительный этап
изготовления заготовки и оптическое волокно получается путем не-
прерывного вытягивания из расплава, содержащегося в платино-
вом сосуде через фильтр в дне сосуда. Для получения двухслой-
Рис. 3.30. Вытягивание волокна из
заготовки:
/ — заготовка: 2 — печь; 3 — волокно: 4 —
п р не м 11 ы й 6 а р а б а н
76
Рис. 3.31. Изготовление оптического
волокна методом двойного тигля:
1 — внутренний сосуд: 2 — внешний сосуд:
0 — волокно; 4 — приемный барабан
него волокна используются два плавильных сосуда, так чтобы один
окружал другой, как показано на рис. 3.31. Во внутреннем сосуде
помещается расплавленное кварцевое стекло с показателем пре-
ломления Hi, .из которого образуется сердцевина волокна, а во
внешнем — стекло с показателем преломления п2 для оболочки во-
локна. Стекло оболочки, вытекающее из фильера внешнего сосуда,
тянется вместе со стеклом сердечника, вытекающим из фильера
внутреннего сосуда, образуя таким образом двухслойное стекло,
которое наматывается на приемный барабан.
Сравнивая приведенные способы получения оптического волок-
на, можно отметить, что первый обеспечивает лучшее качество сер-
дечника волокна и позволяет получать градиентное волокно. До-
стоинством второго способа является простота технологии и непре-
рывность процесса изготовления волокна.
3.16. КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКИХ
КАБЕЛЕЙ
Конструкции оптических кабелей в основном определяются на-
значением и областью их применения, и в связи с этим имеется
много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных
странах разрабатывается и изготавливается большое число типов
кабелей. Однако все многообразие существующих типов кабелей
можно подразделять на три группы (рис. 3.32):
кабели повивной концентрической скрутки;
кабели с фигурным сердечником;
плоские кабели ленточного типа.
Кабели первой группы имеют традиционную повивную концен-
трическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими ка-
белями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с
предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие ка-
бели преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего во-
Рис. 3.32. Типовые конструкции оптических кабелей:
а) иовнвная концентрическая скрутка; б) скрутка вокруг профилированного сердечника;
в) плоская конструкция; /— волокно; 2~ силовой элемент; 3— демпфирующая оболочка; 4—
защитная оболочка; 5 — профилированный сердечник; 6 — ленты с волокнами
77
локна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуя
модули.
Кабели второй группы имеют в центре фигурный пластмассо-
вый сердечник с пазами, в которых размещаются оптические во-
локна. Пазы и соответственно волокна располагаются по геликои-
де, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на раз-
рыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необ-
ходимо иметь кабель большей емкости, то применяется несколько
таких первичных модулей.
Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассо-
вых лент, в которых вмонтировано определенное число оптических
волокон. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число
лент составляет 6—8—12. При 12 лентах такой кабель может со-
держать 144 волокна.
Наибольшее распространение получили кабели второй группы
с фигурным сердечником. Такие кабели изготавливаются в СССР
и странах Западной Европы. В США применяют кабели ленточного
типа.
В оптических кабелях кроме оптических волокон, как правило,
имеются следующие составленные элементы:
силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя про-
дольную нагрузку на разрыв;
заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;
армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при ме-
ханических воздействиях;
наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от про-
никновения влаги, паров вредных веществ и внешних механиче-
ских воздействий.
Рис. 3.33 Рис. 3.34
Рис. 3.33. Конструкция отечественного кабеля ОК-8:
/ — волокно; 2 — силовой элемент; 3 — заполнение; 4 — полиэтиленовая оболочка.
Рис. 3.34. Модульные конструкции оптических кабелей французкого производств
ва:
а) 10-волоконшяй модуль; б) 70-волоконный кабель; 1 — оптические волокна; 2 — фигурный
1 сердечник; 3— силовой элемент; '/—пластмассовая лента; 5— модуль на 10 волокон; 6—алкн
миниевая оболочка; 7— полиэтиленовая оболочка
78
I
J
f С^Х^Х-ХЙ?^^
_______J, 55 _ - —
a-)
Рис. 3.35. Американский кабель плоской конструкции:
а) лента с 12 волокнами; б) сечение кабеля; й—общий вид кабеля; /—оптическое волокно;
2—полиэтиленовая лента; 3—стопка лент из 144 волокон; 4 — защитное покрытие; 5~~внутрен-
няя полиэтиленовая оболочка; 6 — пластмассовые ленты; 7 — силовые элементы; 8— поли-
этиленовые оболочки
В Советском Союзе изготавливаются различные типы и конст-
рукции оптических кабелей. Для организации многоканальной свя-
зи применяются в основном четырех- и восьмиволоконные опти-
ческие кабели.
Конструкция отечественного оптического кабеля ОК-8 приведе-
на на рис. 3.33. Кабель содержит восемь оптических волокон, рас-,
положенных вокруг силового стержня из высокопрочной пластмас-
сы, работающего на разрыв. Волокна двухслойные в защитном по-
крытии диаметрами 50—125—600 мкм. Снаружи пластмассовая
оболочка. Диаметр кабеля — 15 мм; масса — 140 кг/км; затухание
3 ... 5 дБ|/км; полоса пропускания — 500 МГц-км.
Представляют интерес оптические кабели французского произ-
водства (рис. 3.34). Они, как правило, комплектуются из унифици-
рованных модулей, состоящих из пластмассового стержня диамет-
ром 4 мм с ребрами по периметру и 10 оптических волокон, рас-
положенных по периферии этого стержня. Кабели содержат 1, 4, 7
таких модулей. Снаружи кабели имеют алюминиевую и затем
полиэтиленовую оболочку.
79
Рис. 3.36. Японский оптический кабель:
/—оптические волокна; 2 — медный силовой элемент; 5—демпфирующее покрытие; ^ — на-
ружная оболочка
Рис. 3.37. Оптический кабель, встроенный в фазный провод ЛЭП:
/ — оптические волокна; 2 — защитное покрытие; 3 —проводники ЛЭП
Рис. 3.38. Подвесной оптический кабель с встроенным тросом:
/ — оптические волокна; 2 — стальной трос; 3 — полиэтиленовая оболочка
Американский кабель, широко используемый на ГТС, представ-
ляет собой стопку плоских пластмассовых лент, содержащих по 12
оптических, волокон. Кабель может иметь от 4 до 12 лент, содер-
жащих 48 ... 144 волокна (рис. 3.35).
На рис. 3.36 показан японский оптический кабель с алюминие-
вой оболочкой и наружным полиэтиленовым шлангом.
В Англии построена опытная линия электропередачи с фазными
проводами, содержащими оптические волокна для технологиче-
ской связи вдоль ЛЭП. Как видно из рис. 3.37, в центре провода
ЛЭП располагаются четыре оптических волокна.
Применяются также подвесные оптические кабели (рис. 3.38).
Они имеют металлический трос, встроенный в кабельную оболочку.
Кабели предназначаются для подвески по опорам воздушных ли-
ний и стенам зданий.
Для подводной связи проектируются оптические кабели, как
правило, с наружным броневым покровом из стальных проволок
(рис. 3.39). В центре располагается модуль с шестью оптическими
волокнами. Кабель имеет медную или алюминиевую трубку. По
-О
Рис. 3.39. Подводный оптический кабель:
а) шестиволоконный .модуль (3 варианта); б) подводный кабель; / — оптический модуль:
2 — шесть оптических волокон; 3 — силовой элемент из стальной проволоки; -/ — полиэтиле-
новая оболочка модуля; 5 — пластмассовые трубки; 6’— заполнение компаундом; / — сталь-
ная броня; 5 — медная или алюминиевая трубка; 9 — полиэтиленовый шланг
80
цепи трубка — вода подается ток дистанционного питания на под-
водные необслуживаемые усилительные пункты.
В 1986 г. начато строительство оптической кабельной линии че-
рез Атлантический океан (ТАТ-8) между Америкой и Европой
(Францией и Днглией). Протяженность магистрали 6000 км. Ка-
бель включает шесть волокон и рассчитан на 12 000 каналов (3 си-
стемы по 4000 каналов). Длина волны 1,3 мкм. Скорость передачи
280 Мбит. Затухание 0,5 ... 1 дБ. Расстояние между регенератора-
ми 40 ... 56 км. Число регенераторов—125. Подводную магистраль
намечено ввести в действие в 1988 г. Срок службы магистрали рас-
считан на 25 лет.
Кроме того, проектируется строительство подводной оптической
линии через Тихий океан между США и Японией протяженностью
в 7200 км с системой передачи 4000 каналов по каждой паре воло-
кон, а также линия, связывающая Австралию с Северной Амери-
кой.
В 1986 г. вступила в строй подводная линия в Средиземном мо-
ре между Францией и островом Корсика протяженностью 200 км на
1500 каналов.
ВОЗДУШНЫЕ линии связи
3.17. ТИПЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
связи
Воздушные линии связи (ВЛС) состоят из металлических проводов, под-
вешенных на опорах с помощью изоляторов и специальной арматуры. Они обла-
дают относительно большой механической прочностью, имеют сравнительно про*
должитсльнын срок службы и по своим электрическим характеристикам позво-
ляют осуществлять связи на значительное расстояние и с применением высоко-
ч а ст от ной аппаратуры.
К недостаткам воздушных линий'относятся: громоздкость материальной ча-
сти и зависимость электрических характеристик цепей и механической устойчи-
вости линий от атмосферно-климатических условий.
Т а б л и ц а 3.32
Тип Л ИНИН Район климатических условий Толщина гололеда на проводе, мм Число опор на 1 км 1 Длина пролета (расстояние между опора- ми), м
О Него лол ед и ы й и с л а бо г о л о л е д н ы й г» О 20 50
1-1 Средней интенсивности гололеда 10 20 50
Сильной интенсивности 15 25 40
. ОУ Особо сильной интенсивности 20 28 ! 35,7
81
Но механической прочности ВЛС подразделяются, на четыре типа: облегчен-
ный — О; нормальный Н; усиленный — У; особо-усиленный — ОУ. Указанная
классификация определяется метеорологическими условиями района строитель
ства; основным критерием является эквивалентная толщина стенки гололеда,
образующегося на проводах, так как при гололеде вследствие увеличения массы
проводов и их поверхности, подвергающейся давлению ветра, воздушная линия
испытывает наибольшую механическую нагрузку. Каждый из данных типов ли-
ний характеризуется, главным образом, числом опор на 1 км (табл. 3.32).
Из таблицы следует, что в районах с интенсивной гололедностью для обес-
печения механической прочности линий устанавливается большое количество
опор на 1 км.
3.18. ОСНОВНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Основными линейными материалами для устройства воздушных линий свя-
зи являются: проволока (линейная и перевязочная), арматура для изоляции и
крепления проводов на опорах.
Проволока. Провода воздушных линий связи подвергаются действию ветра,
гололеда, влаги, химических реагентов, находящихся в воздухе, колебаниям тем-
пературы. Линейная проволока, применяемая для проводов воздушных линии
связи, должна обладать высокой электрической проводимостью, большой меха-
нической прочностью и достаточной эластичностью, устойчивостью против корро-
зии, экономичностью изготовления. В соответствии с указанными требованиями
наибольшее применение получили медная, биметаллическая и стальная про-
волоки.
Медная проволока изготовляется диаметрами 4; 3,5 и 3 мм. Она хороша
противостоит атмосферным воздействиям и большинству химических рсагентов:
находящихся в воздухе.
Медная проволока дефицитна, имеет высокую стоимость, поэтому широкого
применения нс получила. Стальная проволока изготовляется диаметрами: 5; 4;
3; 2,5; 2 и 1,5 мм. Проволока диаметрами 5, 4 и 3 мм применяется для линий
междугородной связи, а диаметрами 2, 5 ч 1,5 мм — для местных линий. Сталь-
ная проволока сравнительно недорогая. Однако большое активное сопротивление
ее, сильно возрастающее с увеличением частоты, ограничивает частотные воз-
можности стальных цепей и их использование для дальних телефонных связей.
Кроме того, стальная проволока подвержена коррозии. Для лучшей зашиты от
коррозии ее покрывают слоем цинка.
Биметаллическая сталемедная проволока состоит из стальной сердцевины и
медной оболочки. Применение такой проволоки обеспечивает экономию меди при
сохранении примерно той еже величины активного сопротивления на высоких
частотах, как и у медной. Биметаллическая проволока изготовляется термиче-
ским способом. В зависимости от толщины медного слоя она подразделяется на
два типа: БСМД и БСМ-2 (табл. 3.33). Механическая прочность биметалличе-
ской проволоки выше медной, а устойчивость против коррозии такая же.
В целях экономии меди применяют сталеалюминиевый биметалл.
Биметаллическая сталеалюминиевая проволока представляет собой сталь-
ной сердечник, покрытый алюминиевой оболочкой, которая наносится методом
82
Таблица 3.33
Диаметр проволоки, мм Толщина медного слоя, мм, у проводов типов Диаметр проволоки, ММ- Толщина медного слоя, мм, у проводов типов
БСМ-1 БСМ-2 БСМ-1 БСМ-2
4 1 0,20 0, 14 I .6 1 0.08 0,06
3 0,15 0,11 1,2 0,06 0,04
2 0,10 0,07
горячего опрессования. Проволока имеет марку БСА и изготовляется наружны-
ми диаметрами 5,1 и 4,1 мм с толщиной алюминиевого слоя 0,55 мм. Коррозий-
ная устойчивость и прочность сталеалюминиевой проволоки БСА хуже, чем ста-
лемедной БСМ.
Применяют также сталсалюминиевый многопроволочной провод марки АС.
На сердечник из одной или нескольких стальных оцинкованных проволок нави-
ты алюминиевые проволоки. Эти провода изготовляются номинальным сечением
алюминиевой части провода 25, 16 и 10 мм2.
При удлиненных пролетах (переходы через реки, овраги), а также перехо-
дах линий связи через электрифицированные железные дороги и контактные
трамвайные и троллейбусные провода применяются многопроволочные канаты
(тросы) высокой механической прочности; для цепей из цветного металла—
бронзовые марок ПАБ-10 и ПАБ-25 (сечением 10 и 25 мм2); для стальных це-
пей— стальные семипроволочные диаметрами 4,2; 5 и 6,6 мм.
Арматура. Для изоляции проводов воздушных линий их укрепляют на изо-
ляторах. Изоляторы изготовляются, как правило, из фарфора (ТФ), Реже при-
меняются стеклянные изоляторы. Форма фарфоровых и стеклянных изоляторов
одинакова (рис. 3.40).
Для увеличения поверхностного сопротивления в изоляторах делают две
юбки (увеличивается длина пути утечки тока). В зависимости от материала и
диаметра подвешиваемых проводов используются изоляторы различных типов,
отличающихся между собой размерами: ТФ-20 и ТСМ-2 — для стальных прово-
дов диаметрами 5 и 4 мм и проводов из цветного металла диаметрами 4 и 3 мм;
ТФ-16 и ТСМ-3—- для стальных проводов диаметром 3 мм; ТФ-12 и ТСМ-4—
для местных линий при диаметре проводов 2,5 мм и менее. Нормированные со-
противления изоляции изоляторов ТФ-20, ТФ-16, ТФ-12 составляют соответствен-
Рис. 3.40. Изолятор для подвески
проводов воздушных линий
Рис. 3.41. Стальной крюк
но 50 000, 40 000, 20 000 МОм, а стеклянных соответствующих типов — в 10 раз
меньше.
Внутри изолятор имеет винтовую нарезку для укрепления его на крюке или
штыре опоры. При навертывании изолятора на штырь предварительно наматы-
вается просмоленная пенька (каболка) или насаживается полиэтиленовый на-
персток.
Для укрепления изолятора на опорах применяют крюки и траверсы со шты-
рями.
Стальные крюки (рис. 3.41) изготовляют следующих типов: КН-20, КН-18,
КН-16 и КН-12. Крюки типов КН-20 и КН-18 предназначаются для изоляторов
типов ТФ-20, ТСМ-2, КН-16 — для изоляторов ТФ-16 и ТСМ-3; КН-12 — для
изоляторов ТФ-12.
Траверсы изготовляют из дерева (дуба, сосны, лиственницы, ели, кедра) и
угловой равнобокой стали. Деревянные траверсы пропитывают противогнилост-
ным составом. Наиболее широко применяются восьмиштырные траверсы. Сталь-
ные траверсы по сечению имеют следующие размеры: восьмиштырные 50x50x6
и 60x60x6 мм, четырех штырные 40X40X4 и 50X50X6 мм.
Опоры. Опоры воздушных линий связи должны обладать достаточной меха-
нической прочностью, сравнительно продолжительным сроком службы, быть
относительно легкими, транспортабельными и экономичными. До последнего вре-
мени на воздушных линиях связи применялись опоры из деревянных столбов.
Затем начали использоваться железобетонные опоры.
Деревянные столбы для опор линий связи изготавливают в основном из
сосны, лиственницы, ели, кедра и пихты. Наиболее широко применяются столбы
длиной 6, 5, 7,5, 8,5 мм с диаметром в вершине от 12 до 22 см; для устройства
переходных опор большей высоты используются, кроме того, столбы длиной 9,5,
II и 13 м с диаметром в вершине от 14 до 24 см.
Деревянные опоры, особенно их нижние части, находящиеся у поверхно-
сти земли, подвержены гниению. По этой причине срок службы их сравнительно
невелик —5 ... 7 лет. Для увеличения срока службы деревянные столбы, а так-
же приставки, служащие для укрепления столбов, пропитывают противогнилост-
ными составами — антисептиками. В качестве последних применяются креозото-
вое и антраценовое масла, а также уралит, фтористый натрий и др.
Т а блиц а 3.34
Тип опоры Расчетный из- гибающий мо- мент, кН-м Дл ина опоры, м Размер попе- речного сече- ния, см'2 Бетон Масса опоры, кг
Марка Объем опоры, м3
ПО-1,75-6,5 ПО-1,75-7,5 ПО-2,75-6,5 ПО-2,75-7,5 ПО-4,4-7.5 ПО-4.4-8.5 ПО-6,8-8,5 17,5 17.5 27,5 27,5 44 68 х х -а ч О) ч cti Qi Си Си СП Си СИ СИ < 24Х 14 24X14 24X14 24X14 30X1* 30X18 ЗОХ18 200 200 200 200 300 300 300 0,137 0, 156 0, 164 0, 183 0,29 0,324 0,324 343 390 410 455 725 810 810
84
Железобетонные опоры и приставки прочны и долговечны. Для строитель-
ства линий связи в основном используются опоры прямоугольного сечения (110).
Основные характеристики указанных опор приведены в табл. 3.34.
Наряду с железобетонными опорами на линиях связи нашли применение
железобетонные приставки, укрепляющие деревянные опоры для удлинения
срока их службы. Приставки прямоугольной формы имеют марки ПР или TH.
Длина железобетонных приставок составляет 2,8 . . . 3,5 м.
3.19. ПРОФИЛИ ЛИНИИ
Профилем воздушной линии связи называется порядок расположения цепей
и проводов на опорах. Наименование профилей определяется способом крепле-
ния (подвески) проводов на опорах.
На воздушных линиях связи используются крюковой, траверсный и смешан-
ный (провода подвешивают на траверсах и крюках) профили (рис. 3.42). Как
видно из рисунка, крюки на опоре располагают в шахматном порядке; места
цепей, подвешенных на крюках, нумеруют сверху вниз, а на траверсах —- слева
направо и сверху вниз. Стороны линии (левая и правая) определяются в на-
правлении нарастающей нумерации опор. Расстояние между крюками на опоре
равно 30 или 60 см. Траверсы на опоре располагаются на расстоянии 60 см Друг
от друга, расстояние между проводами одной цепи на траверсе составляет
20 см, а между соседними цепями —50 см.
Рис. 3.42. Профили расположения проводов на воздушных линиях
85
86
3.20. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ОПОР
При устройстве воздушных линий связи применяются простые и сложные
опоры. Простыми называются опоры, не имеющие дополнительных укреплений,
сложными — опоры, имеющие дополнительные укрепления, или опоры, состав-
ленные из нескольких столбов. К простым опорам относятся промежуточные
опоры, устанавливаемые на прямых участках линий; к сложным — угловые, уси-
ленные, оконечные, кабельные и др.
Угловые опоры устанавливают в местах изменения направления (поворота)
линии. Угловую опору укрепляют подпорой или оттяжкой, свиваемой из шести —
восьми линейных проволок (рис. 3.43). Оттяжка укрепляется в земле с по-
мощью якоря. Для ограничения возможных разрушений на линии в случае боль-
ших нагрузок применяют усиленные (рис. 3.44) и противоветровые опоры, уста-
навливаемые на прямолинейных участках трассы. При числе проводов более
шести вместо усиленных опор устанавливают пол у анкерные или анкерные опоры
(рис. 3.45). Опоры размещаются на линиях типа О через 3 км, Н — через 2 км,
У и ОУ — через i км. Противоветровые опоры располагают на середине участка
между усиленными или полуанкерными опорами. Оконечные опоры устанавли-
вают в начале и копие воздушной линии связи. Кабельные опоры размещают
в местах перехода воздушной линии на кабельную: они оборудуются кабельным
шкафом и для удобства обслуживания — площадкой и ступеньками.
3.21. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Электрические параметры цепей со сталемедными марки БСМ-1 УЭ-М мм,
а=20 см) * проводами приведены в табл. 3.35.
" d — диаметр провода; а — расстояние между проводами.
Т а б л и ц а 3.35
Частота /, кГц а. мдБ/км, для условий погоды 1 мрад/нм Ом ^в’ град
Cvxo, i — У 20 °C Сыро, +20 СС Сыро, i = -20 =С При толщине слоя, мм
гололеда изморози
3 10 ’>ж Д.
0,2 42,6 44,3 38,2 40,8 40,8 40,8 7 1038 34
0,8 63,4 64,3 54,7 59,1 59,1 59,1 19 640 20
3 73,8 76,4 62,5 67,8 68,6 68,6 65 554 10
о 76,4 79 64,3 71,2 72,1 72,1 109 556 д
10 78,2 81,6 66 77,3 81 ,6 82,5 216 543 2
15 79,9 89,5 66,9 86 95,6 98,1 324 543 1
20 82,5 92,9 69,5 99 114,7 119,9 432 543 1
30 90,3 105, 1 75,6 133,8 168,9 180,2 647 543 1
40 98,1 117,3 82,5 180 ; 240 258 863 i 543
50 106 130,3 89,5 233,2 ! 324 352 1079 543 „ 1
. 60 113,8 142,4 96,4 296 423.5 462,5 1295 | 543
80 I 128,6 166,1 110,3 431,5 640 714 1725 542
100 144,2 192,5 123,3 575 1 869 960 2156 542
120 160 217,5 135,5 720 1100 1217 2586 542 1
150 182,8 253 153,1 925 1430 1580 3230 542
87
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как классифицируются линии связи и проводного вещания?
2. Типы и конструкции кабелей связи.
3. Как маркируются кабели связи?
4. Конструкции коаксиальных кабелей и системы их использования,
5. Конструкции симметричных кабелей и системы их использования.
6. Городские кабели связи.
7. Кабели сельской связи и радиофикации.
8. Подводные кабели и системы передачи.
9. Оптические волокна и особенности их изготовления.
10. Типы и конструкции оптических кабелей связи.
11. Сравните различные виды кабельной скрутки жил в группы (пара, звезда
и др.) и групп в сердечник (повивы, пучки).
12. Сравните различные типы кабельных оболочек (свиней, алюминий, сталь,
пластмасса).
13. Какие известны вам типы воздушных линий?
14. Какие известны вам броневые покровы кабелей?
15. Основные линейные материалы.
16. Применение железобетонных опор и приставок.
17. Скажите о достоинствах и недостатках воздушных линий.
Глава 4. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
4.1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Строгое решение задач распространения электромагнитной энер-
гии по направляющим системам (кабели, волноводы, световоды
и т. д.) требует применения классической электродинамики и урав-
нений Максвелла. На основе электродинамики можно рассмот-
реть практически все вопросы передачи, излучения, влияния, по-
глощения, экранирования в любых направляющих системах при
различных диапазонах частот и скоростях передачи.
Правда, во многих случаях очень сложно искать точные реше-
ния на базе электродинамики. Под влиянием запросов практики в
свое время были разработаны приближенные методы решения за-
дач различных классов. Такими наиболее характерными методами
являются методы теории цепей и, с другой стороны, теории луче-
вой оптики. В первом случае (квазистационарный режим) совер-
шается переход от волновых электродинамических процессов к ко-
лебательным D), а во втором случае (квазиоптический ре-
жим) — к лучевым процессам При D в области срав-
нительно низких частот (до 108 Гц) справедливы методы теории
цепей и уравнения однородной линии. При E<^D в области очень
высоких частот (свыше 1013 Гц) справедливы уравнения лучевой
оптики.
88
Однако оба эти режима являются предельными случаями стро-
гих уравнений электродинамики, поэтому курс технической элек-
тродинамики (ТЭД) является основным (базовым) аппаратом изу-
чения, исследования и расчета направляющих систем передачи.
В этой главе излагаются основные положения ТЭД, необходи-
мые для изучения теории передачи по направляющим системам.
4.2. ПРИРОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
Носителем электромагнитной энергии, широко используемой в
современной радиоэлектронике, электросвязи и высоковольтной
технике, являются электромагнитное поле.
Электромагнитное поле — это особый вид материи, оказываю-
щий силовое воздействие на заряженные частицы и обладающий
энергией, массой, скоростью, т. е. всеми свойствами материи. Поле
отличается непрерывным распределением в пространстве (электро-
магнитные волны) и обнаруживает дискретность структуры.
Электромагнитное поле представляет собой единство двух со-
ставляющих—электрического и магнитного полей. Электрическое
поле (Е) характеризуется силовым воздействием как на неподвиж-
ные, так и движущиеся заряды. Магнитное поле (Я) характеризу-
ется силовым воздействием лишь на движущиеся заряды. Электри-
ческие и магнитные поля связаны с определенными количествами
электромагнитной энергии. В различных случаях может преоб-
ладать тот или иной вид энергии (электрической или магнитной).
Электрическим током называют явление упорядочного движе-
ния заряженных частиц (электронов и ионов), сопровождаемое
возникновением электромагнитного поля.
Различают два основных типа полей: потенциальное и вихре-
вое. Потенциальное поле тесно связано со своим источником. Ли-
нии поля имеют начало и конец. Линии вихревого поля замыкаются
по замкнутой петле, всегда непрерывны и не имеют начала и кон-
ца (рис. 4:1). Электростатическое поле является чисто потенциаль-
ным, а магнитное поле чисто вихревым. Переменное электромагнит-
ное поле в общем случае является суперпозицией потенциального
поля электрических зарядов и вихревого поля индукции.
Электрические и магнитные свойства материала характеризу-
ются тремя параметрами: диэлектрической проницаемостью е, маг-
нитной проницаемостью ц и электрической проводимостью о.
Произведение напряженности электрического поля и диэлек-
трической проницаемости определяет электрическое смещение (ин-
дукцию)
• г Произведение напряженности магнитного поля и магнитной
проницаемости определяет . магнитную индукцию Й—цаН.
* В гл. 4 и 5 под Ё и Н подразумеваются векторные значения.
89
Рис. 4,1. Линии потенциального (а) и вихревого (б)
полей
Произведение напряженности электри-
ческого поля и электрической проводимо-
сти характеризует плотность тока: J = вЁ.
При const это соотношение выражает
закон Ома.
Наряду с абсолютными значениями диэлектрической проницае-
мости (ес) и магнитной проницаемости (ца), часто используются
относительные значения и цг:
F а ” Е-э8г j Ц аЦо Цг >
где со-— 10~~9/36л, Ф./мэлектрическая постоянная; но~4лХ
X 107, Гн/м — магнитная постоянная.
Все физические величины могут быть подразделены на скаляр-
ные и векторные. Скалярные полностью характеризуются числен-
ной и.х величиной (температура, энергия и др.). Векторные — ха-
рактеризуются как численной величиной, так и направлением (си-
ловое давление, электромагнитное поле и др.).
Различают среды: изотопные и анизотопные. Первые имеют оди-
наковые свойства во всех направлениях, у вторых параметры е, ц,
а изменяются в зависимости от выбранного направления.
4.3. ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Основные уравнения электромагнитного поля,называемые урав-
нениями Максвелла, обобщают два основных закона электродина-
мики: закон полного тока и закон электромагнитной индукции.
Закон полного тока устанавливает количественное соотношение
между напряженностью магнитного поля Н и током /:
Согласно данному закону линейный интеграл напряженности
магнитного поля по любому замкнутому контуру равен полному
току, проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим конту-
ром.
Ток I включает все токи проводимости и смещения (/~/np-j-
+Дм). Как видно из рис. 4.2, переменный ток проходит по прово-
дам цепи за счет токов проводимости (Др) и через конденсатор —
за счет токов смещения (/см)—емкостной ток. Для .постоянного
тока конденсатор является непреодолимым препятствием. Уравне-
ние (4.1) называется первым уравнением Максвелла.
Закон электромагнитной индукции устанавливает соотношение
между напряженностью электрического поля Ё и магнитным пото-
90
Рис. 4.2. Токи проводимости
в цепи передачи
-/пр И
токи - смещения
•ком Ф—ЯцЗ. Закон электромагнитной индукции гласит, что элек-
тродвижущая сила, возникающая в контуре при изменении магнит-
ного потока Ф, проходящего сквозь поверхность, ограниченную
контуром, равна скорости изменения этого потока с обратным зна-
ком:
j) Edl - - —dc&jdt. (4.2)
Это уравнение называют вторым уравнением Максвелла.
Уравнения (4.1) и (4.2) представляют собой интегральную за-
пись уравнений Максвелла, чаще пользуются уравнениями в диф-
ференциальной форме:
rot Н = (4.3)
ь dt ' 7
<4.4)
В этом случае используется понятие ротор (rot), означающее, что
движение проходит по замкнутой кривой (спирали). Здесь о, ga,
ца— соответственно проводимость, диэлектрическая и магнитная
проницаемость среды.
Для гармонических колебаний, т.е. при £ — и Н
получим dEfdt шЕ и dH/dt = iwAf.
Тогда уравнения Максвелла запишутся:
го4 icoeaE, (4.5)
rot Ё=—i(opQAT (4.6)
Кроме этих уравнений используются вспомогательные уравнения
div р и div В = 0,
где р — плотность электрического заряда. Div D~p означает, что
через поверхность, ограничивающую этот объем, линии электриче-
ского поля расходятся в окружающее пространство или сходятся в
него. Электрическое поле имеет источники и характеризуется плот-
ностью электрического заряда. Div В—0 выражает принцип непре-
рывности магнитного поля. Она показывает, что магнитные линии
всегда непрерывны и образуют замкнутые петли. Они нигде не на-
чинаются и не заканчиваются. Магнитное поле не имеет источни-
ков.
91
Рис. 4.3. Распространение электромагнитного поля:
) появление мзгянтного поля; bj появление электрического поля; в) электромагнитное
Поле
В (4.5) оЁ— плотность тока проводимости /пр (в металле и
средах с потерями), a icoEa£ — плотность тока смещения /(.м (в ди-
электрике). В металлических средах ОрМ-м. т. е. iwEa£^0, а в
диэлектрике Л-мЭ’Лр, т. е. о£^0.
Уравнение (4.5) показывает, что электрическое поле создает во-
круг себя магнитное поле (рис. 4.3,а), а уравнение (4.6) — что
всякое изменение магнитного поля сопровождается образованием
электрического поля (рис. 4.3/5). В целом изменение одного поля
вызывает появление другого поля, в результате действует и рас-
пространяется суммарное электромагнитное поле (рис. 4.3,в), пере-
носящее энергию в атмосфере, кабелях, волноводах, световодах и
любых других направляющих системах.
Процессы, происходящие в металлической среде, проводниках,
кабелях, описываются уравнениями
rot Й Упр и rot Е = — , (4.7)
а для процессов в диэлектрике, изоляционных оболочках, а также
атмосфере справедливы уравнения
rot Й = 7СМ и rot£ = —iwua//. (4.8)
Уравнения Максвелла (4.5) и (4,6) могут быть записаны иначе:
rot/7 rot Е = — (4,9); (4.10)
где Ea—£a [l + (o'/icoea)] =ea(I—i tgd) — комплексная диэлектриче-
ская проницаемость; tg 6—o/o)Ea — угол диэлектрических потерь.
Уравнения Максвелла справедливы для любой системы коорди-
нат. Наиболее часто для направляющих систем дальней связи при-
ходится применять эти уравнения в цилиндрической системе коор-
динат:
92
Для решения инженерных задач электродинамики необходимо
знать продольные составляющие полей £z и Hz. Они могут быть
определены следующим образом.
Преобразуем первое уравнение Максвелла (4.9):
rot rot Н i сод, rot Е.
Используя соотношение rot rot H^grad div Я-- ?2Я,~а также учи-
тывая, что div /7=0, получим ?2Я-Нй2Я = 0, где ^2=ы2раеа,
—волновое число среды. Поступая аналогично со вто-
рым уравнением Максвелла (4.10), получим V2£4-£2£=0.
Отсюда вытекает, что продольные электромагнитные составляю-
щие векторов £; и Hz удовлетворяют уравнениям:
\ 2£; 0; 72Я:МРЯ:^0. (4.11), (4.12)
Эти выражения носят название уравнений Гельмгольца.
п 2 (У- , 1 д . 1 д2 д2 п
здесь д = —Я---------+-------4-----оператор Лапласа.
дг2 г дг г2 ду2 " dz2 f В
Тогда уравнения для £; и Я- в цилиндрической системе коорди-
нат будет:
•> w'
г)2£г 1 0£г , 1 (52£г_,аг£2 . 7, г- , ,, . , х
м+т-г+--г?+'^+*’£«“'’- <4"а)
«7к+7^+±7£ + ^.М'>//г„0. (4.12а)
дг2 г дг г2 ду2 дг2
Остальные поперечные составляющей полей £г, Нг и ЕЦу
могут быть выражены через составляющие Ez и Hz непосредствен-
но из уравнений Максвелла.
4.4. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ВЕКТОРОВ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
В любой задаче электромагнитное поле тем или иным способом
ограничено в пространстве и для его определения необходимо рас-
полагать сведениями о поведении поля на границе. Естественными
93
Рис. 4.4. К определению граничных условий: нор-
мальные составляющие (Eh=Er) и касательные со-
/Г ) /1и / ставляющие f£T=£: И ££)
Jo /
f\/ (\/ границами могут быть металлические пере-
городки, соседство нескольких сред с раз-
личными характеристиками и др.
Особый интерес представляют границы
разнородных сред, присутствующие в большинстве практических
задач, например граница медь — диэлектрик (кабель, волновод),
диэлектрик (еД—диэлектрик (е?) (волоконный световод) и др.
Если параметры сред на границе раздела изменяются скачкооб-
разно, то в общем случае компоненты векторов электромагнитного
поля также претерпевают разрыв в точках границы.
Состояние электромагнитных полей на границах формулируют-
ся в виде так называемых граничных условий. Рассмотрим отделю
но граничные условия для электрических и магнитных полей. При-
чем следует иметь в виду, что в общем виде имеют место как нор-
мальные (£„, /Д), так и касательные (£т, ££) составляющие по-
лей, Применительно к цилиндрической системе координат в каче-
стве нормальных составляющих действуют (£г, Нг}, а в качестве
касательных (£-, £Ф, ££, ЯД (рис. 4.4).
Для электрического поля на границе раздела двух сред имеет
место равенство векторов электрической индукции для нормальных
составляющих и электрического поля для касательных
составляющих (Ен — £Д.
Если на границе раздела сред расположен поверхностный заряд
(рД, то нормальные составляющие векторов электрической индук-
ции испытывают скачок на величину плотности поверхностного за-
ряда
£l?i —p.v
Для магнитного поля на границе раздела сред имеется равен-
ство векторов магнитной индукции для нормальных составляющих
(Д 1?1=Д2Д и магнитного поля для касательных составляющих
(Я1т=Я2т).
При наличии поверхностного тока на границе раздела сред (/Д
касательная составляющая напряженности магнитного поля испы-
тывает разрыв, равный его плотности:
Таким образом, в общем виде на поверхности двух сред долж-
ны выполняться следующие граничные условия:
94
D2rt=p.<; E1t=E2t;
В случае отсутствия поверхности зарядов (ps) и поверхностных
токов (JВ действует равенство всех приведенных компонент.
При изучении переменных электромагнитных полей вблизи по-
верхности металлических тел часто предполагают, что рассматри-
ваемое тело является идеально проводящим (ps—оо). В этом слу-
чае напряженность электрического поля внутри проводника равна
нулю. Тогда для проводящей среды, например второй, D2—E2~
— В2~Н2^=§ и вышеприведенные уравнения примут вид £)i?l=px;
£it = 0; $1л = 0; (соответственно = 0).
Таким образом, на поверхности идеального проводника каса-
тельная составляющая напряженности электрического поля и нор-
мальная составляющая напряженности магнитного поля равны
нулю.
4.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
Рассмотрим энергетический баланс энергии электромагнитного
поля. Запас энергии в объеме v определяется суммой электриче-
ской и магнитной энергии:
(4.13}
где еаЁ2/2 — энергия электрического поля, а ра//2/2— магнитного.
Это выражение аналогично известной формуле из электротехники:
^Ц/с-Ки>7=-СП2/2+Е/2/2,
где Wc — энергия в конденсаторе; WL — энергия в катушке индук-
тивности.
Используя уравнение Максвелла, можно получить выражение
^aH2)2)dv — ( \ЕН} ds -Г aE2du
(4.14)
где ds — элемент поверхности s, ограничивающий объем v.
Это выражение известно как теорема Умова — Понтинга. Левая
часть выражения характеризует расход электромагнитной энергии
за единицу времени, правая указывает, как расходуется энергия,
заключенная в объеме, за единицу времени. Первый член правой
части представляет собой поток энергии в единицу времени через
замкнутую поверхность s объема v в окружающее пространство.
Количество энергии, распространяющейся в единицу времени через
площадь, перпендикулярную направлению потока энергии, выра-
жается величиной П=^[ЁЁ], называемой вектором Понтинга. Вто-
рой член в соответствии с законом Джоуля — Ленца выражает
энергию внутри объема, преобразовываемую в тепло за единицу
времени.
Таким образом, согласно теореме Пойтинга изменение запаса
электромагнитной энергии, находящейся в некотором объеме о,
происходит за счет расхода энергии внутри объема и распростра-
нения ее за пределы объема.
Излучаемая или поступающая в объем через ограничивающую
поверхность энергия равна интегралу от скалярного произведения
вектора Пойтинга [££] на элемент поверхности з:
F = J’nrfs.
£ s
(4.15)
Взаимосвязь между составляющими вектора Пойтинга и ком-
понентами электромагнитного поля выражается правилом буравчи-
ка, согласно которому направление вектора определяется поступа-
тельным движением буравчика, рукоятка которого вращается в
плоскости векторов Ё и Н по кратчайшему расстоянию от Ё к Н.
Теорема Умова — Пойтинга позволяет установить связь между
напряженностями полей £ и Н на поверхности какого-либо объ-
ема с потоком энергии, входящей в какой-либо объем либо выхо-
дящей из него. Так, зная величины £ и £ на поверхности кабеля,
можно определить энергию, поглощаемую или излучаемую им.
Таким образом, энергия, распространяющаяся вдоль линии, ха-
рактеризуется компонентами поля £г и /Д, образующими с про-
дольной составляющей вектора Пойтинга П2 (рис. 4.5,а) правовин-
товую систему буравчика. В цилиндрической системе координат
2 к
W2~ ErH\rdq, энергия, излучаемая в окружающем простран-
о
стве, характеризуется радиальной составляющей вектора Пойтинга
Пг, связанной с компонентами поля Ez и Н(р (рис. 4.5,6). Энергия,
поглощаемая проводни-
ками из окружающего
пространства (рис. 4.5,0),
характеризуется ради-
альной составляющей
Рис. 4.5. Составляющие век-
тора Пои тин га при процес-
се:
а) передачи; б) излучения, в)
поглощения
96
вектора Пойтинга Пг, связанной с продольной составляющей элек-
трического поля Ez и тангенциальной составляющей магнитного
поля и направленной внутрь проводника.
Интересующая нас энергия поглощения для единицы длины ци-
линдрического проводника выразится через уравнение Умова —
Пойтинга
= J ЕгН^г<1у.
О
В свою очередь, энергия поглощения связана с током I и внут-
ренним сопротивлением проводника Z соотношением П,~/22.
Тогда полное внутреннее сопротивление проводника
Z = R + i gjL -
(4.16)
где R — активное сопротивление проводника; L — внутренняя ин-
дуктивность; Е2 — продольная составляющая электрического поля
на поверхности проводника; Н*(р — сопряженное значение танген-
циальной составляющей магнитного поля на поверхности провод-
ника; г — радиус проводника.
4.6. РЕЖИМЫ ПЕРЕДАЧИ ПО
НАПРАВЛЯЮЩИМ СИСТЕМАМ
В зависимости от режима работы, используемых длин волн,
диапазона частот и среды, в которой происходит распространение
электромагнитной энергии, можно выделить пять различных режи-
мов передачи.
Статический режим соответствует объемным статическим заря-
дам и относится к процессам электростатики и магнитостатики.
В этом случае перемещения заряженных частиц не происходит
(J—0) и отсутствует временная зависимость поля. Уравнения Мак-
свелла для статики имеют вид:
rot Н = 0; rot£~0.
Энергия электростатического поля
= Т f г“£2 dv'
V
где v — объем, в котором сосредоточена энергия.
В технике линий связи на основе уравнений электростатики
определяется электрическая емкость проводников по формуле
4-6136 97
C—QJU, где Q — количество электричества; U — разность потен-
циалов между проводниками.
Стационарный режим относится к случаю передачи по провод-
никам постоянного тока 1~вЕ, который создает магнитное поле
(rot//). Электрическое поле в этом случае не индуцируется.
Уравнения Максвелла записываются так:
rot//---а/?; rot £—0.
Отсюда видно, что в данном случае магнитное поле имеет вихре
вой характер, а электрическое — безвихревой (потенциальный).
Энергия стационарного магнитного поля
;ia№ dv,
где v— ооъем, в котором сосредоточена энергия.
Индуктивность цепи контура
С^ФП
где Ф — поток, пронизывающий контур.
Квазистационарный режим охватывает диапазон высоких час-
тот, но не настолько высоких, чтобы учитывать токи смещения.
Здесь и соответственно
В отличие от предыдущих режимов, где имелся лишь статиче-
ский заряд и постоянный ток, при котором не индуцировалось
электрическое поле (rot£—0), здесь за счет переменного магнит-
ного ноля возникает электрическое поле rot £~—iwgo//.
Уравнения Максвелла для этого режима имеют вид
г о t Й о £; г о t £ —i о) ц ц Н.
Данный режим справедлив для частот, при которых длина вол-
ны больше чем поперечные размеры линии (л>£)). Это относится
к проводным системам (воздушные линии, симметричные и коак-
сиальные кабели) в диапазоне частот примерно до 109 Гц.
Энергия электромагнитного поля определяется по полной фор-
муле:
W Г. ш П'
J I м
(soF72 + u„№/2)^
Волновой и квазиоптический режимы характерны для процес-
сов в диэлектрике и свободном пространстве, когда доминирую-
щими являются токи смещения. Токи проводимости и потери не-
значительны. В этом случае и соответственно /с.м^>/пр- Это
относится к процессам распространения и излучения электромаг-
нитных волн в радиотехнике и лазерной технике и охватывает дна-
98
пазон частот от 1012 Гц и выше. В этом случае, как правило, длина
волны существенно меньше поперечных размеров направляющей
системы (XcD).
Уравнения Максвелла имеют вид
rot/?=i(oea£; rot£——icopa/7.
Энергия поля определяется по полной формуле
Электродинамический режим относится к области высоких час-
тот и коротких волн, когда необходимо учитывать токи как сме-
щения, так и проводимости. В этом режиме осуществляется пере-
дача по волноводам, световодам, радиочастотным линиям в диапа-
зоне СВЧ. Здесь длина волны меньше или соизмерима с попереч-
ными размерами направляющей системы (k^D). В зависимости
от габаритов направляющей системы это охватывает диапазон
волн 10!0 ... 10!2 Гц. Для этого режима характерны резонансные
явления.
Расчет надо вести по полным уравнениям Максвелла:
rot Я—сг£ Д-i со еа £; rot £=—icopa//.
Энергия электромагнитного поля также определяется по полной
формуле. Для наглядности уравнения Максвелла в различных ре-
жимах передачи сведены в табл. 4.1,
Во всех режимах соблюдаются условия divD=p и div 5 = 0,
Z)=ea£ и В—цаЯ, где р — объемная плотность заряда.
Таблица 4.1
Лева я Правая часть Режим передачи
часЛ Металл Диэлектрик
rot Н rot Е 0 0 0 0 Статический
rot Н rot Ё зЁ 0 0 0 Стационарный
rot Н rot Ё аЁ —-г<йхп Н 0 —// Квазистационарный
rot Н rot Ё 0 0 z(oea Е —Н Волновой и квазиопти- чески й
rot Н rot Ё оЕ —'«P-о Н L(de(l Е — '«Ра Н Электродинамический
99
4.7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ПРОВОДНИКАХ И ДИЭЛЕКТРИКАХ
Среды могут существенно отличаться друг от друга по величине
удельной проводимости а. Чем больше удельная проводимость, тем
больше плотность тока проводимости. Часто для упрощения ана-
лиза используется понятие идеального проводника и идеального
диэлектрика. Идеальный проводник — это среда с бесконечно болш
шой удельной проводимостью (о-^оо), а идеальный диэлектрик —
среда, не обладающая проводимостью (о=0). В идеальном про-
воднике может существовать только ток проводимости =
а в идеальном диэлектрике — только смещения /CM=i(oea£.
В реальных средах имеется как ток проводимости, так и ток
смещения. Принято среду считать проводящей, когда
~(ога/о<0,1. Диэлектрик характеризуется неравенством 11пр =
—шга/о>10. Таким образом, свойства проводников и диэлектриков
отличаются в 100 и больше раз.
В табл. 4.2 приведены параметры различных материалов и
сред и даны частоты, при которых наблюдается равенство токов
смещения и проводимости (/П1 — /СЛ1). Эти частоты могут быть опре-
делены по формуле /0~о/(2леа).
Металлы практически во всем диапазоне частот являются про-
водниками. Диэлектрики (полистирол, полиэтилен, гетинакс и др.)
на всех частотах действуют как изоляция с преобладанием токов
смещения. Естественные среды (почва, вода, лед) обнаруживают
проводниковые свойства в области низких частот (f</o), а выше
они действуют как диэлектрики (/>/о)-
Ниже приведены исходные формулы для определения электри-
ческих характеристик диэлектриков и проводников.
а) Электромагнитное поле в диэлектрике (*оеа^>о).
Уравнения Максвелла: rot Н =ead£/dt; rot Ё=—^адН/дЁ Соот-
ветственно могут быть получены дифференциальные уравнения вто-
рого порядка для электрических и магнитных полей
a a а/2 !
a dt2 ’
где V2 — оператор Лапласа.
Эти уравнения называются волновыми уравнениями. Они широ-
ко используются при исследовании процессов распространения и
излучения энергии в воздушном пространстве.
Для гармонических колебаний уравнения Максвелла запишутся
в виде: rotrot —iopG//. ____________________
Коэффициент распространения у=1«Уцаеа. Коэффициент фазы
Р—о)Уцаеа; коэффициент затухания сс = О. ___
Скорость распространения г7=о)/р=1/Уцаеа. Волновое сопротив-
ление ZB=yuG/eG.
100
В свободном пространстве
— 1) v = c=300000 км/с и
/в=376,7 Ом.
При распространении плоской
волны в диэлектрике векторы Ё
и Н взаимно перпендикулярны.
Отношение между величинами Е
и Н характеризуются волновым
сопротивлением.
Таблица 4.2
Материал, среда 8 Г а, См/м f0. Гц
Лед, сухой песок 4 10~5 5-10*
Сухая почва 4 10-4 5-10»
Пресная вода 90 2-10—3 5-Ю1
Влажная земля 20 IO"2 10»
Морская вода 80 4 10»
б) Электромагнитное поле в -----------------------------
проводнике (о^>(оеа). Уравнения
Максвелла rot£T=o£; rot£——1шраЯ. Коэффициент распростране-
ния Y=yi(opi«<j. Коэффициент затухания равен коэффициенту фазы:
а = У(оцао/2. Скорость распространения v— со/р—]/2g)/ (цао).
Волновое сопротивление ZB—уфра/ое"145°.
Переменный ток распространяется по сечению проводника не-
равномерно и затухает пропорционально е-ССЛ. Наибольшая кон-
центрация происходит на периферии проводника (при х —0). Чем
выше частота, тем больше а и быстрее затухает £г и соответствен-
но уменьшается J=aEz. Это явление называется поверхностным
эффектом и учитывается через параметр эквивалентной глубины
проникновения. Эквивалентная глубина 0 — это такая глубина про-
никновения поля в проводник, при которой напряженность поля
уменьшается в е=2,718 раз. Величина 0 может быть определена
из выражения (рис. 4.6)
где £z0 и /о — напряженность поля и плотность тока на поверх-
ности проводника; Ezx и Jx— то же, на глубине 0. Для определе-
Рис. 4.6. Проникновение поля в толщу металла
Рис. 4.7. Частотные зависимости эквивалентной глубины проникновения поля в
Металл:
/ — алюминий; 2 — медь; 3 — сталь
101
Таблица 4.3.
Наименование металла р.( ОМ:‘ММ9/М См*м/мм? k, Г/ММ : 0, мм
Медь 0,0175 57,00 1 21,2 1.0—8 j/f 66,68/|/'Г
Алюминий 0,0291 34,36 1 16,35 10—’ |/ f 86,44/|/f
Сталь о; 1 зад 7,23 100 76,5 10—3 |/у 18,7/И
Свинец 0,2210 4,52 1 5,97 Ю-з |/|- 236,7/|ГГ
ния параметра 6 необходимо принять показатель степени равным
единице. Поскольку I., эквивалентная глубина проник-
новения определяется соотношением
е=у2/(шцао)- или 0=Й.)&Ь (417)
где |/е|=Усорсг —- коэффициент вихревых токов.
В табл. 4.3 приведены: электрические характеристики различных
металлов. Как видно из таблицы, наибольшей глубиной проникно-
вения тока обладает свинец. С увеличением частоты глубина про-
никновения уменьшается.
На рис. 4.7 представлены кривые зависимости глубины проник-
новения тока в металл от частоты.
4.8. ТИПЫ И КЛАССЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
волн
Характер распространения электромагнитных волн в направ-
ляющих системах, структура поля и частотные характеристики
систем зависят прежде всего от класса волны, используемой для
канализации энергии. Существуют следующие классы волн (рис.
4.8): '
Т—поперечно-электромагнитная,
Е — электрическая или поперечно-магнитная ТМ-волна,
Н — магнитная или поперечно-электрическая ТЕ-волна,
ЕН, НЕ — -гибридные смешанные волны..
Волна Т содержит только поперечные составляющие (электри-
ческого Е й магнитного Я полей), продольные составляющие Ег
и равны 0, л. е. силовые линии поля целиком лежат ,-в попереч-
ных плоскостях и в точности повторяют картину силовых линий
поля при статическом напряжении и постоянном поле. Волна Т
существует лишь в линиях, содержащих не менее двух изолирован-,
ных проводников, находящихся под разными потенциалами. Ойа
используется при передаче энергии в сравнительно ограниченном
диапазоне частот по проводным системам, где определяющими яв-
102 .....
₽.ие,.--4.8. Классы волн:Е, Н, ЕН (НЕ) Рис. 4,9;.. ; Четыре< полу-
волны в сечении^ волно-
вода '
дяются токи проводимости /Пр, в частности-при- передаче- по... сим-
метричным и коаксиальным цепям и полосковым линиям.
Волны Е и Н содержат, кроме поперечных -электромагнитных
и , по одной продольной щоставляющейполд; для волн Е
поле E^Q^ti для волн Н поле Поэтому их силовые линйи
располагаются как в поперечных, таж и в;продольных;сечения1' на-
правляющих систем. Эти волны возбуждаются1 в^веСьма высоком
.диапазоне.. частот, где определяющими,- являют$я< токи смещения
/см. Они используются при передаче -энергии, по^металлическим и
диэлектрическим волноводам и однопроводным линиям.
м т . Процесс передачи основных волн Т связан с потенциальным но-
лём, а волн высшего порядка Е и Н — с вихревым полем.
Волны Е й Н можно передавать по однопровоДным направляю-
щим.'системам например волноводам.; Для этих, волн необходима
продольная составляющая поля Е и И, .которая.задает направле-
' ине движению энергии вдоль, линии. Разнрст^
елся” между/ полюсами и стенками, волновода, 'Поэтому по уводно-
воду .передаются лишь очень короткие волны. Длина должна
быть такой, чтобы в сечении волновода .уложидись целоечисло
полуволн ;(рис. ;4.9), дли хотя .бы одна, полуволна.,, \ -У
Гибридные .йлиРсмещанные волны представляют .собой нераз-
дельную сумму волн Ё иН и : содержат шесты компонентов поля,
$ ртом числе обе продольные составляю //2< К числу сме-
шанных волн. относятся волны, передаваемьгцщр световодам и ди-
электрически вол невода м. Гибридные смет анные вол цы,, раздел я-
/крхсд на. два .типа: НЕ — с преоблзданием в поперечном сечении
/поля /Е и'ЕН — с преобладанием в поперечном сеченииу поля Е, ,
. .^Наряду с делением на классы электромагнитные-.волн;ьь делятся
.^акже. по типам. ;7ийУболнь£ или мода . определяется.... сложностью
утру кт у ры, т. е. ч и с л ом. макс им ум о в .им и ни м у м о в - пол я . в. п р п ерс ч-
ном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами п и
у' У ' С ' У: / / ТУ............................. ' ' У юз
щ^йндекс л. означает, например, в круглых волноводах щисло .пол-
ных изменений поля по окружности волновода, а индекс т — чис-
ло изменений поля по диаметру. ;
4.9. УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ДЛЯ
РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ волн
Рассмотрим свойства электромагнитных волн различных типов
при передаче по направляющим системам. . ;
Как было показано, продольные составляющие Ez и Н2 в инте-
ресующей нас цилиндрической системе определяются следующими
дифференциальными уравнениями второго порядка:
(4.18)
Допустим, что напряженность электромагнитного поля в на-
правлении оси г меняется по экспоненциальному закону, т. е. А~
™Ao:e~vy где А — любая составляющая векторов Ё и _Й; Ао — на-
чальная составляющая; у— коэффициент распространения. Тогда
первая и вторая производные - -
Подставляя значения второй производной в (4Л8) получаем
(4.19)
где g2 —А2-Ку2=со2цпеа-|-у2; волновое число среды;
у— коэффициент распространения системы; g — поперечное -вол-
новое число системы.
У к аза н н ые фор мул ы поз во л я ют о п ре де лит ь продольные со с та в-
льющие поле й Ez и Н2. Попер е ч н ы е составляющие с вязаны с пр о -
дольными следующими соотношениями:
Используя полученные равенства для различных составляющий
поля, установим некоторые важные соотношения для волн типов Т,
Е и Н.
Для волн типа Т, у которых следует принять
v24-lioec3g)2=^0. Отсюда коэффициент распространения
.у =. ± ico У р.„8о-.
Подставив в эту формулу значение е, получим
- ± TO]/p.nsQ[l — i о/(<Ога)] = а+О.
Тогда коэффициент затухания а и коэффициент фазы р будут опре-
деляться по формулам
Если среда не обладает проводимостью и нет потерь, то
« = 0; = <»Vv-asa’ Г = ± О-
Из этих уравнений видно, что коэффициент распространения
является мнимой величиной и, следовательно, волны распростра-
няются без затухания.
Волновое сопротивление, определяемое как - отношение: напря-
женности электрического поля к напряженности магнитного поля,
для волн типа Т
^Т’“ |/ — или без учета, потерь =
= 376,8 Ом."
Волновые уравнения для волн типа Т примут вид
. 1 г)2£г 0
dr? г дг г2 д'*2
Эти уравнения характеризуют геометрическую структуру поля
волн типа Т. Структура поля волн типа Т не зависит от частоты,
т. е, волны Т не обладают дисперсией.
г &предел им шараметры электрических во л нДЕ и
м а г н и т н ы х рр л н Н. Предположим, что среда, в которой рас-
' ... . 105
г}ррстрФ'ЙЯ1йсй-; В'блн’ы, не ^обладает1 провойимостью са~т/2. Тогда
можно написать, что ' ' ‘ - = •-
Имея в виду, что ^аЕаю2—к2—(2л//с)2=(2л/к)2, получим^2™
~у24-(2л/л)2. Отсюда коэффициент распространения
т = ± у у — (2«Д)2 = ± У у — k\
Из этой формулы видно,, что .при g>k коэффициент распространен
ния является веществен нои вел ич иной, поле в направлении z : за-
тухает, и. энергия не распрощграняется. При g<k вели.чйн.а; у явдя-
ется/мцимойщёличиной, и энергия распространяетсябез затухания^
Случаи- g~k— 2л)к является’- критическим, при котором Ча-
стота. соответствующая этому случаю, называется критической и
определяется из выражения Д—с£/2л.
Критическая длина волны k^cK^2nlk, Величина ^~2лД на-
зывается волновым числом. Отсюда вытекает одна из основных
особенностей волн типов Е и Н.,Эди волны, в отличие от волн типа Т,
могут распространяться, только- начиная с некоторой определенной
критической частоты. Область волн А>А0 и частот /<% является
областью отсечкщщ жоторой /линия не может быть использована^
для обычной передачи энергии.
Имея в виду, что' р—2лД, получим /
7 уТОДШЖ о V..! - Со7Т
В о л н о в о е с о п р о т и в л е н и е д л я в о л' н ' т и п а Е. Вол но-
вым сопротивлением в этом случае называют .отношение попереч-
ной составляющей вектора напряженности электрическогб поля к
поперечной состава я ющей вектора на пряженности маги итного : по-
ля. Для волн типа Ё Продольные- поля Ег ДЙДдО) 'и'ущдвнен-ия
(4.19) запишутся так:
.В
Подставив в (I) значения — и —; из (II), получим
7' д - '-дг . Д' л .7
Используя эти выражения, получаем следующую фбрмулу дйй
волнового сопротивления: - ; Ч'-;; ; 4 ;
ТЗ? = -/Щ + Аф//’<+ ip
106 ...... ........
, Для;'елучШ:ДЙ&гд-а среда, в которой распространяются волны, не
обладает проводимостью, эта формула примет вид:
"2В = y/i<osa. /
Подставляя в эту формулу значения у, получаем
z^=--zBVi-(W8 = zBVi“(/o//)2- Д4-20)
Анализ этой формулы показывает, что волновое сопротивление
волн типа Е в области частот выше критической меньше волнового
сопротивления волн типа Т. При увеличении частоты до бесконеч-
ности волновое сопротивление увеличивается, стремясь к ZBT.
Волновое сопротивление для волн типа Н. Для
этого типа волн Д = 0.
ito'j-Q dHz Е — * dflz
g-r д? ’ .* g2 dr
( <>HZ . ft _____________ 1 dHz
g2 dr g2r dy
Подставив сюда значения dllzjdr и дНг1^ц>, получим
ЕГ = ^Н ; Е - —
Используя эти выражения, получаем следующую формулу для
волновогосопротивления:
г? = у Егг + / /ярЩ/Л = \<^ау
Подставляя в эту формулу значения <о и у, получаем
Ю—Ын2
(4.20
Отсюда видно, что волновое' сопротивлений волн типа Н при
возрастании частоты выше критической уменьшается, оставаясь,
юднако, все время выше волнового сопротивления волн типа Т.
При увеличении частоты до бесконечно-
сти волновое сопротивление волн типаН
стремится к ZBT- При волновое со-
противление волн типа И стремится к
бесконечности. На рис. 4.10 показано
изменение волнового сопротивления волн
типов Е (нижняя кривая), Н (верхняя
кривая) и Т от частоты.
Рис. 4.10. Частотная зависимость волнового, со-
противления различных классов волн: Т, Е, Н
На основании изложенного можно сделать вывод; что для
всех типов волн справедливы уравнения:
У2£г4-^-0; ¥2Я2+^2Яг = 0.
Разница лишь в значениях g\ для продольных электрических и
магнитных волн Е и Н параметр §'2=й2+у2==со2цаеа, а для попе-
речных волн Т параметр g — Q и y=ik—i(D щла-
4.10. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ’
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Фазовой скоростью называется скорость перемещения вдоль ли-
нии фронта определенной волны.
Условие постоянства фазы волны можно записать в виде ра-
венства (at—|3z=const Дифференцируя обе части этого равен-
ства по переменному /, получаем (odt=fidz; dz/dt=ti)/$. Таким
образом, фазовая скорость Оф~о)/р.
Если длина волны в рассматриваемой передающей линии X,
то З=2л/Х и показывает, сколько длин волн содержится в от-
резке данной линии длинной 2л. Тогда
,Цф=(оХ/2л.
Для волн типа Т принимается а==0 (среда, не обла-
дающая проводимостью) и можно написать
Исполвзуя это .равенство, запишем
Уф;- 1/К^ага- (4.22)
через относительные значения диэлектрической и магнитной про-
ницаемостей е, и щ получим
где с—-скорость света в вакууме. Для вакуума щ”8г—1, и фа-
зовая скорбеть волны равна скорости света и не зависит от ча-
стоты.
Для волн тип о в Е и Н коэффициент распространения^ опре-
деляется выражением:
у = ЕрУь~ЖЖ- ™&о/7)2.
Из этого выражения следует, что для частот выше критиче-
ской для волн типов Е и Н:
рф = р/i — (я/АГ = рИ1- (Шг.
Ю8
Данное выражение показывает, что фазовая скорость волн
типов Е и Н всегда больше или в пределе равна скорости света.
Фазовая скорость зависит от частоты и указывает на наличие
дисперсии в этих передающих линиях.
Волны, для которых имеет место дисперсия, называются дис-
пергирующими. Волна типа Т будет недеспергирующей, если
параметры среды ра и не зависят от частоты. Зависимость
фазовой скорости от частоты (f/fo) для различных типов волн
показана на рис. 4.11.
Понятие фазовой скорости относится лишь к режиму устано-
вившихся гармонических колебаний. По линиям же передаются
сигналы, которые можно представить в виде совокупности бес-
конечно большого числа гармонических составляющих. Фазовые
скорости этих составляющих различны. Поэтому для характери-
стики скорости распространения сигнала недостаточно понятия
фазовой скорости и вводится понятие групповой скорости.
Групповая скорость определяет скорость распространения мак-
симума огибающей группы смежных по частоте составляющих
сложного колебания. Она характеризует, таким образом, ско-
рость, с которой распространяется вся группа волн. Скорость
распространения максимума огибающей, т. е. групповая скорость,
Если рассматривать непрерывный частотный спектр модули-
рованного колебания, то в пределе можно написать рГР—
Это формула показывает, что групповая скорость волн, распро/
страняющихся по линии, в общем случае не совладает с фазовой
скоростью; При замене переменных (о=ррф"' и можно
установить связь между групповой игр, фазовой Оф скоростями и
длиной волны X. Произведя простые преобразования, -получаем
• Фгр
Определим выражения групповой скорости для различных ти-
пов волн. Д л я волн тип а Т при а=0, т. с..•'для среды,
не обладающей проводимостью, групповая скорость
109
Сравнивая это выражение с формулой (уф), видим, что груп-
повая скорость равна фазовой скорости. Произведение фазовой
и групповой скоростей для пространства, не обладающего прово-
димостью,
Огр^ф— 1 /ра8а = С2/ргЕг.
Если ел=Цг=1, то произведение фазовой и групповой скоро-
стей равно квадрату скорости света.
Для волн типов Е и Н групповая скорость
^Гр ~ 1 / ^02V*rS Г’
При рг~Ег=1 эта формула примет вид
6Vp = c/i-(W = ^Ki-O)2.
Из формул видно, что групповая скорость всегда меньше ско-
рости света. При увеличении частоты групповая скорость воз-
растает, стремясь к скорости света при частоте, стремящейся к
бесконечности. При f—fo групповая скорость равна нулю. Это зна-
чит, что на частоте /о энергия в направлении оси г не распро-
страняется.
График изменения групповой скорости в зависимости от ча-
стоты приведен на рис. 4.11.
Произведение фазовой и групповой скоростей для волн типов
Е и И, так же как и для волн типа Т, равно квадрату скорости
света (в вакууме).
4.11. ИСХОДНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА
НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
В рамках классической физики уравнения Максвелла дают
возможность решить практически любую электродинамическую
задачу, включая передачу сигналов связи по различным направ-
ляющим системам в разных диапазонах частот. Однако во мно-
гих случаях крайне сложно, а подчас и нецелесообразно искать
точные решения на базе электродинамики. В свое время были
разработаны приближенные методы решения задач различных
классов. Наиболее характерными методами, которые можно счи-
тать предельными для электродинамики, явились методы теории
электрических цепей и геометрической оптики. В первом случае
совершается переход от волновых процессов к колебательным
(длина волны а во втором — к лучевым (геометрическим)
процессам (Х<^Д)(см. рис. 4.12).
В зависимости от соотношения длины волны X и поперечных
геометрических размеров D системы можно подразделить на три
режима передачи -••(табл. 4.4):
ПО
Тд б л и ц г 4.4
|Соотно- Режнм шенйе X и D в Про- цесс Математический аппарат Частота. Гц Длина в:;лны Тип волны Направ- : ляющая .^система.
Квазиста- ционарный г , ?.>О Коле- ба- те ль- ны й Телеграфные уравнения законы Ома и Кирхгофа 0...109 км, м : т ВЛ. :ск, кк. лк. • пл
Электроди4 намически й (резонанс- / ный) Волно- вой Уравнения Максвелла 101»..-1 О12 см. мм F Ei/im В, ДВ. с, лпв
Квазиопти- ческий Луче- вой Уравнения Гюйгенса, Фре- неля 1013...—10*5 1 мкм НЕ, ЕН, Eq/;!, ^0"* с, ок. ДВ
1) квазистационарный при соответствующий низкоча-
стотному диапазону (а->оо); /
2) электродинамический (резонансный) при соответ-
ствующий волновым процессам, описываемым полными. уравне-
ниями электродинамики — уравнениями Максвелла;:>< ,
3) квазиоптический при Х<С Д, охватывающий лучевые про-
цессы лучевой оптики (1->0)."'
В квазистационарном режиме передача ведётся на поперечно-
электромагнитной волне Т. Здесь волновые уравнения, электро-
магнитного поля вырождаются в уравнения электромагнитоста-
тики и решаются с помощью законов Ома и Кирхгофа и обыч-
ных телеграфных уравнений теории цепей. Это справедливо для
частот до 108 ... 109 Гц (метровый диапазон). L
В данном режиме осуществляется передача по двухпровод-
ным воздушным линиям, симметричному кабелюцполосковым ли-
ниям, ленточному кабелю, а также коаксиальному кабелю.
В электродинамическом (резонансном) режима работают НС,
передача по которым ведется на волнах типовоЕ и Н. К. таким
НС относятся волноводы, линии поверхностной волны, а также
коаксиальные кабели при передачах сверхвысоких частот 10ш .
. .. 1012 Гц (сантиметровый и миллиметровый диапазоны) . Одно2
модовые световоды также работают в этом режиме (микронные
ёблны). Этот режим наиболее сложен для исследования, так как
здесь имеют место резонансные процессы (л^Д).
к В квазиоптическом режиме действуют законы геометрической
(лучевой) й волновой оптики. Здесь приходитсщ Иметь дело/с
лазерными системами, диэлектрическими волноводами, / светово-
дами, работающими на смешанных гибридных ролнах (ЕН или
НЕ) й симметричных волнах Eom, Нот в оптическом диапазоне
1013 ... 1015 Гц (микронные волны).
4.12. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЙ И
КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ РЕЖИМЫ
ПЕРЕДАЧИ
Покажем, что из общих уравнений электродинамикиурав-
нений Максвелла в двух предельных случаях можно получить:
при (квазистационарный режим, частоты до 108~9'Тц,
волна — Т) —уравнение однородной проводной линии; ;
при (квазиоптический режим, частоты свыше 1(У3~!5 Гц,
волна ЕН или НЕ)—уравнение геометрической оптикШ
Уравнение однородной линии на основе электродинамики. Рассмотрим про-
цесс распространения плоской электромагнитной волны Т вдоль однородной про-
водной линии.
Ранее показано, что на основе уравнений /Чаксвелла получаются волновые
уравнения второго порядка в виде:
V2£-Fy2£=0,
у2Я-ну2Я = 0,
где у — коэффициент распространения:
У = а + 1 р = |/i соЦд (а 4- i
Имея в виду, что для однородной волны Т продольные составляющие полей
отсутствуют (Ег“0 и Нг — 0) и поле постоянно в плоскости х—у, т. е.
d д
—— =0, получаем выражения для поперечных составляющих в виде:
дх dx
dz2
Применительно к решаемой задаче следует воспользоваться цилиндрической
системой координат (г, ф, г).
Как видно из рис. 4.5, составляющие ЕГ и Н образуют по правовинтовой
системе ведтор распространения.П2 вдоль оси z.
Тогда приведенные вцще уравнения в цилиндрической -сисфеме запишутся:
d2E
0
dz2
Рис. 4.12. Режимы передачи
электромагнитной энергии
по на пр а в л я ющи м с и.стем а м
112
Для установления распределения напряжения и тока
предварительно.найти величины Ег и Н как функции
Воспользуемся выражением " — у2Е/,Л
вдоль линии необходимо
продольной координаты z.
Решение этого уравнения имеет вид
= ЛШ + 5е~1г,
где, А и В — постоянные интегрирования.
Дифференцируя это выражение, получаем
уравнение
используя
— (э i (joeu) Ег, получаем
уО4е1г —Ее 1г) = (а + i аД Ег.
Обозначив волновое сопротивление среды
i ^4:
3 4~ i ’
V i (g- 4-
о 4* i we
получим
° + i ЫЕа
Тогда имеем два уравнения с двумя неизвестными:
Для нахождения постоянных интегрирования А и В воспользуемся граничными
условиями — значениями Ег и в начале линии (z^O).
При ?—О Н^(0)=^АЛ-В; Er(0)/Z — —.A-^B.
Отсюда
^(0)-£r(0),'Z
о ;
£г{0)/2 + Яф(0)
9
Подставив значения Л и В в уравнение и Ег, полуйим;
Н (0)-£r(0) 'Z //a(0)4-£r(0),Z
щ 9 ’ 9“~ :
-Я^0) -Ег(0)/2 Н^О) 4-Ег(0)/2
г. Z— - . : . 9 е -д~ - — р .
./ Рис. 4.13. Падающая, отраженная и ; преломленная:
о волны на границе раздела сред:
Имея в виду, что sh х— (е*—е~*)/2 и ch х= (ех-|-е“х) /2, получим интересующие
нас-значения доставляющих- электрического и магнитного поля в । следующем
виде:-: . : - - : '
Н^—Н^, (0) ch ус—(Er (0)/Zj sh ya
; £Л~£Д0) ch yz—sh yz,
где у —-|Zi(a 4- i'tofeij)—коэффициент распространения; Z — :j/l шра/(аТ~ГФ£д)~
вол новое, сопротивление среды.. ;" У
' -Для сопоставления полученных результатов с уравнениями1 длинных линий
необходимо перейти от составляющих электрических и магнитных полей к токам
и напряжениям. Напряженность магнитного поля И соответствует току 1, а на-
пряженность электрического поля Е напряжению U.
Тогда получим
// = /осЬуг — W0/Z)shfz; 1 (4 93)
W — Uo ch yz — /eZ shy?./
Таким образом,, из общих уравнений Максвелла получили известные урав-
нения однородной линии, распространяющиеся на процессы передачи по двух-
п р о вод ным ли н и ям с и мм етр и чно й и к о а кси а л ьн ой к он стр у кци й в диапазоне п р и -
мернб.до 1.08”9 Гц.
Уравнения лучевой оптики на основе электродинамики. Для этого случая
без учетов.токов Проводимости уравнение Максвелла имеет следующий вид: '
... rot . .д
rot —
Имея 'в- виду очень короткие: длины’ волн оптического диапазона
можно рассматривать движение плоской волны, для которой решение имеет вид:
1) dEx/dz^— itopu/fy; 3) dEyldz~i^aH^:
2) dHy/dz^~-i(i)ZaE.x\ 4) dHx[dz—udteEy.
Решая совместно, например, уравнения 1) и 2), дифференцируем урарненра
1) и, подставляя результаты в уравнение 2), получим ,
^E.xld-z-=^—коеаДх) = (ito)2MaSa£r,
Т. е. -
дг2
114
rj& k --= co K|iaEa os КНоео l^f^r “ ® 'УНоЧ n ~ &n/c ~ 2л n/X, Здесь k —
волновое число среды; n— У|Мг— показатель преломления; к— длина волны.
Решение данного уравнения имеет вид
Ех ~ Де"1 kz + Be* kz.
Соответственно для магнитного поля
Ни = Се"1 kz — De1 kz-
В этих уравнениях первый член, уменьшающийся с увеличением z, харак-
теризует падающую волну £п и а второй член, возрастающий, — отраженную
волну Ео и Но. Тогда имеем Ех = Еп-\-Ео и Ну = Нп—Но.
Во второй среде действует преломленная волна типа Ex = Ferkz и Hy=^G^~kz
Рассмотрим (рис. 4.13) прохождение волны на границе двух сред с разны-
ми оптическими характеристиками (п1~Ур1е1 и = УВгч)’ В среде 1 бу-
дут действовать падающая, отраженная, а в среде 2 — преломленная волна.
Имея.в виду связь между составляющими электрического и магнитного полей
и оптическими характеристиками среды в виде Ну — ExlZ^—ExnlZo, можем на-
писать:
для первой среды £.«—£n-J-£o,
ТГ __ .
^/1 7 7 ? .
.0^0
для второй среды В.Х2 —£пр,
Пр^2
где Ио=|/|До ео —волновое сопротивление воздушной среды.
Приравнивая составляющие £х и Ну первой и второй сред на границе их
раздела при z = 0, получаем: £л-р£о==£пр, Нп—Но=Н„р или по-другому £п+£о=
= £Пр, £nni/Z0—£ortt/Zo=£npft2/Zo. Поделив оба уравнения на £п, получим со-
отношение между падающими (£п, Яц), отраженными (£о, Но) и преломлен-
ными (£пр, Япр) волнами:
Введем общепринятые соотношения— коэффициент отражения р=.Ёр/Еп и ко-
эффициент преломления д=Ёщ>/ЕъН получим
11й
Решая эти уравнения относительно коэффициентов р и q, получаем
Mi —' По
Л 3
Р =—;—,
П1 + П2
} Ж24)
'7^-------...
«3 + п2 )
Таким образом, исходя из общих уравнений Максвелла для квазиоптическо-
го режима, получили известные выражения геометрической оптики (р, q), свя-
зывающие падающие (£п, £п), отраженные (£0, Яо) и преломленные (£Пр, ЯпР)
.-волны с характеристиками сред (коэффициентами преломления щ и я2Г
Иногда пользуются энергетическими коэффициентами отражения (рэ) и пре-
ломления (р5), выражающими отношение отраженных и преломленных потоков
энергии к падающему потоку энергии:
/ Еп \ 2 /п, — п2 ' 2
Z?9 — | — = —--------- I
\£я /
«2 4л1Л
пг \£и ) (щ+щ,)2'
Отсюда видно, что для энергетических параметров действует соотношение
рэ_ц^э=}5 характеризующее закон сохранения энергии.
Полученные выражения справедливы для нормального падения луча, пер-
пендикулярного плоскости раздела сред. В случае падения- луча под углом ф
в выражениях будет фигурировать sin ф.
4.13. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ В
БЛИЖНЕЙ И ДАЛЬНЕЙ ЗОНАХ
.Важнейшим параметром направляющей системы является за-
щищенность ее от внешних помех и степень воздействия ее на
другие цепи. Внешнее электромагнитное поле, создаваемое на-
правляющей системой, является источником помех, наводимых
в окружающих системах. Кроме того, сама направляющая систе-
ма может быть подвержена мешающим влияниям извне. По этим
параметрам (наличие внешних полей и помехозащищенности)
направляющие системы делятся на закрытые и открытые.
В закрытых экранированных системах (коаксиальный кабель,
волновод, световод) электромагнитное поле локализовано в огра-
ниченном поперечном сечении и электрически не связано с окру-
жающими системами
Открытые системы (симметричная цепь, полосковая линия,
диэлектрический волновод, линия поверхностной волны) имеют
внешнее электромагнитное поле, которое действует на значи-
тельном расстоянии и оказывает мешающее влияние на окру-
жающие системы.-.. Поэтому в открытых направляющих системах
116 ....... .. ... ..... .........................
Рис. 4.14. Процесс передачи (1) и про-
цесс ответвления (2) энергии
наряду с процессом распространения энергии вдоль линии часть
энергии ответвляется в поперечном направлении (рис. 4.14).
По характеру электромагнитного поля, излучаемого источни-
ком возмущения (направляющей системой) во внешнее простран-
ство, это пространство делится на две зоны: ближнюю и даль-
нюю. Ближней зоной называется ближайшая к источнику возму-
щения область пространства, для которой длина волны суще-
ственно больше расстояния (л^>г). Дальняя зона — это область
пространства, в которой расстояние от источника существенно
превышает длину волны (г;>Х). Границей раздела этих зон ус-
ловно можно принять равенство расстояния от источника воз-
мущения 1/6 длины волны (г Х/2л Х/3), что составляет, на-
пример, расстояние 0,5 м для частоты Ю8 Гц или 50 м для ча-
стоты 105 Гц.
В ближней зоне, когда расстояние от источника возмущения
не превышает длины волны, поле имеет выраженный электриче-
ский или магнитный характер. В дальней зоне, начиная с
расстояний, примерно больших 6Х, от источника возмущения элек-
трическое поле принимает плоскую конфигурацию и распростра-
няется в. виде плоской волны, энергия которой делится поровну
между электрической и магнитной компонентами.
Сильные магнитные поля, как правило, создаются цепями с
низким волновым сопротивлением, большим током и малым пе-
репадом напряжений, а интенсивные электрические поля — цепя-
ми с большим сопротивлением, высоким напряжением и малым
током. Для плоской волны в свободном пространстве волновое
сопротивление
- ZfH = Zo = KfC/X = 376,8 Ом.
Для поля с преобладающей электрической компонентой вол-
новое сопротивление существенно больше (ZAE>Z°), а для пре-
^обладающего магнитного поля существенно меньше (ZAH<Z0):
значения волнового сопротивления для плоской волны.
Поле, создаваемое источником возмущения (вибратором — ан-
тенной), выражается формулой
/Л sin 8 ( 2кг \ “’"V
Н = -—т—— 1 + 1 -г- ) е
4кг2 ' X /
где /г— размеры вибратора (А<<г); /—ток возмущения. Для бли-
жней зоны — •< 1 получим Яб ---------sin в. Для дальней зоны
> 1 ) , пренебрегая единицей по сравнению со вторым членом
скобки, получим
ЛЛ — i гт sin 6 е
д -ГЛ
Соответственно вектор Понтинга, характеризующий излучае-
мую энергию во внешнем пространстве, примет вид:
п • (/Л)2 Zoa
для ближнеи зоны 11б = 1 — :
32г? г5
гт (W 4
для дальней зоны 1L = -—~—С
д 8л2г2
Электромагнитное поле, действующее в ближней зоне, назы-
вается полем индукции, а в дальней — полем излучения.
В ближней зоне электрическое и магнитное ноля сдвинуты по
фазе на 90° и вектор Понтинга имеет лишь реактивную состав-
ляющую, поэтому вся энергия электромагнитного поля сосредо-
точена около источника возмущения и непрерывный перенос энер-
гии во внешнее пространство, характерный для процессов излу-
чения, здесь отсутствует. В ближней зоне происходят преимуще-
ственно местные перемещения энергии, связанные с периодиче-
скими преобразованиями электрической энергии в магнитную и
обратно. Однако электрические линии, расположенные в ближ-
ней зоне рядом с источником возмущения, подвергаются воздей-
ствию, и в них наводятся мешающие влияния.
В дальней зоне происходит процесс излучения энергии: часть
энергии от источника возмущения переносится во внещнее про-
странство на большее расстояние от источника.
Из вышеприведенных формул видно, что энергия зависит от
длины волны X (соответственно частоты) и расстояния от источ-
ника возмущения — г. Характер этой зависимости различен для
ближней и дальней зон. Из формул видно, что составляющая
индукция очень быстро убывает с увеличением расстояния (1/г5)
и на больших расстояниях от источника (в дальней зоне) стано-
вится значительно меньше составляющей излучения. Составляю-
щая излучения, имеющая малую величину в ближней зоне, убы-
вает с увеличением расстояния существенно медленней
и поэтому она доминирует в дальней зоне. Причем с ростом ча-
стоты составляющая индукции уменьшается (1/f), а составляю-
щая излучения существенно возрастает (f2).
Ниже приведены значения составляющих индукции и излуче-
ния (в условных единицах) для ближней: и дальней зон при
отношении расстояний 1 : 100.
118
- Ближняя зона Дальняя зона
Составляющая индукции................... 1011 10
Составляющая излучения........... . . 10s 104
Отношение составляющих................. 1000/1 1 1000
Из приведенных данных видно, что в ближней зоне в 1000 раз
больше эффект индукции, а в дальней зоне во столько же раз
доминирует эффект излучения.
Применительно к направляющим системам двухпроводного
типа (воздушная линия, симметричный кабель, полосковая ли-
ния и др.) характер электромагнитного поля, ответвляемого от
линии, можно связать с ее поперечными габаритами. Критерием
здесь является соотношение между длиной волны X и расстоя-
нием между проводами цепи а. При т. е. в области сравни-
тельно низких частот, действует эффект индукции и часть энер-
гии за счет электрических и. магнитных связей ответвляется в
близко расположенные цепи и проявляется там в виде помех.
Поле .индукции действует на ограниченные расстояния. При
т. е. в области сверхвысоких частот, когда длина волны ста-
новится соизмеримого с поперечными размерами линии, возникает
излучение энергии' в окружающее пространство (рис. 4.15). -Это
излучение действует на большие расстояния от линии передачи.
Пфичем с ростом частоты оно резко возрастает. При Х<Да боль-
шая/часть энергии идет на излучение в окружающее пространство
и/ передача - вдоль открытой направляющей системы становится
невозможной. . / ... .... .
Явление .излучения математически можно описать с помощью
вблновых уравнений Максвелла:
. rot Я—i6)eQ£, rot Ё—— а:' для Щндукцйй можно пользоваться мВхг: --- -тйто4Й— о, - -;// 0 rot icopa>. ' ' М-'В’ заключение отметим/ что процесс передачи энергий по на- правляющим системам характе- ризуется/ во-перВЬ1х7 распростра- нбниём энергии вдоль системы и, РйсЛ 4.Г5. Эффект излучения электро- магнитной энергии из^ открытой симмет- . ричной цепи ь г % • z . квазистационарным режи- ' 'V ." '; • Г“1 - £*3 s' уДоДО. ; у/ГхК* s' yr- '7^^' FF1 — . И9
Во^ВТорых, величиной внешнего поля, создаваемого в бкружаюЩем
пространстве. Распространение энергии вдоль направляющей Си-
стемы связано с потерями энергии и характеризуется ее затуха-
нием.
Внешнее электромагнитное поле в ближней зоне проявляется
в виде индукции и является причиной перехода энергии на со-
седние цепи и появления в них мешающих влияний. В дальней
зоне электромагнитное поле приводит к излучению энергии и
распространению ее на большие расстояния.
4Л4. ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ ПО ЛИНИЯМ
СВЯЗИ у
Уравнение однородной линии. Качество передачи по линейным
цепям связи и их электрические свойства полностью характери-
зуются первичными параметрами. По физической природе пара-
метры цепи связи аналогичны параметрам колебательных кон-
туров, составленных из элементов Л, L, С. Разница состоит лишь
в том, что в контурах эти параметры являются сосредоточенны-
ми, а в цепях связи они равномерно распределены по всей длине
линий. Параметры R и L, включенные последовательно (продоль-
ные}, образуют суммарное сопротивление Z—^+koG, а пара-
метры * G и С ^поперечные) — суммарную проводимость T—G+
-HwC, Из указанных четырех параметров лишь R и G обуслов-
ливают потери энергии: первый ^тепловые потери в проводах
и других металлических частях кабеля (экран, оболочка, броня);
второй —у потери в изоляции.
однородную цепь связи с первичными парамет-
рами й £, С и G (рис. 4.16). В начале цепи имеется генератор
с. сопротивлением Zo, в конце -^дагрузкаг Zi, Обозначим напря-
жение и ток в начале цепи Gq/o, в конце—Udi. Выделим на рас-
стоянии х от начала цепи бесконечно малый участок dx. Оббзка-
чим-ток, проходящий по элементу ценю dx, черези- напряжение
между проводами через G. Тогда падение напряжения на участке
dx будет равно
—dU/dx=^/(/?-HwL). '
(4.25)
Уте ч к а то к а на уча ст к е
—G(G-hojC).
Рис. 4.16. К расчету однородной
НОЙ ЛИНИИ
кабель-
у^Для „решения этих уравнений относительно U и / исключи^
Сначала величину / из первого уравнения, взяв вторую производ-
ную? .
cW /о I • м
7- —= — (/? +1 «О-
с/х- с/х
<.? ’
Подставим в это выражение (4.26), тогда
^/7/dx2-=I/(/?+:io)L) (G + i6)C).
Обозначим у = У(/?-рicoL) (G-picoC).
Тогда получим
d2U/dx=y2U. ' (4.27)
Решение данного уравнения имеет вид U=Aeyx-}-Be~yx. Диф-
ференцируя указанное уравнение, получим выражение для тока
dV/dx=Ayeyx—Bye~vx=y(AeVA’—Be”vx:) ?
ЙДцставив его в (4.25), получим I =у(Ае ух—Ве~ТА) или,
обозначив
ZB - i O)Z_)/Y = /(/?+ i«L)/(G Д)(дС), (4.28)
?найдем;-
/2в——AeVA'-pBe~VA'.
О-1Таким образом, имеем два уравнения с двумя неизвестными —
Д;лИ- В: ' < J
G=/4e^+BeVA; /ZB=—Ае^-рВе-7Х.Л (4.29)
Для нахождения А и В воспользуемся ^значениями тока и •••на-
цр:®<ения в начале цепи (при х—0) АД : иД. Тогда уравнения
’••::||[49<).\ примут, „вид: „ О.:;.:-
£Д=А -р By IqZe=—А”-р В'
Т|Т;йода-
Подставляя значения А и В в (4.29), получаем:
(Go-/oZB)/2] ev-+ [ (Uo+I^ ........... -
zj=-[(u0-i^
Произведя соответствующие преобразования и имея в виДу,.
что : ch x== (evxH-e“VA) /2 и sh x^ (evx—e^^)/2,- получим значения
напряжения (Д и тока 1Х в любой точке цепи х:
х Iо ^х 1qZ^ sh у х, | (4.30)
70chyx — (Go/ZJshyx. J . .........
121
В конце цепи при х==/ имеем,
b'z = {70сЬу/ —/0ZBshY7; 1 , (4 31)
/г == Z„ch у/— (E70/ZB) sh у/. J
Практически оказывается удобнее пользоваться выражения-
ми, устанавливающими зависимость напряжения, и тока в ьщчадр
цепи от напряжения и тока в конце цепи. Тогда, решая, (4.3^
относительно Uq и /о, получаем: ,
77О ///Chy/ !-/,ZnshY/; 1 (4.32)
/0 = I, ch у/Ч-(Z7;/ZB) shy/J
Уравнения (4.30) —(4.32) устанавливают взаимную связь то-
ков и напряжений с параметрами цепи R, L, С и G или у и ZB и
позволяют определить напряжения и ток в любой точке цепи в
зависимости от значений U и / в начале или конце ее. Эти урав-
нения справедливы при любых нагрузках (Zo и Z/) на концах
цепи.
При согласованных нагрузках Z:~Z/=ZB и Uq/lQ=Uifli=Z^
уравнения (4.30),— (4.32) упрощаются и принимают вид: Л
Ux = Uorlx; и0:= и^1: U t U \ ’ ^33)
Л = /Ое-Ц /0 = /;ev; /,=/.е"1'. J ;
Практически наиболее часто пользуются уравнениями в виде
и /О/Л = е^. ’ ; (4/34)
Аналогично для мощности P— UI получим, А''
^б/р/;==е2уд (4 35)
Таким образом, получены уравнения однородной цепи .в. общ§м
виде, при любых нагрузках по концам (4.30) — (4,32) и приду
гласованных нагрузках (4.33) — (4.35).
Из приведенных формул следует, что распространение . энер-
гии по линии, ток и напряжение в любой точке цепи, обусловлены
в первую очередь параметрами у и ZB.
Волновое сопротивление. Волновое (характеристическое) со-
противление ZB и коэффициент распространения у являются вто-
ричными параметрами линии и широко используются для оценки
эксплуатационно-технических качеств линии связи. Волновое
сопротивление — это сопротивление, которое встречает электро-
магнитная волна при распространении вдоль однородной линии
без отражения, т. е. при условии, что на процесс передачи не
влияют несогласованности на концах линии. Оно свойственно
данному типу кабеля и зависит лишь от его первичных парамо-
ров и-частоты передаваемого тока.
122 .... ............. .....
Электромагнитную волну можно представить в виде двух волн:
волны напряжения, соответствующей электрической энергии, и
волны тока, соответствующей магнитной энергии. Количествен-
ное соотношение, имеющее место между волной напряжения и
волной тока в линии, и есть волновое сопротивление цепи. При
этом, как следует из данного выше определения волнового со-
противления, необходимо рассматривать лишь падающую (дви-
жущуюся вперед) электромагнитную волну: Zb~Un/In. Если в
линии выделить отдельно отраженную волну, то она, двигаясь
к началу линии, также будет встречать сопротивление, равное
волновому сопротивлению: Z^~Uq/K.
Волновое сопротивление рассчитывается по формуле
2B = /(/?+i<»0/(G + i®C). (4.36)
По своей физической природе, что также следует из приве-
денной формулы, величина ZB не зависит от длины волны и по-
остоянна в любой точке цепи.
В общем виде волновое сопротивление является комплексной
величиной и может быть выражено через его действительную и
i <р
мнимую части: ZB=|ZB|e — |ZB| cos cpB—i|ZB| sin cpB.
Коэффициент распространения. Электромагнитная энергия, рас-
пространяясь вдоль линии, уменьшается по величине от начала
к концу линии. Ослабление или затухание энергии объясняется
потерями ее в цени передачи. Следует различать два вида потерь
энергии: в металле и в диэлектрике. /При прохождении тока по
'.?Обельн°й цепи происходит нагревание токопроводящих жил и
создаются тепловые потери энергии. С ростом частоты эти поте-
ри увеличиваются: чем больше активное сопротивление цепи,
тем- больше потери энергии в металле. Потери энергии в диэлек-
трике обусловлены несовершенством применяемых диэлектриков
(бумаги, резины и др.) и затратами энергии на диэлектрическую
поляризацию (G=G)Ctg6). Все эти потери учитываются посред-
ством коэффициента распространения у.
Коэффициент распространения у является комплексной вели-
чиной и может быть представлен в виде суммы действительной
и мнимой частей ее:
л у a -j- i р — )/(/? + i coL) (G-ф i coC), ~ (4.37)
Уравнение для токов и напряжения можно представить в
следующем виде:
Д/Д = /0//г = е(а+'3) ‘ = е°'е’3' = Де”.
" Модуль этого выражения Л = еа/ характеризует уменьшение
абсолютного значения тока или напряжения при прохождении
по линии длиной. L Угол ф==(М характеризует изменение, угла век-
\ ...........л' С 123
торов тока или напряжения на этом же участке линии длиной
Аналогичные выражения для мощностей имеют вид
—(4.38)
Следовательно, действительная часть — а/ коэффициента рас-
пространения показывает уменьшение электромагнитной энергии
в конце линии по сравнению с началом:
I U./Ui | = | /0/Л | =eaZ; PQ/Pt=^. (4.39)
Мнимая часть выражения — £/ показывает изменение фазы
(угла) при распространении энергии по цепи:
₽/==Фоь--“фш==Фог—ф/Л 2р/=фор—ф/р- (4.40)
При передаче сигналов связи параметры а и р характеризу-
ют соответственно затухание и изменение фаз тока, напряжения
и мощности на участке кабельной цепи длиной 1 км и называ-
ются коэффициентом затухания и коэффициентом фазы. Коэф-
фициент распространения y—a-pip одновременно определяет из-
менение сигнала как по абсолютной величине, так и по фазе
на 1 км длины кабеля.
Логарифмируя обе части приведенных выше выражений, полу-
чаем формулы для расчета величины затухания:
а/=1 п | Uq/Ui | = In | Iq/Ii |; [In (Ро/Л) ] /2. (4.41)
Затухание цепи связи (a=az) принято оценивать в децибелах
(белах) или неперах. Для децибелов (белов) используется десятич-
ная система логарифмов, а для неперов — натуральная.
Затухание в 1 бел (Б) соответствует уменьшению мощности
в 10 раз, а тока или напряжения — в 3,17 раза:
n=lg (Pq/Pi) или Po/Pz=IOq=1O;
а—2 1g |Uq/Ui\ = 2 1g |/0/A| или
Децибел является одной десятой частью бела. Соответствен-
но получим, что затухание в 1 децибел (дБ) характеризует умень-
шение по мощности в 1,26 раза и по току или напряжению-- в
1,12 раза:
a—lOPgpQ/Pi или Ро/Рг“1О°’1а== 10°л—1,26;
п=20 1g | t/o/£7r| =20 lg | Z0//z | или
I Uo/Ut | = | Zo/Zz J -100>05* =132.
Ниже приведены значения в децибелах при различных соот-
ношениях мощности (табл. 4«5).
Ж
7 а б л и ц а 4.5
Ж ДБ 0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10п
1,02 1,26 1,58 1,99 2,51 3,16 3,98 5,01 8 9 10
Затухание в 1 непер (Нп) соответствует уменьшению мощно-
сти в е2 = 7,4 раза, а тока или напряжения — в е = 2,718 раза:
. ; a— [In (Pq/Pi)];2 или P0/P/ = e2fl = e2 = 7,4;
а~In | Uq/Ui\ =ln |/о/Л| или
I CV Н /о///1 =е‘ = е- 2,718.
Между децибелами и неперами существует следующее соотно-
шение:
г а(дБ)=20 1е | €/0/£7/J =20 lg е“(Нп) = 20a(Hn) 1g е =
= 20а(Нп)0,4343=8,686(Нп), т. е. а(дБ) =8,686(Нп).
Следовательно, 1 Нп = 8,686 дБ или 1 дБ = 0,115 Нп.
Переводная таблица Нп — дБ и дБ — Нп приведена в прило-
жениях Л и 2.
Коэффициент фазы р измеряется в радианах или градусах
на 1/км (1 рад=57,3°). Характер изменения тока вдоль одно-
родной линии изображен на рис. 4.17. Вектор тока уменьшается
по экспоненциальному закону и изменяет фазу вдоль линий,
л
(Т'а блица 4,6
• Соотношение между величи- намн R и вдЬ Расчетные формулы Область применения формул
а, Нп/км* 3, рад/км ZB, Ом
1 1 с ; Э Э ,i |/flG 0 Vr. g Постоянный ток (f = 0)
7?/((oL)>50 ^/{e>L)>5 - - U- ’ / ’ VaCR/2 /иС/2(R—wL) К»СЛ/2 |>O?/wC e~! 4o° Тональные часто- ты (f ~ 800 Гц)
coL//?>3,5 (Я/2)|/С/£ + + (G/2) /L'C ш /ТС V'L C Высокие частоты и кабели с повы- шенной индуктив- ностью
0,3<R/(t£>L)<5 Y=»+₽= !/(/?+•«>£)/((?+'* Промежуточные частоты
— V wL) (G-pi tcC) +-i«C)
• Для получения коэффициентов а, дБ/км, необходимо полученное значение умножить
на переводной коэффициент 8,69.
125
Рис. 4.17. Характер изменения тока
вдоль однородной линии
Рис. 4.18. Частотные зависимости ко
эффициента. затухания а и коэффици
ента фазы 3
Вторичные параметры кабельных линий сц р и Z8 можно рас-
считывать по сокращенным формулам, приведенным в табл. 4.6
для различных частотных диапазонов.
На рис. 4.18 показана типовая частотная зависимость коэф-
фициента затухания и коэффициента фазы линии. Коэффициент
затухания а, равный при постоянном токе yRG, вначале растет
резко, а затем более плавно. Коэффициент р растет от нуля почти
по прямолинейному закону.
Общий вид частотной зависимости волнового сопротивления
цепи иллюстрируется графиком, изображенным на рис. 4.19. Мо-
дуль волнового сопротивления ZB с изменением частоты умень-
шается от значения ^R/G (при f=0) до ^L/C и сохраняет эту
величину во всей области высоких частот. Угол волнового сопро-
тивления равен нулю при и на высоких частотах, а на то-
нальных частотах (/^800 Гц) имеет максимальное значение.
В кабельных линиях угол всегда отрицателен и по абсолютной
величине не превышает 45°, что свидетельствует о преобладании
емкостной составляющей и емкостном характере волнового сопро-
тивления кабелей.
Скорость распространения электромагнитной энергии по це-
пям связи. Электромагнитная энергия распространяется по ли-
нии с определенной скоростью. Посланный в линию сигнал до-
стигает конца ее лишь через соответствующий промежуток време-
ни. Скорость передачи зависит от параметров цепи и частоты то-
ка. Она определяется из выражения v — <о/р.
Из этой формулы видно, что скорость распространения явля-
ется функцией частоты /=(о/2л и коэффициента фазы р, который
в свою очередь зависит от первичных параметров линии. Таким
образом, если затухание цепи определяет качество и дальность
связи, то коэффициент фазы р обусловливает скорость движения
энергии по линии.
126
Рис. 4.19, Частотная зависи-
мость волнового сопротив-
ления ZB
Рис. 4.20. Частотная зависимость
скорости распространения элект-
ромагнитной энергии V ’
В диапазоне высоких частот, когда р = соУЛС, скорость не за-
висит от частоты и определяется лишь параметрами кабеля:
и- о/р - 1//ЁС. . / (4.42)
При постоянном токе
_________ 1 __________
ж УК [(/ЩЖ4-У'₽ё71б)/2] °
На рис. 4.20 представлена частотная зависимость скорости
распространения электромагнитной энергии по кабельным лини-
ямс диаметром токопроводящих жил 1,2 мм. - : ;
Анализируя приведенные выше формулы и кривые, можно от-
метить, что с возрастанием частоты скорость распространения
электромагнитной энергии по кабельным линиям также сущест-
венно возрастает. Скорость распространения< электромагнитной
энергии по линии при постоянном токе составляет примерно
10 000 км/с, а при токах высоких частот имеет величину;-порядка
/250 000 км/с, приближаясь к скорости света/ (с=300000 км/с).
4.15. СВОЙСТВА НЕОДНОРОДНЫХ ЛИНИЙ -
к , ' ' .; ТЖ---. Ж-' Ж
} • Исход н ы е пол рже н и я. Р а се:мо.т р ен н ы е выше, я в л е н ня относи-
лись к линии, однородной по своим электрическим характеристи-
кам на всем протяжении и нагруженной по концам: аппаратурой
с сопротивлением, равным волновому (Zq—Z±—Z3),.жВ^этом слу-
чае отраженных, электромагнитных волн нет и вся передаваемая
/энергия полностью поглощается приемником, электрические, про-
/ цресь! в линии описываются упрощенными уравнениями,, а зату-
хание линии определяется ее собственным затуханием. Поскольку
кабельная линия однородна и нагрузки согласованы, сопротивле-
ние в любой ее точке одинаково и равно волновому. Такое состо-
яние линии наиболее благоприятно для прохождения сигналов
связи; и его стремятся создать в практике устройства магистра-
лей дальней связи:
Значительно более сложные электромагнитные процессы воз-
никают в неоднородных линиях и при несогласованных нагрузках.
В местах электрических несоответствий возникают отражённые
волны, некоторая доля Энергии возвращается к началу цепи. Сле-
довательно, в приемник Поступает лишь часть энергии, по абсо-
лютной величине меньшаяДчем при согласованной нагрузке.
г В неоднородной линии отраженные волны искажают частот-
ную характеристику собственного волнового сопротивления кабе-
ля. Подключенный ко входу цепи измерительный прибор покажет
уже не волновое, а входное сопротивление ZBX, характеризующее
новое электрическое состояние линии. Затухание неоднородной
линии представляет собой суммарную величину, включающую,
кроме собственного затухания кабеля, также затухание за счет
неоднородности электрических характеристик цепи. Дальность
связи по такой кабельной линии будет обусловливаться не собст-
в е ни ьгм з а тух а и и ем л и н и иа — а • /, а ее рабочим за тух анием ар.
Количественное соотношение между энергией, поступившей к
приемнику и отраженной, зависит от соотношения сопротивлений
приемника Zi и волнового ZB и характеризуется коэффициентом
отражения р— (Z/—ZB)/(Z/4~ZB)i При согласованной нагрузке
(Z/ —ZB) коэффициент .отражения превращается в пуль и энергия
полностью поглощается приемником. При замыкании конца цепи
накоротко (Zz — 0) и при холостом ходе-(Z/= оо) коэффициент от-
ражения соответственно равен — 1 и 4-1.
Следует отметить, что передача электромагнитной энергии по
неоднородным линиям находится в неблагоприятных условиях, и
качество ••связи- по ним может быть совершенно неудовлетвори-
тельным;.-;.
; Рассмотрим свойства линий: с тгесогласбваггпыми • нагрузками
поШонцамги неоднородных по длине:
Линии с несогласованными нагрузками по концам. Входным
сопротивлением ZBX такой линии будет сопротивление, измерен-
ное на входе линии при любом нагрузочном сопротивлении на ее
конце. Величина ZBX выражается отношением напряжения UQ
к току /0 в начале линии и в общем виде может быть получена
из (4.32):
ZBX=U0//Q^Zsth(yl+n), (4.43)
где
р — коэффициент отражения.
чет
Если линия имеет согласованную нагрузку (Z/=ZB), то ZBX=
= ZB, и коэффициент отражения р= 0. Для электрически длинной
линии при любой нагрузке на ее конце ZBX = ZB.
В отличие от волнового сопротивления входное сопротивление
линии зависит от длины линии и сопротивления нагрузки. Это
объясняется тем, что при несогласованной нагрузке (т. е. при
Zx#=ZB) в линии возникают отраженные волны, которые, взаимо-
действуя с падающими, изменяют соотношение напряжения и то-
ка в начале линии (ZBX= [/о//0)-. Аналогичные, но еще более слож-
ные процессы происходят в составных линиях, в кабелях с кон-
структивными неоднородностями и других случаях наличия не-
однородности электрических характеристик кабельной магист-
рали.
Входное сопротивление линии можно также выразить через
величину эквивалентного коэффициента отражения р, отнесенную
к началу линии в виде
ZBX = ZBpLC~ZB(l +2/7).
1 — р
(4.44)
Зависимость входного сопротивления кабеля от частоты при
нагрузочном сопротивлении Z/2ZB показана на рис. 4.21.
Рабочее затухание цр является затуханием кабельной цепи в
рабочих условиях, т. е. при любых нагрузочных сопротивлениях
(Zo и Z/) на концах (рис. 4.22). Оно представляет более общий
параметр, так как, кроме собственного затухания кабеля а =
учитывает также влияние несогласованности на стыках кабеля
(ZB) с нагрузкой (Zo и Z/).
Рабочее затухание рассчитывается по формуле
ар = а/+1п|(г0 + гв)/2И-гл1 +
+ 1П I (Z; +ZB)/2KZzZB I j m ! 1- | , (4.45)
где pi и р2—- коэффициенты .отражения.на стыках/ «генератор —
кабель» и «приемник — кабель»:
pi—(Zo—ZB)/(Zq-|-Zb) и р2?= (Z/—ZB)/(Z/-}-Zb).+
Рис 4.22. к расчету рабочего затуха-
ния
Рис. ; <21. Частотная зависимость
входного сопротивления, цепи ZB<
. / . V-+h:/- . 129
Выражение (4.45); состоит из четырех слагаемых: первое сла-
гаемое выражает собственное затухание кабеля а/; второе и
третье ™ дополнительные затухания вследствие несогласованно-
сти сопротивлений генератора и кабеля" Zo-^Za, а также приемни-
ка и кабеля Z/:#=ZB; четвертое слагаемое равно дополнительному
затуханию' от взаимодействия несогласованностей в начале и в
конце линии. Если обеспечить согласование нагрузочных сопро-
тивлений в начале и в конце линии (Z0 = Zz—ZB), то в этом слу-
чае в (4.45) останется лишь первое слагаемое и рабочее затуха-
ние окажется равным собственному (ар—а/).
Как следует из (4.45) и "физической природы явлений, рабочее
Затухание в общем случае всегда больше собственного затухания
(ар>а/). Однако в некоторых случаях может оказаться, что до-
полнительные слагаемые — второе, третье, четвертое — отрица-
тельны и соответственно величина рабочего"затухания может ока-
заться меньше собственного затухания (ар<?а/). Это произойдет
тогда, когда сопротивление нагрузки (Zo или Zz) и волновое со-
противление кабеля будут иметь фазы разных знаков, т. е. в слу-
чае сочетания сопротивлений емкостного и индуктивного харак-
тера. д
Линии неоднородные по длине. Различают неоднородности
внутренние — в пределах строительной длины кабеля и стыковые,
обусловленные различием характеристик сопрягаемых строитель-
ных длин. Стыковые неоднородности, как правило, превышают
внутренние. Неоднородность кабеля сказывается, главным обра-
зом, на волновом сопротивлении кабеля, величина которого на
участках неоднородности отличается от номинальной.
Неоднородности цепи учитываются через коэффициент отра-
жения
P=(Zb/-Zb)/(Zb/+Zb)=AZb/2Zb, (4.46)
где ZB и Zb'— волновые сопротивления соседних неоднородных
участков кабеля; AZB — величина отклонения волнового сопрр-
тив ления ;AZa=^-2pZB.
Реальный кабель можно рассматривать •как;-^
цепь, составленную из отдельных участков. Электромагнитная
волна, распространяясь по такому кабелю и встречая на своем
пути неоднородность, частично отражается от нее и возвращает-,
ся к началу линии. При наличии нескольких неоднородных участ-
ков волна претерпевает серию частичных отражений и, циркули-
руя по линии, вызывает дополнительное затухание и искажение
характеристик цепи.
Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух
дополнительных потоков энергии: обратного, состоящего из сум-
мы элементарных отраженных волн в местах неоднородностей и
движущегося к началу цепи, и попутного, возникающего по зако-
ну двойных отражений, вследствие того, что первоначально одра-
рис. 4.23. Схема образования обрат-
ного и попутного потоков в нерегу-
лярной 'ЛИНИИ
Ценные волны, движущиеся к
щачалу цепи, встречая места
•Неоднородностей, частично от-
ражаются и направляются к
концу линии (рис. 4.23) ь
Обратный поток приводит к
колебаниям входное сопротив-
ление кабеля ZBX, т. е. характеристика ZBX становится волнообраз-
ной. Это затрудняет согласование кабеля с аппаратурой на кон-
цах линий и приводит к искажениям в цепи передачи. Попутный
поток искажает форму передаваемого сигнала и также создает
помехи в передаче. Особенно страдает из-за этого качество теле-
визионной передачи, для которой фазовое соотношение переда-
ваемых и принимаемых сигналов является решающим фактором.,
Для нормальной передачи телевизионных сигналов попутный по-
ток должен составлять не более 1% основного.
Высококачественная телефонная связь требует отсутствия
амплитудных искажений в цепи передачи и в первую очередь по-
стоянства ZB.
Попутный поток обусловлен в первую очередь отклонением
волнового сопротивления кабеля, причем попутный поток за счет
внутренних неоднородностей прямо пропорционален длине ка-
бельной линии, а за счет стыковых неоднородностей числу стро-
ительных длин кабеля.
Следует иметь в виду, что в аналоговых системах передачи с
/частотным разделением каналов попутный поток надо учитывать
по всей длине линии. В цифровых системах передачи с времен-
ным разделением каналов попутный поток лимитируется длиной,
регенерационного участка.
С целью повышения однородности кабельных линий связи про-
изводится группирование строительных длин, и они прокладыва-
ются с таким расчетом, чтобы отклонение электрических характе-
ристик не превышало определенных значений. Коаксиальные ка-
* бели группируются по величинам волнового сопротивления, а
симметричные — электрической емкости.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Природа и свойства электромагнитного поля.
2. Основные уравнения электродинамики.
3. Исходные принципы расчета направляющих систем.
4. Какие классы и типы волн действуют в направляющих системах?
5. Сравните; электромагнитные процессы в проводниках и диэлектриках... .
. 6.. Скажите о граничных условиях векторов электро магнитцбгб поля.
.... .131
7. Особенности вихревого и потенциального полей.
8. Сравните различные режимы передачи по направляющим системам (квази-
стационарный, электромагнитный, квазиолтнческий).
9. Какой физический смысл уравнения Умова — Понтинга?
10. Скажите об особенностях полей в ближней и дальней зонах.
11. Особенности расчета параметров электрических и оптических кабелей.
12. Основное уравнение однородной линии в квазистационарном режиме.
13. Параметры передачи по линии л их частотная зависимость.
14. Теория неоднородной линии.
Глава 5. ТЕОРИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
КОАКСИАЛЬНЫЕ КАБЕЛИ
5,1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В
КОАКСИАЛЬНЫХ ЦЕПЯХ 1
Способность коаксиальной цепи (пары) пропускать широкий
спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным рас-
положением внутреннего и внешнего проводников. Особенности
распространения электромагнитной энергии по коаксиальной па-
ре обусловливают возможность передачи широкого спектра частот
н ставят высокочастотные связи в преимущественное положение
по сравнению с низкочастотными. Как будет показано ниже, вза-
имодействие электромагнитных полей внутреннего и внешнего
проводников коаксиальной пары таково, что внешнее поле равно
нулю. Рассмотрим раздельно электрическое - и магнитное поле
коаксиальной пары.
Результирующее магнитное поле коаксиальной пары представ-
лено на рис..Д.1, где показаны также напряженности магнитного
поля Hfpa и Н(/ каждого проводника (щи б) в отдельности. В ме-
таллической толще проводника а магнитное поле .Яфа возрастает,
а вне его---уменьшается по зако-
ну Яфа= Iгде г — расстоя-
ние от центра проводника. Поле
Яфб проводника б вне его выра-
жается таким же уравнением,
как и для сплошного проводника:
Яфб = 1/2лг, где г — расстояние
от центра полого проводника. По-
Рис. 5.1. Магнитное поле коаксиальной
цепи . ;
этому при определении внешних магнитных полей коаксиального
кабеля параметр г для проводников а и б принимается одинако-
вым и исчисляется от центра проводников (нулевой точки).
Учитывая, что токи в проводниках а и б равны по величине и
обратны по знаку, магнитные поля внутреннего и внешнего про-
водников Нча и /Л.5 в любой точке пространства вне коаксиаль-
ной пары также будут равны по величине и направлены в разные
стороны. Следовательно, результирующее магнитное поле вне
коаксиальной пары равно нулю:
Нч = Н^+Н^ + (~//2лг) =0.
Таким образом, силовые линии магнитного поля располагают-
ся внутри коаксиальной пары в виде концентрических окружно-
стей; вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Элек-
трическое поле внутри коаксиальной пары также замыкается по
радиальным направлениям между проводниками а и б, а за ее
пределами равно нулю.
На рис. 5.2 изображены электромагнитные поля коаксиальной
и симметричной цепи. Как видно из рисунка, электромагнитное
поле коаксиальной пары полностью замыкается внутри нее, а си-
ловые линии электрического поля симметричной пары действуют
на довольно значительном от нее расстоянии. Отсутствие внеш-
него электромагнитного поля обусловливает основные достоинст-
ва коаксиальных кабелей: широкий диапазон частот, большое чис-
ло каналов, защищенность от помех и возможность организации
однокабельной связи. В симметричных цепях из-за наличия внеш-
него электромагнитного поля возникают вихревые токи в сосед-
них цепях и окружающих металлических массах (свинцовой или
алюминиевой оболочке, экране и т. д.) и часть энергии рассеива-
ется в виде потерь на тепло.
Рассмотрим действие поверхностного эффекта и эффекта бли-
зости в коаксиальных парах и определим характер распределения
плотности токов в проводниках при различных частотах.
Рис. 5.2. Электромагнитное поле симметричной (а) и коаксиальной (б) цепей
Рис. 5.3. Распределение плотности тона
во внутреннем проводнике (поверхност-
ный эффект)
Рис. 5.4. Распределение плотности
тока во внешнем проводнике
Распределение плотности тока во внутреннем проводнике оп-
ределяется лишь действием поверхностного эффекта (рис. 5.3).
Силовые линии внутреннего магнитного поля, пересекая толщу
проводника, наводят в нем вихревые токи, направленные по зако-
ну Ленца против вращения рукоятки буравчика. Как показано
на рис. 5.3, вихревые токи /в.т в центре проводника имеют направ-
ление, обратное движению основного тока, протекающего по про-
воднику, а на периферии их направления совпадают.
В результате взаимодействия вихревых токов с основным про-
исходит такое перераспределение тока по сечению проводника,
при котором плотность его возрастает к поверхности проводника.
Данное явление, носящее название поверхностного эффекта, уве-
личивается с возрастанием частоты тока, магнитной проницаемо-
сти, проводимости и диаметра проводника. При достаточно высо-
кой частоте ток протекает лишь по поверхности проводника, что
вызывает увеличение его активного сопротивления.
Во внешнем проводнике плотность тока увеличивается в на-
правлении к ее внутренней поверхности. Это объясняется воздей-
ствием поля внутреннего проводника. Если бы внутреннего про-
водника не было, то переменный ток, проходя по внешнему про-
воднику, вследствие поверхностного эффекта вытеснялся бы на
внешнюю поверхность. При наличии внутреннего проводника
плотность тока увеличивается на внутренней поверхности внеш-
него проводника.
Рассмотрим процесс перераспределения плотности тока во
внешнем проводнике б за счет воздействия поля внутреннего про-
водника а. Как показано на рис. 5.4, переменное магнитное поле,
создаваемое тоцом проводника а, наводит в металлической тол-
ще полого проводника б вихревые токи /в,т. На внутренней по-
верхности проводника б вихревые токи совпадают по направле-
нию с основным током ..(/+/в.т), а на наружной поверхности дви-
134 . ............... ' ..
Рис. 5.5. Концентрация токов на вза-
имно обращенных друг к Другу по-
верхностях проводников а н б
рабочий ток
шша ток помех
Рис. 5.6. Рабочий ток и ток помех в
коаксиальной цепи
жутся против него (7—/в.т). В результате ток в проводнике пере-
распределяется таким образом, что его плотность возрастает в
направлении к внутренней поверхности. Следовательно, токи в
проводниках а и б как бы смещаются и концентрируются на вза-
имно обращенных поверхностях проводников (рис. 5.5).
Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока
на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверх-
ность проводника б. По-другому, поверхностный эффект можно
объяснить как проникание электромагнитного поля в толщу про-
водника. Причем чем выше частота, тем меньше глубина про-
никновения поля в металл. В результате энергия сосредоточива-
ется внутри коаксиального кабеля в диэлектрике, а проводники
задают лишь направление распространению волн электромагнит-
ной энергии.
Мешающее электромагнитное поле высокой частоты, создавае-
мой соседними цепями передачи или другими источниками по-
мех, действуя на внешний проводник коаксиальной пары, также
будет распространяться не по всему сечению кабеля, а лишь по
его наружной поверхности. Таким образом, внешний проводник
коаксиальной пары выполняет две функции: 1) является обрат-
ным проводником цепи передачи; 2) защищает (экранирует). пе-
редачу, ведущуюся по кабелю, от мешающих влияний/
Из рис. 5.6 видно, что основной ток передачи концентрируется
/да внутренней поверхности внешнего проводника, а ток помех —
на наружной стороне внешнего проводника. Как основной ток,
гак и ток помех проникают в толщу проводника лишь на глуби-
ну, определяемую коэффициентом вихревых трков. Причем/чем
выше частота, тем больше отдаляются друг от друга указанные
/•токи и, следовательно, кабель лучше защищен от действия по-
сторонних помех. Таким образом/в отличие от всех других типов
' 135
кабелей, требующих для защиты от помех специальных мер (сим-
метрирования, экранирования и т. д.), в коаксиальных кабелях на
высоких частотах это обеспечивается самой их конструкцией.
Из изложенного следует, что основные преимущества коакси-
ального кабеля (малое затухание и высокая помехозащищен-
ность) особенно ярко проявляются в высокочастотной части пе-
редаваемого спектра частот. При постоянном токе и на низких
частотах, когда ток практически проходит по всему сечению про-
водника, достоинства этого кабеля пропадают. Больше того, ко-
аксиальная цепь как несимметричная относительно других цепей
и земли (параметры ее проводников а и б различны) в низком
диапазоне частот по защищенности от помех уступает симметрич-
ным кабелям.
5.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
КОАКСИАЛЬНОЙ ЦЕПИ
Если коаксиальную пару раетюложить так, чтобы ее ось со-
впадала с осью z, то электромагнитное поле вследствие цилиндри-
ческой симметрии не будет зависеть от координаты ф. Кроме то-
го, по физическим соображениям будет отсутствовать составля-
ющая Нг— напряженность магнитного поля по оси г. Также от-
сутствуют тангенциальная составляющая напряженности элек-
трического поля и радиальная составляющая напряженности
магнитного поля Нг.
Таким образом, применительно к коаксиальной паре идеаль-
ной конструкции действуют лишь три составляющие электромаг-
нитного поля: £г, £г, Нч. (рис. 5.7). В результате электромагнит-
ное поле коаксиальной пары определится следующими уравне-
ниями:
(ю-Е icoea) Ег\
дНч./дг-\-Н((/.г~
dEJdz—дЕ2!дг——](ораЯФ.
(5.1)
В этих уравнениях составляющие на-
пряженности электромагнитного поля зави-
сят от двух переменных: г и z. Напряжен?
ность магнитного поля коаксиальной пары
содержит только одну составляющую
Это означает, что линии магнитной индук-
ции располагаются концентрически вокруг
осц z.
Рис. 5.7. Составляющие электромагнитного поля
коаксиальной цепи
136
Электрическое поле характеризуется двумя составляющими:
радиальной Ег и продольной Ez. Радиальная составляющая Е.г
обусловливается наличием тока смещения в диэлектрике /см и
совпадает по направлению с вектором плотности последнего. Про-
дольная составляющая Ez характеризует ток проводимости /пр в
проводниках; направленный вдоль кабеля.
Для изучения явлений, происходящих в коаксиальной паре,
необходимо рассмотреть два процесса: распространение энергии
вдоль пары и поглощение ее проводниками (внутренним и внеш-
ним). В первом случае энергия направлена вдоль оси г, а во вто-
ром— внутрь проводников по составляющей г. Оба процесса оце-
ниваются и характеризуются с помощью теоремы Умова — Пойн-
тинга (см. § 4.5).
5.3. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО ИДЕАЛЬНОЙ
КОАКСИАЛЬНОЙ ЦЕПИ
В данном параграфе рассматривается передача энергии по
коаксиальной паре идеальной конструкции, т. е. без учета потерь
в проводниках. Движение энергии вдоль цепи подчинено закону
Умова — Пойнтинга, по которому вектор распространения энер-
гии вдоль образует с составляющими электрического Ег и магнит-
ного полей правовинтовую систему:
Гг=
О
Энергия на пути своего движения встречает сопротивление сре-
ды Zz, которое математически выражается через отношение со-
ставляющих полей, образующих с вектором Пойнтинга правовин-
товую систему Zz=Er/H4. Таким образом, при рассмотрении про-
цесса распространения электромагнитной энергии вдоль коакси-
альной пары надлежит оперировать составляющими полей Ег и
7/ф, которые связаны между собой следующими соотношениями:
—дНц1д?= (o4-iwra)Ef;
dErfdz ——(5.2)
Здесь принято, что dEz!dr = Q, так как не учитываются про-
дольная составляющая поля и соответственно потери в провод-
никах. - ;
Для установления распределения напряжения штока вдоль
проводников необходимо найти величины Ег и как функции пе-
ременной д. Причем для составляющих полей в направлений
оси z действует экспоненциальный закон изменения, выражаю-
щийся равенствами:
—Я<гОе-?г,.. "'(5.3)
.... .. .. . . 137V
где у -коэффициент распространения; Его и Н^о — начальные'со-
ставляющие векторов. Тогда первая производная функция при-
мет вид:
<?Ег/<?г=-—уЕгое^г==-—yEr; dH^dz=~-yH^.
Подставляя эти значения в (5.2), получим:
у//ф= (о4-ноеа)Ег; у£г= 1(оцаЕф. (5x4)
Определим интересующие нас значения у и Zz.' Перемножив
выражения (5.4), получим у2 = ](оцп(о-Ншаа). Соответственно
у = fieiiijo + (иг,,). (5.5)
Поделив эти выражения, получим (ЕГ/7Д;) 1шиа/(од-1(1)е«) или,
имея в виду, что Zг==75Жт>
Zz ]/ 1 оэ^/ус + i ока),. ' ' (5.6)
где 2г—-волновое сопротивление среды; у— коэффициент рас-
пространения; еа, 0 — соответственно магнитная, диэлектриче-
ская проницаемости и проводимость среды.
Ранее было получено следующее выражение для волнового
сопротивления окружающей среды: Zz8=ErIH4-. Для волнового со-
противления коаксиальной пары необходимо оперировать вели-
чинами напряжения U между проводниками и тока 1 в проводни-
ка х:
Z^UiL (5.7)
Напряжение между проводниками может быть определено
как линейный интеграл радиальной составляющей электрическо-
го поля между проводниками
Из (5.4) имеем Ег—(iwufl/y) Подставив сюда значение у и
имея в виду, что по закону полного тока 7/2лг, получим
Соответственно волновое сопротивление кабеля будет выра-
жатвся следующей формулой:
и 1-
г b ‘
i wit,. , гь
I Н 1 ~~~~
в
Z г
а ? а
Первичные параметры R, L, С, G определим, используя при-
веденные в гл. 4 соотношения: сопротивление Z = /? + icoL — yZB и
дгёроводимость СДлсоС —y/Z8- Подставив значения у и ZB из
•<(5.5) и (5.9), получим полное сопротивление цепи:
Z = R 4- з = У i со?! (а ф- i сое ) — |/ In —;
а а! 2л Г 3-г 1 Г Л
I L v t *•
или Z ~ R 4- i wA ~ i — In —. (5.10)
2л
Следовательно, сопротивление /? = 0, так как не учитывались
потери в проводниках кабеля и внешняя межпроводниковая ин-
дуктивность коаксиального кабеля
Полная проводимость определяется в виде
Соответственно проводимость б = 2ло/1п (rb/ra) и емкость С~
-:==2лЕа/1п(гб/г0). Таким образом, первичные параметры коакси-
ального кабеля идеальной конструкции (без потерь в проводни-
кам) имеют следующие значения:
/? = 0; L—(щг/2л)1п(п?/М;
С— 2лгп/1п [f'b/Га) ; С = 2ло/1п (гъ/га\ (5.13)
5.4. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО
КОАКСИАЛЬНОЙ ЦЕПИ С УЧЕТОМ
ПОТЕРЬ В ПРОВОДНИКАХ
Выше рассматривался процесс распространения энергии по
коаксиальному кабелю идеальной конструкции без учета потерь
в проводниках. В реальных условиях проводники имеют конечную
проводимость и создают дополнительные потери энергии, на джоу-
<лево тепло. Эти потери могут быть учтены по закону Умова —
Пойнтинга, характеризующему радиальный поток энергии, па-
Т-правленный внутрь коаксиального кабеля.
Z ... . . . 139
На основании (4.16) можем записать
2®
Z = /? + j (aL = J ЕгН*Г(1ъ (5.! 4)
где R— активное сопротивление проводника; L — внутренняя ин-
дуктивность проводника; £г — продольная составляющая электри-
ческого поля; Нч* — тангенциальная составляющая магнитного
поля (сопряженное значёкие).
Таким образом, для нахождения параметров R и £ коаксиаль-
ной пары необходимо определить значения £г и /Д* на поверхно-
сти проводников, решив вышеприведенные уравнения Максвелла.
Полное сопротивление коаксиальной пары складывается из со-
противления внутреннего проводника Za —£а-Н(о£а и сопротив-
ления внешнего проводника Zo — ^o + ^Ae. Кроме того, необходи-
мо учесть внешнюю межпроводниковую индуктивность.
Сопротивление внутреннего проводника может быть опреде-
лено как сопротивление одиночного проводника, так как электри-
ческое поле внешнего проводника никакого действия на внутрен-
ний проводник не оказывает. Так как поле одиночного провода
имеет осевую симметрию, то дЕг/д^~0; 52£г,/5ф2 —0. Тогда
уравнение примет вид
= \^Ег.
дг2 г дг
Решение данного уравнения выражается
функции
Д, - Л/о (Кi kr) 4- ВК0 (Ki kr}y
(5.15)
через цилиндрические
(5.16)
где А и В — постоянные интегрирования; /0 и Ко — видоизменен-
ные цилиндрические функции нулевого порядка соответственно
первого и второго родов от комплексного аргумента. Характер
изменения функций от аргумента z = kr приведен на рис. 5.8.
При определении постоянных интегри'ров;а.;Н;йя..:Жя: В исходим
из того, что напряженность поля Ez внутри проводника возрастет
с увеличением радиуса г. Поэтому вто-
рой член уравнения (5.16), уменьшаю-
щийся с увеличением аргумента, не со-
ответствует физике явления. Постоянная
интегрирования В принимается равной
нулю и
Л/Д/Гйг). (5.17)
Рис. 5.8. Характер изменения цилиндрических
функции первого (I) и второго (£) родов от ар-
гумента
140
Для Нахождения постоянной интегрирования Л воспользуемся
мдгнитноп составляющей поля и законом полного тока. На ос-
новании (5.1) и (5.17) получим
1 dEz ik
i“!'u dr ~~
i
Л/ДуЧбг),
где /i — функция-Бесселя первого порядка первого рода.
Согласно (закону полного тока тангенциальная составляющая
магнитного пЬля Н^~//(2лг), где I — ток и г —текущий радиус
Проводника. Приравнивая правые части этих выражений при г =
::=га, получим
/ i
2пгс1 Кj kly (р^i kr)
Подставив Л в выражение Ez и получим
/ Fi /о kr)
"a k C (|/T krei)
(5.18)
Полное
подставить
сопротивление провода определится, если в (5.14)
значение Ez и и провести соответствующие преоб-
разования:
„ n t • г I/ i £
% а — + 1
в
1 A) (j // ] д)
2~г*
(5.19)
где Ra и La — соответственно сопротивление и индуктивность оди-
ночного внутреннего проводника.
Для определения Ra и La обычно пользуются заранее рассчи-
танными таблицами функций F, G, Н и Q для различных значе-
ний kr (табл. 5.1).
Таблица 5.1
/г - F(kr} : G kr) Н (ki) Q(fer)
0 0 0,0417 1
0,5 0,000326 0,000975 0,042 0,9998
1,0 0,00519 0,01519 0,053 0,997
1,5 0,0258 0,0691 0,092 0,937
2,0 0,0782 0,1724 0,169 0,961
2,5 0,1756 0,295 - 0,263 0,913
3,0 0,318/ 0,405 0,348 0,945
3,5 0,492 0,499 0,416 0,766
4,0 0,678 0,584 0,466 0,686
4,5 0,862 0,669 0,503 0,616
5,0 1,042 0,755 0,530 0,556 "?
7,0 1,743 1,109 0,596 0,400 :
10,0 2,799 1,641 0,643 0,286
>10,0 ([/2* kr—3) 4 (|/2 kr—1) 8 0,750 2|/wn
Табл и ц а 5.2
Материал | проводника | k , ММ’1 | kr /
Медь 0,021 / 0,0!05(tjTp i
Алюминий 0,0164 |/f 0,0082 dl/R 1
Сталь 0,075 |/f 0,0375di/T;
П римечание. d~2r-—диаметр проводника, мм; f—частота, Гц.
Сопротивление, Ом/км,
Ra — Ro[l + F(kr)] ,
внутренняя индуктивность, Гн/км,
La = — n-Q(kr) 10"’,
Xf
(5.20)
(5.21)
где 7?о — сопротивление постоянному току одного километра про-
водника, Ом/км. Значения коэффициентов k и kr для различных
проводников приведены в табл. 5.2.
Для высоких частот, представляющих наибольший интерес
для коаксиального кабеля, формулы расчета Ra и La могут быть
представлены в упрощенном виде. При большом значении аргу-
мента, соответствующем ВЧ области передачи (/гга.Д>5), функции
Бесселя можно разложить в асимптотические ряды. Тогда полу-
чим
УГ ь 1
Za - Ra + i со£й -
а а й 2кгп<з 1 4пг2пя
(5.22)
Пренебрегая вторым членом правой части ввиду его малости
и отделив действительную часть от мнимой (ф1= l/y2-j-i 1/у2), по-
лучим
Ra = /2 £/4rraa; La = /2 Иа/4ягЛ
(5.23)
В пересчете на километр длины с учетом, что для меди ца =
~цо = 4л-1О”7 Гн/м и а=57‘106 (Ом*м)-1 для внутреннего мед-
ного проводника коаксиального кабеля ?
Ra = (4,18Ю /га) 10~2, La = [6,66/Л Ю )1 10-’,
(5,24)
где Ra, Ом/км, и £а, Гн/км, — соответственно сопротивление и ин-
дуктивность внутреннего проводника; га— радиус внутреннего
проводника, мм.
\
Для Нахождения параметров 7?б- и L$. внешнего проводника
Смогут бьйгь использованы ранее выведенные исходные уравнения:
Г E^A^{y\kr}^BKa{Vikr\
=iir ТИ - ж- М] • <5-25>
Для определения постоянных интегрирования . воспользуемся
граничными \ условиями па внутренней и внешней поверхностях
внешнего проводника. На внутренней поверхности внешнего про-
водника при г —у, магнитное поле по условию полного тока
= 1/(2пгь) будет
". м = 0;;|Л/' г -вк’(|/г “ У
На внешней поверхности проводника при г = гс магнитное по-
ле равно нулю, так как оно обусловлено равными, но противопо-
ложно направленными токами, текущими по внутреннему и внеш-
нему проводникам:
Н (гЛ =
ср v,
[м(Ю krc}
вкУУкгс}\ = °-
Решая вышеприведенные уравнения с двумя неизвестными,
определим постоянные интегрирования- А и В и соответственно
составляющую поля Ez(rb).
Магнитная составляющая поля Нч(гь) — I/2лгь. Подставляя
это соотношение в (5.14), получим
Д = Д + i иД =
_ И * (1ЮТkrh) Л'[ (|/ i krc) 4- ЛГ0 (|/i krh) Il (Ki krc)
—* - — ,............................. ' 5
2nrc» Il (y~krc) Ki yYkrb) - Ki (|/T *0 Л (K1 krb)
(5.26)
или 2б=7?б+’«Д=
|/ife
cth}z i/гД
&г>5. Тогда для частот
свыше 60 кГц получим
— * 4г/, Д- Д
при
Пренебрегая последним членом и приводя значения 7?б и LG
к одному километру кабеля, для внешнего проводника из меди
тимеем
Д = (4,18}Щ/г(,) Ю-‘; Д = [6,66/(гьТТ)1 Ю-’, (5.27)
Сгде гь — внутренний радиус внешнего проводника, мм.
g /. .. ... '. .143
Соответственно сопротивления коаксиальной пары, состоящие
из сопротивления внутреннего проводника /?а и внешнего провод-
ника /?б будет /
или для медных проводников, Ом/км, /
/? = /?а + /?б = 4,18]/Н1/га + 1/гй)10-2. 7 \ (5:29)
%
; •. \
Для определения общей индуктивности коаксиального йябеля
необходимо знать, кроме внутренней индуктивности, проводников,
также внешнюю межпроводниковую индуктивность. 4ВШ. Послед-
няя обусловлена -межпроводниковым магнитным : потоком Ф и
может быть1 определена по ранее выведенной формуле (5,13):
,4вш== [ра/(2л)]1п(гд/та).
Имея в виду, что ца=цоцг, где 4л-() 7 Гн/м, получим оконча-
тельно, (Гн/км),
£вш = 2!п (гь/га) • 10“4. (5.30)
В результате общее сопротивление (Ом/км) и индуктивность
(Тн/км) коаксиального кабеля для высокочастотной области (от
60.,. 100 кГц и выше) будут:
4
или для коаксиального кабеля из медных/проводников
для коаксиального кабеля из алюминиевых проводников
к = 5,4'ТТ(—+—у.1о-2>
;; 4 ['ДТ-4'j + 51П ] -10-V
: I \ -га, Ч) ) ra 1
1.44 ..
•В слуй^е, если внутренний проводник медный, а внешний алю-
миниевый:^
R = [4,1^1/Т- kj-\
L \ г“ Гь J (5.34)
L = [ ('+ 4- 2 In _2L 1 10~*.
L 'V f \a У f r»/ r и .
\
Из приведенных формул следует, что при применении обоих
алюминиевых проводников вместо медных сопротивление возра-
стает на 29%, а при замене меди на алюминий только у внешне-
го- проводника \ сопротивление возрастает всего на 6% . Послед-
ний вариант прёдпо'чТительне'й.
В области высоких частот внутренняя индуктивность провод-
ников мала и индуктивность коаксиального кабеля обусловлива-
ется лишь внешней индуктивностью £ —£вш = 2Гп{rb/r^ X
XICM, Гн/км.
Электрическое сопротивление коаксиальной пары постоянному
току определяется ,по нижеприведенным формулам. Электриче-
ское сопротивление внутреннего проводника, Ом/км, R =
~^№o!nd\ где d — диаметр проводника, мм; р — удельное со-
противление металла, Ом • мм2/м. Электрическое сопротивление
внешнего проводника, поверх которого наложено п стальных эк-
ранных лент, 7?б = ^м^э/(/?м+/?э), где = 1 ОООрм/тт (£?Ц-Д) Д—
сопротивление внешнего медного проводника, Ом/км; /?э =
= 1000рэ/л(О+Д+Дэ)Дэм — сопротивление экрана, Ом/км; D —
внутренний диаметр внешнего проводника, мм; А — толщина лен-
ты внешнего проводника, мм; Аэ — толщина экранных лент, м:м;
п — число экранных лент; р— удельное сопротивление металла,
равное 0,0178 — для меди марки МТ; 0,01724 — для меди марки
ММ; 0,0282 — для-алюмпния; и 0;,098— для стали,
5.5. ЕМКОСТЬ И ПРОВОДИМОСТЬ
ИЗОЛЯЦИЙ КОАКСИАЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
. В отличие от проводников; где- имеются свободные электроны
и действует ток проводимости 7пр, в диэлектрике нет свободных
электронов, а имеются ионы и связанные диполи. Под действием
переменного электромагнитного поля в диэлектрике -происходит
смещение диполей, их переориентация и поляризация.
Поляризацией называется смещение положительных и отри-
цательных зарядов в диэлектрике под действием электрического
поля. Переменная поляризация обусловливает возникновение ;. и
действие токов смещения — емкостных токов /см и вызывает за-
траты энергии на переориентацию диполей (потери, в диэлектри-
гке)- Чем выше частота колебаний, тем сил смещения' и
^больше потери. При постоянном токе эти явления отсутствуют.
.. .. ... 145
i
Явления в диэлектрике полностью характеризуются/двумя па-
раметрами: емкостью С, определяющей способность цоляризации
и величину токов смещения, и проводимостью G, определяющей
величину потерь в диэлектрике. Емкость кабеля аналогична ем-
кости конденсатора, где роль обкладок выполняют/ проводники,
а диэлектриком служит расположенный между ними изоляцион-
ный материал или воздух. При определении емкости -коаксиаль-
ного кабеля учитывают, что он аналогичен цилиндрическому кон-
денсатору и его электрическое поле создается двумя цилиндриче-
скими поверхностями с общей осью. Вследствие /осевой симмет-
рии напряженность электрического поля имеет равные потенциа-
лы на определенном расстоянии от центра кабеля. \
Проводимость изоляции G может быть определена как состав-
ляющая потерь в диэлектрике конденсатора, емкость которого эк-
вивалентна емкости кабеля (рис. 5.9).
Проводимость изоляции и емкость коаксиального кабеля мо-
гут быть рассчитаны по ранее выведенным формулам (5.13). Ем-
кость С“2леа/1п(г5/га), Ф/м. Проводимость изоляции G =
= 2лсг/1п (гъ/га), См/м.
Обычно принято проводимость изоляции G выражать через
тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции кабеля tg6 =
= G/(oC~o/coea.
Тогда G=s[2n/ln (гь/га) ] o)£atg д = wC tg б.
Заменяя в выражении емкости еа = еоег? получим для 1 км ка-
беля (где £о= Ю~9/(36л), Ф/м)
C=er10~6/[18In(rd/ra)]. (5.35)
Соответственно
G = (oCtg6, См/км, (5.36)
где £г-и tg 6 — диэлектрическая проницаемость и тангенс угла ди-
электрических потерь изоляции. Эффективные значения еэ и tg63
комбинированной изоляции, применяемой в коаксиальных кабе-
лях, приведены в табл. 5.3.
В общем виде, кроме проводимости изоляции, обусловленной
диэлектрическими потерями G, необходимо учитывать также про-
водимость, обусловленную утечкой тока в силу несовершенства
Таблица 5.3
Тнп кабеля Тип изоляции е э Отно- шение tg &э-10'4 при частоте, МГц
1 5 10 60
2,6/9,5 Полиэтиленовая шайба 1,13 8,8 0,5 0,5 0,7 0,8
2,6/9,5 Полиэтиленовая спираль 1,1 6 0,4 0,4 0,5 0,6
1,2/4,6 Баллонно-полиэтиленовая 1,22 9 1,2 1,3 С5 —
2,1/9,7 Пористо-полиэтиленовая 3,5 50 2 3 3
5/18 Кордельно-стирофлексная 1,19 12 0,7 0,8 1,0 1,2
146
проводимости изоляции
Рис. 5.10. Типовые частотные за-
висимости первичных параметров
коаксиальной цепи
изоляции: G= 1//?из- По величине эта проводимость изоляции об-
ратно пропорциональна сопротивлению изоляции кабеля. В коак-
сиальных кабелях йнз нормируется величиной 10 000 МОм- км. Та-
ким образом, проводимость изоляции коаксиального кабеля, G =
= 1//?из+^£ tg 6, См/км. По абсолютной величине в используемом
диапазоне частот второй член существенно больше первого, по-
этому 1//?пз можно не учитывать.
Проанализируем полученные результаты и рассмотрим зави-
симости первичных параметров коаксиального кабеля. На
рис. 5,10 приведены частотные зависимости параметров коакси-
ального кабеля.
Из рисунка видно, что с ростом частоты активное сопротивле-
ние закономерно возрастает за счет поверхностного эффекта и эф-
фекта близости. Причем наибольшее удельное значение имеет со-
противление внутреннего проводника: величина Ra больше Re
в 3—4 раза. Индуктивность с увеличением частоты уменьшается.
Это обусловлено уменьшением внутренней индуктивности провод-
ников £а и £б за счет поверхностного эффекта. Внешняя индук-
тивность Lb!II не меняется с изменением частоты. Емкость не зави-
сит от частоты. Проводимость изоляции с ростом частоты линей-
но возрастает. Величина ее зависит в первую очередь от качества
диэлектрика, используемого в кабеле и характеризуемого величи-
ной угла диэлектрических потерь tg6.
На рис. 5.11 показано изменение первичных
.параметров с увеличением соотношения - радиу-
сов внешнего и внутреннего проводников коак-
сиального кабеля. Из рисунка видно, что с уве-
личением отношения гь/га возрастает индуктив-
ность кабеля и снижаются емкость и проводи-
мость изоляции.
Рис. 5.11. Изменение первичных параметров от соотноше- U/rf,
ния диаметров проводников коаксиальной цепи
147
Активное сопротивление R зависит не от соотношения
от абсолютных значений радиусов внешнего и внутреннего- про-
водников. Чем толще проводники, тем меньше активное сопротив-
ление. /
J
/
5.6. ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕДАЧИ
КОАКСИАЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
Ко а к с и а ль н ы е к а бе ли практически используются / в спектре ча-
стот от 60 кГц и выше, где и . Поэтому вторичные
параметры передачи их рассчитываются но следующими форму-
ла-м: . ' \
а а” + а1 = (т К"Т + т ~ Р’69; \ (5.37)
3 = «>]/ТС; Z. .= VLjC\ v = 1 /КLC, \
где ам — коэффициент затухания вследствие< потерь в металле;
Яд~ коэффициент затухания вследствие потерь в диэлектрике.
.’.О вторичные параметры передачи коаксиальных кабелей
.целесробразно выражать непосредственно через габаритные раз-
мрры (4 и D) и параметры изоляции (е и tg6).
К&эффцрцент зцгул'ання щ дБ/км, находится при подстановке
в формулу первичных параметров. Для кабеля с медными про-
водниками получим:
^ам;+ад == (ф+ф).10-3 + 9,08Ще tgS-lO-
(5.38)
<Прй . замене медных п ро вод н и ко в на ал юм и ни ев ы е за ту х а н и е
возрастает пропорционально соотношению активных сопротивле-
ний или соответственно обратно пропорцирнально корню квадрат-
ному из проводимостей металлов
“а -1/Л_-1/’57. 10»Л _
“м Ям Г V 33,9-ГО»
т, е. затухание ко а к с и аль н о го к а б ел я с а л ю-м и и и е в ы м и прово д и и -
ка-ми больше, чем с медными,- на 29%.
При замене только внешнего проводника: на алюминиевый за-
тухание возрастает в соотношении
ам Ди - ; ' 1 _
При соотношении радиусов проводников rb/ra = 3,6 получим
1,06,
т. е. затухание кабеля возрастает всегр на 6%. /
148
Рис. 5.12. Частотная зависимости составляю-
щих коэффициента затухания:
— в металле; — в диэлектрике
Изложенное дает основание сде-
лать вывод о целесообразности при-
менения коаксиальных кабелей с
внешним алюминиевым проводником.
В этом случае затухание увеличивается всего на 6%, а расход
меди на изготовление коаксиального кабеля сокращается на 65%.
Потери в металле ам изменяются пропорционально У/, а по-
дери в диэлектрике ад связаны с частотой линейным законом и
с увеличением / возрастают значительно быстрее (рис. 5.12).
При использовании высококачественных диэлектриков (с ма-
лым tg6) можно добиться в определенном частотном диапазоне
/очень малых диэлектрических потерь и положить ад = 0. При
очень высоких частотах они настолько возрастут, что величина ад
.играет значительную роль в общем затухании кабеля. В практи-
чески используемом спектре частот передачи по коаксиальным
кабелям (до 60-Ю6 Гц) при современных кабельных диэлектри-
ках величина ад незначительна (не превышает 2—3% «м) и зату-
хание увеличивается примерно пропорционально У/.
Коэффициент фазы р, рад/км, коаксиальной пары определяет-
ся из уравнения р = шУТС. Подставляя сюда значения L и С, по-
лучим р —юУца8а. Коэффициент фазы можно выразить также че-
/рез с и р —ц)Уег/с, рад/км, где с — скорость света, равная
300 000 км/с.
Скорость распространения о, км/с, электромагнитной энергии
по коаксиальным парам
Коэффициент сдвига фаз определяет длину волны в кабеле:
Як = 2<3 - vlf = с/СЮЛ (5.40)
Из приведенных формул видно, что коэффициент фазы возра-
стает с увеличением частоты прямолинейно. Это обусловливает
/почти полное постоянство скорости передачи энергии по коакси-
альному кабелю во всем рассматриваемом спектре частот. Ско-
рость передачи уменьшается с увеличением диэлектрической про-
ницаемости. Так, при сплошной полиэтиленовой изоляции (е,~
2,3) с—200 000 км/с, а при воздушно-комбинированной изоляции
коаксиальной пары (ег—1,1), с—285.000 км/с.
Скорость передачи энергии по коаксиальным парам выше, чем
по симметричным, и почти приближается к скорости распростра-
нения электромагнитных волн в'воздухе (300 000 км/с) .
149
Долговое сопротивление 2Ъ, Ом, коаксиальной пары для высо-
ких частот определяется выражением
или (5.41)
1 D
где = — волновое сопротивление диэлектрика.
Имея в виду, что ца=ЦоЦг и «!; = е&8г, где ц0=4л• 10"7, Гн/м,
и 80 = 10"9/36л, Ф/м, получим
О ~ 2п Zo У ln d ’
где 2о=Уцо/ео~376 Ом — волновое сопротивление воздушного
пространства. Для среды щ—1 получим
ZB = -^-ln —. (5.42)
]/er d ’
В коаксиальных парах со сплошным диэлектриком (е,=2,3)
ZB = 50 Ом, а при комбинированной изоляции (ег=1,1) величина
волнового сопротивления составляет примерно 75 Ом.
5.7. ОПТИМАЛЬНОЕ СООТНОШЕНИЕ
ДИАМЕТРОВ ПРОВОДНИКОВ
КОАКСИАЛЬНОЙ ЦЕПИ
4
Конструирование коаксиальной пары подчинено задаче созда-
ния оптимальной ее конструкции, требующей минимальных затрат
материалов и средств на изготовление. При этом в первую оче-
редь необходимо выбрать диаметры внутреннего и внешнего про-
водников кабеля и установить их соотношение при заданном диа-
метре внешнего проводника.
Коэффициент затухания а, дБ/км, коаксиального кабеля с со-
временным выоококачественнъгм диэлектриком в практически ис-
пользуемом спектре частот (до 60 МГц) может быть определен
по следующей формуле (без потерь в диэлектрике):
я : In (D/d) Г К) •10 • (5.43)
Выразим соотношение D/4 через X. Из данного выражения
следует? что с увеличением X его числитель растет линейно^азна-
мёнатёль пропорционален логарифму отношения диаметров. Ис-
следовав данную формулу на минимум затухания при постоянном
w.?.-./,
Рис. 5.14
Рис, 5.13. Характер изменения затухания коаксиальных цепей с проводниками из
различных металлов (1— свинец; 2—алюминий; 3 — медь) в зависимости
от соотношения диаметров проводников
Рис. 5.14. Изменение входного сопротивления неоднородной коаксиальной цепи
в зависимости от ее длины
значении D в зависимости от X т. е. взяв первую производную от
правой части уравнения (5.43) по X и приравняв ее к нулю
(uo/va 2—0), получим, что (х минимально при соотношении
In (D/d) = 1 -\~d/D. Таким образом, оптимальная конструкция ка-
беля будет при D/d —3,6. Это соотношение справедливо для ка-
белей с одинаковыми (медными) проводниками. Если же провод-
ники изготовлены из различных металлов, то минимальное зату-
хание определяется из выражения
----е
SD
(5.44)
где од и со — соответственно проводимости металлов внешнего и
внутреннего проводников.
к- Оптимальные соотношения D/d для различных металлов
внешнего проводника приведены на рис. 5.13, причем во всех слу-
чаях принято, что внутренний проводник изготовлен из меди, а
внешний — из материала, указанного на рисунке. Из рис. 5.14
видно, что нарушение оптимального соотношения в меньшую
сторону связано с довольно резким возрастанием коэффициента
затухания. Поэтому выбирают отклонение соотношения D/d лишь
в: несколько большую сторону.
При конструировании коаксиального кабеля приходится отсту-
пать от оптимального соотношения D/d, если величина волнового
с о п р о т й вл е н и я к а бе л я с т р ого н ор м и р о в а н а. Нал р и м ер, дляобеспе-
чёния ZB™75 Ом данное соотношение определяется по формуле
Z_ 7 60
D/d — е. в .
Таблица 5.4 В табл. 5.4 приведены зна-
~------------------- ’——” чения Za в зависимости от ег
ег | 1,03 1,15 1,25 1,45 1,54 при D/d=3fi. Из таблицысле-
-———I------—-------:---------- дует, что волновое српротив-
Zs, Ом 75 67 61 53 50 ление кабеля существенно за-
___;___!______________________ висит от величины диэлектри-
ческой проницаемости и для
получения нормированной величины ZB = 75 Ом необходимо иметь
воздушно-пластмассовую изоляцию с малым содержанием диэлек-
трика (е;— 1,03).
В табл. 5.5 дается соотношение между ег и D/d при нормиро-
ванной величине волнового сопротивления ZB = 75 Ом. Из данных
таблицы следует, что при повышенных значениях ег приходится
отступать от оптимальной конструкции кабеля. Так, при ег—1,1
приходится принять соотношени D/d^3,7.
Для коаксиального кабеля с медными .проводниками при оп-
тимальном отношении D/d коэффициент затухания а, дБ/км, оп-
ределяется по формуле
а = ал,- 21,6^ • 10“’, (5.45)
из которой следует, что коэффициент затухания увеличивается с
ростом величин f и ел и резко уменьшается с увеличением диа-
метра внешнего проводника D.
Если по кабелю необходимо обеспечить передачу большой
мощности или требуется кабель на максимальное напряжение, то
оптимальная конструкция будет при другом соотношении D и d.
Оптимальная конструкция кабеля по. электрической прочности
находится из условия 1п(О/т/) = 1 или D/d — z — 2,718. Макси-,
мальндя. мощность может быть переданащо. кабелю при соотно-
шении диаметров проводников 1п(О/^):—'фйля^^=Г,65?1:?:-,:-
Очевидно, что для междугородных кабелей связи, по которым
необходимо обеспечить наибольшую дальность связи исходят .из
условия оптимального по затуханию соотношения D/t/—3,6 с уче-
том получения нормированной величины- ^в—То Ом.
Условия максимальной мощности или электрической прочно-
сти о бы ч н о реализуются в к о а к с и а л ь и ы х радиочастот н ы х к а белях
фидерного наднШеПия. : :
Таблица 5.5
152
Та б л и ц а 5.6
D/d 7В=/Г/С Свойства конструкции
3,6 76,6/|/Т Минимум затухания
. 2,718 59,9 |/_ег Максимум электрической прочности на пробой
. .Л,65 30; |/ Максимум передаваемой мощности
В табл. 5:6 приведены значения волновых сопротивлений и оп-
тимальное соотношение внешнего и внутреннего проводников ко-
аксиальных пар, определяющие преимущества различных конст-
рукций.
5,8. КОНСТРУКТИВНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ
В КОАКСИАЛЬНЫХ КАБЕЛЯХ
При изготовлении кабеля может возникнуть деформация в ви-
де эксцентриситета в расположении проводников, нарушается их
форма, постоянство взаимного расположения и т. д. В результа-
те изменяются параметры кабеля, и он перестает быть однород-
ным по длине.
Различают неоднородности внутренние — в пределах строи-
тельной длины кабеля — и стыковые, обусловленные различием
•характеристик сопрягаемых строительных длин. Стыковые неод-
нородности, как правило, превышают внутренние. Имеются так-
же неоднородности за счет отражения от аппаратуры. Неоднород-
носТхЬ кабеля сказывается, главным образом, на волновом сопро-
тивлении кабеля, величина которого на участках неоднородности
/отличается от номинальной.; ? :
Неоднородности цепи учитываются через коэффициент отра-
жения '
p=(ZZ--Z^/{ZZ~\~Z^^^Z3/2Z^ (5.46)
где ZB и ZZ — волновые сопротивления соседних неоднородных
участков кабеля; Д2Вотклонение волнового сопротивления
AZB^2/:Za. " /
„ v 60 , О
Волновое сопротивление кабеля т , Ом, и за-
|/ ег
.висит от трех параметров: е, d, D. Имея в виду, что неоднород-
ность величин Ad, ДО, Де сравнительно невелика, отклонение вол-
нового сопротивления от среднего значения лбыть выражено уравнением А „ 60 /ДО Ad- гДеуу D \ : l\Z.~ • • 1П . ’ Кег A D .... d 2sr:d. / . (волнистость) может (5.47) 153
Наибольшее влияние на колебания волнового сопротивления
оказывают отклонения размеров внешнего проводника и неодно-
I ррдность изолирующих материалов, вызывающая колебания ве-
| личины диэлектрической проницаемости. Внутренний проводник,
! представляющий собой сплошную проволоку, может быть изго-
товлен с большой точностью.
Реальный коаксиальный кабель можно рассматривать как не-
однородную цепь, составленную из отдельных участков. Электро-
магнитная волна, распространяясь по такому кабелю и встречая
на своем пути неоднородность, частично отражается от нее и воз-
вращается к началу линии. При наличии нескольких неоднород-
ных участков волна претерпевает серию частичных отражений и,
циркулируя по линии, вызывает дополнительное затухание и ис-
кажение характеристик цепи.
Неоднородности в кабеле приводят к появлению в цепи двух
дополнительных протоков энергии: обратного, состоящего из сум-
мы элементарных отраженных волн в местах неоднородностей и
движущегося к началу цепи, и попутного, возникающего по зако-
ну двойных отражений, вследствие того, что первоначально отра-
женные волны, движущиеся к началу цепи, встречая места неод-
нородностей, частично отражаются и направляются к началу ли-
нии (см. рис. 4.23).
Обратный поток приводит к колебаниям величины входного
сопротивления кабеля ZBX, т. е. характеристика ZBX становится
волнообразной. Это затрудняет согласование кабеля с аппарату-
рой на концах линий и приводит к искажениям в цепи передачи.
Попутный поток искажает форму передаваемого сигнала и также
создает помехи в передаче. Особенно страдает из-за этого каче-
ство телевизионной передачи, для которой фазовое соотношение
передаваемых и принимаемых сигналов является решающи^.фак-
тором. Для нормальной передачи телевизионных сигналов величи-
на попутного потока должна составлять не более 1% основного.
Высококачественная телефонная связь требует отсутствия амп-
литудных искажений в цепи передачи и в первую очередь посто-
: янство ZB.
Для обеспечения требуемого качества связи и телевизионной
передачи по коаксиальному кабелю необходимо, чтобы отклоне-
ние волнового сопротивления AZB, обусловленное отражениями,
не превышало ±0,45 Ом, что соответствует коэффициенту отра-
жения 3%(у.
I На рис. 5.14 показано изменение входного сопротивления це-
| однородного кабеля в зависимости от его длины, измеренное им-
| пульсным методом. Здесь же указана допустимая норма неодно-
| родностей AZB = ±0,45 Ом. Из рисунка видно, что величина ZBX
| сложно меняется относительно ZB=75 Ом и в четырех точках зна-
| чения ZBX выше нормы. Частотная зависимость входного соцротив-
| ления неоднородного коаксиального кабеля также будет иметь
I
сложный колебательный характер вокруг величины ZB“75 Ом.
/ Расчет попутного потока, возникающего на длине усилитель-
ного участка коаксиального кабеля за счет внутренних и стыко-
вых неоднородностей, ведется соответственно по формулам^
----с----_ 2,2(1— е-4в/).
324(Д/)2а2
рй ) 2 —--------aL; ! qc I 2 =
324 (Д Г)2 а2 ! Чс 1
Результирующий попутный поток
гА
-------д-----[а£ Н-2/z (] - е )]. (5.48)
324 (Д/)2 1 v х '
х формулах р — коэффициент отражения; А/ — расстоя-
1у неоднородностями; а'—коэффициент затухания ка-
цепи; I — строительная длина кабеля; L — длина усили-
счастка; п — число строительных длин кабеля на усили-
2
юельнои
тельного
тельном
Из приведенных уравнений следует, что попутный поток обу-
словлен в первую очередь величиной отклонения волнового сопро-
тивления кабеля, причем попутный поток за счет внутренних не-
/однородностей прямо пропорционален длине кабельной линии, а
за счет стыковых неоднородностей — числу строительных длин
кабеля. Следовательно, попутный поток особенно проявляется на
длинных кабельных линиях при аналоговой передаче (частотное
разделение каналов). Для цифровых систем передачи (временное
разделение каналов) попутный поток лимитируется длиной реге-
нерационного участка.
G целью повышения однородности электрических характери-
стик коаксиальных магистралей производится специальное груп-
пирование строительных длин кабелей перед прокладкой с таким
: расчетом, чтобы отклонение волнового сопротивления двух смеж-
ных строительных длин не превышало 0,3 Ом. При этом строи-
тельные длины располагают так, чтобы величины волнового со-
противления постепенно нарастали от начала усилительного
участка к его середине и спадали от середины к концу. На входе-
в усилительный пункт прокладывают строительные длины с но-
минальным волновым сопротивлением (75 Ом) (см. гл. 9).
"Неоднородности коаксиальных кабелей в настоящее время ис-
следуются и и з м е р я юте я п р е й м у ще стве и н о
с п о м о щ ь ю импульсных приборов б о л ь ш ой чу в с твите л ь и о ст и, к о -
т о р ы е позволяют наблюдать на э к р а н е с те п е н ь о дн о р о д и о с т и в о л -
нового сопротивления кабеля по его длине и устанавливать место
и характер повреждения.
Пример 5.1. Определить --.параметры- коаксиального кабеля типа =КМ-4 с мед-
? ными проводниками 2,6/9,4 мм и шайбовой полиэтиленовой изоляцией при ча-
Д дтотеГ' 1: МГц. т " .. , . .. ;ДГ.> дД/ д'
импульсиым методом
1. Активное сопротивление, Ом/км, (5.32)
Я===0,0418 |/10» =
\. 1,3 4, / /
2. Индуктивность, Гн/км, (5.32)
ИО-4 = (2,6 + 0,066)ИО-* = 0,266-10“»
3. Емкость, Ф/км, (5.35)
С=1,08-10-6/18 In (4,7/1,3) =46,9-10-9.
4. Проводимость изоляции, См/км, (5,36) (tg 5 = 0,8-Ю~4) :
6=2-3,14’I0~s‘46,9-10~9-0,8 • 10~4 = 23,6 • 10~б.
5. Волновое сопротивление, Ом, (5.42)
Z8 = |Z0,266- io—3.46,9-10—9 = 74,99.
6. Коэффициент затухания, дБ/км, (5.38)
а = [(41,3 2) V46,9-10—» 0.266-10—з -|_ (23,6 • 10-». 2) х
Х|/0,266-10-3/46,9- 10—»j 8,68 == 2,45.
7. Коэффициент фазы, рад/км,
Р = 2-3,14-10» /46,9-10—9-0,266 10—» == 22,1.
8. Скорость распространения, км/с, (5.39)
v = 1 46,9-10-9.0,266-10-3 = 285 000.
9. Время распространения 7=}'£С, с/км,
Г =|/W> 10-9 - 0,266 "ПЕз = 3.5-10-8.
СИММЕТРИЧНЫЕ КАБЕЛИ
5.9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В
СИММЕТРИЧНЫХ ЦЕПЯХ
Электромагнитное поле симметричной цепи показано на рис.
5.2. В отличие от коаксиального кабеля, не имеющего внешнего
поля, в симметричной цепи поле открытое, действующее на значи-
гельном расстоянии.
Под действием переменного поля происходит ц.ердр?асп.редедё'
ние электромагнитной энергии по сечению проводников, при этом
наблюдаются следующие явления: поверхностный эффект; эффект
близости соседних проводников; воздействие на параметры цепи
окружающих металлических масс (соседних проводников, экрана
брони). В симметричных кабельных цепях действуют все три фак-
156 .
фора одновременно. В воздушных линиях, где провода расположе-
ны сравнительно далеко друг от друга и отсутствуют наружные
.металлические оболочки, следует учитывать лишь поверхностный
эффект. В коаксиальных кабелях, являющихсязакрытой системой,
не учитывается действие окружающих металлических масс. '
За счет указанных явлений происходит перераспределение элею
тромагнитного поля и изменяются параметры цепей. Активное со-
противление R и емкость С возрастают, индуктивность L умень-
шается. Наиболее существенно возрастет соп-ротйвл’ёние цепи:
R ~ R о+Rn .эН~ Rn .6 R м,
где Ro — сопротивление постоянному току; Rn.a — сопротивление за
|счет поверхности эффекта; R3.6— сопротивление за счет эффекта
^близости; RM — сопротивление, обусловленное потерями в окружа^
Ующих металлических массах.
Поверхностный эффект был рассмотрен в § 5.1.
т Эффект близости -связан с взаимодействием внешних полей. Как
видно из рис. 5.15, внешнее поле И проводника а, пересекая толщу
^проводника б, наводит в нем вихревые тока. На поверхности про-
водника б, обращенной к проводнику а, они совпадают по направ-
лению с протекающим по нему основным током (7+7B.T)s на проти-
воположной поверхности проводника б они направлены навстречу
основному току (/—/в.т) - Аналогичное перераспределение токов
^происходит в проводнике а.
При взаимодействии вихревых токов с основным плотность ре-
зультирующего тока на обращенных друг к другу поверхностях
проводников а и б увелинйваетсд.-а' ща отдаленных — умёньщаётся.
Это явление («сближение» токов в проводниках а и б) носит на-
звание эффекта близости. Из-за неравном ер но г о рае пр ё дел е ни я
-..плотности тока увеличивается активное соиротивление цепи, пере-
менному току.
Эффект близости также прямо пропорцион алея частоте, магнит-
ной проницаемости, проводимости и диаметру проводника и, кроме
-того, зависит от расстояния между проводниками. С уменьшением’
этого расстояния действие эффекта близости возрастает в квад-
•. рате. Если по двум соседним проводникам токи проходят в одном
направлении, то перераспределе-
ние их плотности из-за взаимо-
действия внешних электромаг-
:• и и т н ы х п о л е й п p i i в о д и т к у вел и -
чению плотности токов на взаим-
но отдаленных поверхностях про-
водников а и б.
,.',5 ' s" ; . • ••
;;Рис.: 5.1р. Эффект близости в симметрич-
ной цепи У
Рис. 5.16. Распределение
плотности тока в проводни-
ках симметричной цепи
Рис. 5.17. Вихревые токи в
окружающей металлической
оболочке кабели
На рис. 5.16 показано распределение плотности токов в провод-
никах симметричной цепи, когда токи в проводниках а и б на-
правлен ы противоположно и когда они направлены в одну сторону.
Теперь рассмотрим, как воздействуют на параметры цепи окру-
жающие металлические массы.
Магнитное поле Н, создаваемое током, протекают и м по про-
водам цепи, наводит вихревые токи /вт в соседних проводниках
кабеля, окружающем экране, металлической оболочке и броне
и т. д. (рис. 5.17). Проходя по металлическим частям кабеля, они
нагревают их и создают дополнительные тепловые энергии. Дру-
гими словами, происходит как бы «отсасывание» некоторой доли
передаваемой энергии, причем наиболее воздействуют близко рас-
положенные к рассматриваемой цепи металлические части кабеля.
Кроме того, вихревые токи создают иоле обратного действия, ко-
торое воздействует на проводники цепи и изменяют их параметры.
5.10. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО
ИДЕАЛЬНОЙ СИММЕТРИЧНОЙ ЦЕПИ
Рассмотрим процесс передачи энергии по симметричной цепи
идеальной конструкции, т. е. не имеющей потерь в проводниках и
без учета взаимодействия электромагнитных полей проводников.
Располагая цепь вдоль оси, можем воспользоваться теоремой
Умова—Пойнтинга, по которой продольная составляющая вектора
Пойнтинга образует с составляющими электрического и магнит-
ного /Д. полей правовинтовую систему:
2 тс
| ЕГН у г (1'Л. (5.49)
о
158
Значения £г и Нц определяются
—0HJdz= (a+i(oea)£r; дЕг/дг=—(5.50)
Здесь принято, что д£г/дг=0, т. е. не учитываются потери в про-
водниках. Тогда, имея в виду экспоненциальный закон изменения
составляющих Е и Н вдоль цепи, £г—£гОе-уг и Н.. — /7(fOe~vC полу-
Ч и М
— (оДлшеД£г; у£,—iwpaH(i. (5.51)
Интересующее нас значение коэффициента распространения у оп-
ределится в результате перемножения выражений (5.51):
у2 =г i сощ. (з -щ i wsj или у = ]/i да., (о-у i wej. (5.52)
Поделив выражения (5.51), получим (уА ” iwpn/(о-Дше) или
ф /
волновое сопротивление среды в продольном направлении
Z, — ЕГ!Н = ]/ i одщ/Щ Д- i (вг.,). (5.53)
Для определения волнового сопротивления симметричной цепи
необходимо оперировать значениями напряжения между проводни-
ками U и тока в проводниках £ т. е. Z&~Ull. Напряжение между
(!— Г
проводниками может быть определено по формуле U = Er(h\
г
где г — радиус проводника; а — расстояние между проводниками.
Из (5.55) имеем £r—(lowДу) £Д Подставляя сюда значение у
и имея в виду, что по закону полного тока /Д“//(2лг), получим
д =
r у a -J~ 1 toy,
Тогда напряжение между проводниками
1
• dr
i
а — г
Г
С
с
Г
Соответственно волновое сопротивление
(о.о4)
Без учета потерь в изоляции (а—0)
тс
-а
159
Имея в виду, что да—4л’10~7щ и 8а= ~- щ, получим известную
формулу расчета волнового сопротивления симметричной цепи
Первичные параметры симметричной цели /?, £, С, G без потерь
определим, используя приведенные в гл. 4 соотношения
yZb~R--ri&L и y/ZB—бЛ-шС.
i ши.. . . a — r
I 14 ]
Тогда получим, R A i oL
, следовательно,
в оезмльтате:
J
] n U/l -- Г \ rl
- * - 7 1 / Ji
5.11. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО
СИММЕТРИЧНОЙ ЦЕПИ С УЧЕТОМ
ПОТЕРЬ
Выше- рассмотрена идеализированная симметричная цепь без
потерь в проводниках. В реальных условиях кабельные проводни-
ки имеют конечные значения проводимости, а следовательно, и те-
пловые потери на вихревые токи.
Для определения параметров симметричной цепи с потерями не-
обходимо знать составляющие Е. и /Ц. Они определяют энергию,
поглощаемую проводником из окружающего пространства. Мощ-
ность потока энергии поглощения для цилиндрического проводни-
ка выражется через уравнение Пойнтинга
где R — активное сопротивление проводника; L—внутренняя его
индуктивность; Ez — продольная составляющая электрического по-
ля; — сопряженное значение тангенциальной составляющей
магнитного поля; г — радиус проводника.
Для определения Ег и симметричной цепи используются ра-
нее приведенные уравнения Максвелла в дифференциальной фор-
160
ме для цилиндрической системы координат. Если сочетать систему
координат так, чтобы ось г совпадала с осью проводника, то три
составляющие поля Е>, Е„, Hz будут отсутствовать, а остальные
три могут быть определены из следующих уравнений:
(5.59)
Дифференциальное уравнение второго порядка относительно ос-
нования формулы (4.11) имеет вид
dEz । 1 (ЕЕг_ рм2Ег — для проводников,
дг г~ д^2 \k^Ez—для диэлектрика.
(5.60)
Имея в виду частотную область использования симметричных
цепей (до 106 Гц), можно решать задачу в квазистационарном ре-
жиме, т. е. без учета токов смещения. Тогда для изоляции правая
часть уравнения ^д2—(iw)2цоеа—0. Решая (5.60), находим состав-
ляющую Ez. Составляющую ЕЦ определяем из ранее приведенного
выражения:
i wiXy dr
В симметричных кабелях, в отличие от коаксиальных, нет сим-
метрии в расположении электромагнитного поля вокруг проводни-
ка, т. е. необходимо учитывать изменение поля по тангенциальной
д2Е
составляющей [ —- 0 j. Это выражение характеризует ис-
\ !
кажение поля и соответственно действие эффекта близости между
проводниками.
Решение приведенного выше дифференциального уравнения для
металла имеет следующий вид:
Ег = [я„/„ (Цi kr) + ВпКп (Уi kr )j (C„cos + £>„ sin (5.61)
где ln и Kn — модифицированные цилиндрические функции перво-
го и второго родов /i-го порядка; Л, В, С, D — постоянные интег-
рирования; — коэффициент потерь для металла.
Поскольку поле внутри проводника возрастет от центра к пери-
ферии, а функция Кп имеет падающий характер с увеличением
аргумента, необходимо принять, что В~0. В силу симметричного
расположения проводников относительно горизонтальной оси, от
которой ведется отсчет угла ф, нечетная функция sin /др отсутству-
6—6] 3b
ет, поэтому Dn~Q. Тогда имея
поля, получим выражение Е: для
Ег = п (F cos W-
а —О
Соответственно составляющая
в виду наличие п составляющих
проводинков:
магнитного поля
Аг Л/ ( К i М C0S
Полученные уравнения аналогичны уравнению (5.17) для внут-
реннего проводника коаксиального кабеля. Отличие заключается в
том, что в силу осевой симметрии для внутреннего проводника не
учитывалось изменение поля по ф и zz=O. При учете эффекта бли-
зости так как кроме основных составляющих поля первого
проводника возникает п составляющих поля за счет взаимодейст-
вия полей рядом расположенных проводников.
Для определения постоянных интегрирования А71 запишем вы-
ражения напряженностей электрического и магнитного полей в ди-
электрике, окружающем проводники. Для диэлектрика уравнение
имеет вид
?S+.1_ «ь+± № .. I,
dr2 г dz г2 ду2
Решением данного уравнения является
Составляющая
2 (ДА + А/ 'n)cos/2f-
п— 1
(5.62)
магнитного поля
Я = У! (В,/72-’ - Слг-"-) cos /г?,
ItoLtr 1ОШ 4U
Z2-1
где Вп, Сп — постоянные интегрирования, для нахождения кото-
рых используются следующие условия:
непрерывность продольных состав-
ляющих электрического поля на гра-
нице проводник — диэлектрик: Е*г=
= при г = га\
непрерывность тангенциальных со-у
ставляющих магнитного поля —
= Н^ при Г = го;
закон полного тока: )2пг\
Дг
Рис. 5.18. Магнитное поле симметричной
цепи
162
соответствие законов убывания и возрастания магнитных полей
для проводников а и б.
Как видно из рис. 5.18, магнитные поля для одинаковых про-
водников на прямой, соединяющей центры проводников, равны меж-
ду собой: Н^а (при г)~Нуб (при а—г). Зная постоянные интегри-
рования, можно определить величины Ez и на поверхности про-
водников (при г — га).
Для нахождения сопротивления /?, Ом/км, и внутренней индук-
тивности L, Гн/км, подставим значение Ez и (5.58) и после со-
ответствующих преобразований получим:
(5.63)
где d — диаметр проводника, мм; а — расстояние между провод-
никами, мм.
Уравнение для расчета сопротивления цепи состоит из трех
слагаемых: сопротивления постоянному току сопротивления
за счет поверхностного эффекта 2R$F (kr) и сопротивления за счет
эффекта близости — третий член формулы (5.63). Оно справедли-
во для расчета сопротивления цепи при парной скрутке. Если не-
обходимо определить сопротивление при другом виде скрутки
(звездной или двойной парной), то необходимо учесть дополни-
тельные потери на вихревые токи в других проводниках группы,
для учета которых вводится параметр р. Для учета эффекта скрут-
ки проводников вводится параметр х, колеблющийся в пределах
1,02 ... 1,07 в зависимости от диаметра кабеля.
Окончательное уравнение для расчета сопротивления симмет-
ричного кабеля имеет вид, Ом/км,
R = 2/?ох 1 Д-Е (kr) +
pG(kr)(d/a)z -
\-H(kr)(d/a)\
(5.64)
При парной скрутке р—1, при звездной — р —5, при двойной пар-
ной— р=2. Значения F(kr); G(kr)\ H(kr)\ Q(kr) приведены в
табл. 5.1.
В кабелях связи, как правило, имеется несколько четверок.
Проводники соседних четверок, внося дополнительные потери на
вихревые токи, увеличивают сопротивление цепи. Кроме того, со-
противление возрастет за счет потерь в металлической оболочке.
Для определения дополнительного сопротивления /?М2оо> эквива-
лентного этим потерям, пользуются данными при f—200 кГц, при-
веденными в табл. 5.7.
Пересчет потерь в металле (/?м) для другой частоты произво-
дится по формуле
Дм = Д,2оо 1Д/200, (5.65)
163
Таблица 5.7
Повнвы смежных
четверок
Число четве-
рок в кабеле
Повивы внутри I Повивы внутри алюми-
свинновой оболочки I ниевой оболочки
1 2 1 3 1 1 1 2 3
22 8,1
14 5,2
1,5 5,5 0,6 2
0 0 1 4 0 0 0,4
где ^«200 — табличные данные; f — частота, кГц.
Выше было определено значение внутренней индуктивности
проводников. Индуктивность цепи в целом определяется суммой
внешней £вш и внутренней £вт~2£а индуктивностей: L~ £вш+2£а.
Значение внешней индуктивности определяется по формуле (5.56).
Так как ца”4л • 10~7цт, получим внешнюю индуктивность на 1 км:
Цш = 41пМ1£.10-\
т
Тогда общая индуктивность симметричной кабельной цепи, Гн/км,
L = Щ + 2Ы = [41п -—- + н<2 (kr)
I г
10-4.
Для низкочастотных симметричных кабелей, у которых можно
не учитывать эффект близости, сопротивления Д, Ом/км, и индук-
тивность L, Гн/км, определяются по упрощенным формулам
/? = 2/?0х[1 щ Е(йг)];
КГ4
(5.66)
5.12. ЕМКОСТЬ И ПРОВОДИМОСТЬ
ИЗОЛЯЦИИ СИММЕТРИЧНОЙ ЦЕПИ
Емкость С и проводимость изоляции G связаны с процессами в
диэлектрике. Под действием переменного электромагнитного поля
в диэлектрике происходит смещение диполей, их переориентация
и 'поляризация. Емкость характеризует способность поляризации и
величину токов смещения, проводимость изоляции определяет ве-
личину потерь в диэлектрике на переориентацию диполей и харак-
теризуется тангенсом утла потерь tgd.
Емкость и проводимость изоляции симметричных цепей можно
рассчитать по ранее выведенным формулам [см. (5.57)]. Обычно
принято проводимость изоляции выражать через тангенс угла ди-
164
Электрических потерь: tg 6—G/(соС) =сг/(сгеа). При этом G =
£=?(олеа tg 6/In [ (fl—r)/r]=coCtg6. Заменяя в данном выражении
Эа^&0£г, где со—Ю~9/ (36л), получим для 1 км кабеля, Ф/км,
36 In [(а — г) /г]
Соответственно G=coC tg 6Т См/км, где ег и tg 6 — диэлектриче-
ская проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь; а-:—
расстояние между проводниками; г—радиус проводника.
Реальные конструкции симметричных кабелей, как правило, со-
держат много пар и находятся в общих металлических оболочках.
С учетом близости соседних пар и влияния наружной металличе-
ской оболочки емкость симметричных кабелей для различных типов
скрхтки рассчитывают по следующей формуле, Ф/км:
С--xer10”e/[36 In (аф/7) ], (5.68)
где х — коэффициент скрутки кабельных цепей (1,02 ... 1,07); ег —
эффективная диэлектрическая проницаемость изоляции; ф — по-
правочный коэффициент, характеризующий близость металличе-
ской оболочки проводников.
Расчетные формулы коэффициента Ф для различных видов
группообразования кабелей приведены ниже:
Тип скрутки
Парная ...........
Звездная ..........
Двойная парная . . .
Поправочный коэффициент
(dE + — d)2—a2
При расчете проводимости изоляции G следует, кроме прово-
димости, обусловленной диэлектрическими потерями, учитывать
также проводимость, обусловленную утечкой тока в силу несовер-
шенства диэлектрика: Go— 1/7?из. По величине эта проводимость
изоляции обратно пропорциональна сопротивлению изоляции кабе-
ля (линии). В результате проводимость изоляции кабельной цепи,
См/м,
G—Gq-|— Gf—1//?изД~а)С tg d.
(5.69)
При расчете проводимости изоляции кабельных линий учиты-
вают, что по абсолютной величине потери в диэлектрике при пере-
менном Gf существенно больше, чем при постоянном токе Go, по-
этому проводимость в кабельных линиях рассчитывают по фор-
муле G=G;=(oCtg6. При расчете проводимости изоляции по по-
165
Таблица 5,8
Тип изоляции Е э | tg при частоте, кГц
10 | 100 250 | 550
К ордельн о-бумажная 1.3... 1,4 55 113 160 280
Кордельно-стирофлексная 1,2... 1,3 3 7 12 20
Полиэтиленовая (сплошная) 1,9... 2,1 о 6 8 14
Пористо-полиэти ленова я 1,4... 1,5 3 8 12 20
Балонно-полиэтиленовая 1,2... 1,3 2 6 8 1 12
стоянному току Go принимают: для городских телефонных кабелей
7?из—2 000 МОм • км, а для кабелей дальней связи—10 000 МОм • км.
Кабели связи, как правило, имеют сложную комбинированную
изоляцию, состоящую из твердого диэлектрика (бумаги, стирофлек-
са, полиэтилена и др.) и воздуха. Результирующие эквивалентные
значения диэлектрической проницаемости и угла диэлектриче-
ских потерь tgсложной изоляции определяются электрическими
свойствами и соотношением объемов составных ее частей. Причем
эквивалентные значения е:) и tg сложной изоляции близки к ве-
личинам е и tg б той части изоляции, которая занимает большой
объем. Данные еэ и tg симметричных кабелей приведены в
табл. 5.8.
5.13. ПАРАМЕТРЫ СИММЕТРИЧНЫХ
ЭКРАНИРОВАННЫХ ЦЕПЕЙ
Радиальная составляющая электромагнитной энергии, переда-
ваемой по экранированной цепи, лишь частично протекает внутрь
него, а остальная часть ее отражается и, накладываясь на поле
цепи, изменяет его амплитуду и фазу. Это приводит к изменению
параметров экранируемой цепи /?, L, С: R возрастает в силу допол-
нительных потерь в экране на вихревые токи; С возрастает за
счет наличия вблизи экранирующей оболочки, a L уменьшается за
счет ослабления магнитного поля внутри экрана.
Сопротивление цепи увеличивается на величину Ом/км, и
может быть определено по следующим формулам:
1) в области низких частот и тонких экранов при &/^0,3
л = 1,3, 5
£4гь2Д2 -р 4/?2
(5.70)
где 7?о.)=1/(2лгэДо) — сопротивление экрана постоянному току;
k—— коэффициент вихревых токов, 1/мм; А — толщина экра-
на, мм; г-} — радиус экрана, мм; а — половина расстояния между
проводами, мм;
166
Рис. 5.19. Частотные зави-
симости сопротивления по-
терь в экране:
/ — сталь; 2 — свинец; 3 — алю-
миний; 4 — медь
Рис. 5.20. Характер из-
менения индуктивности и
емкости цепи за счет
воздействия экрана
Рис. 5.21. Зависимость
первичных параметров
цепи от частоты
2) в области высоких частот при &Д—0,5 ... 3
n о у 1 а2г/ sh |/2 &Д 4- sin У 2 £Д
?э = а------------------!----------------Г
2пгэ г/ —a4 ch|/2 /еД —cos/2 &Д
(5.71)
где Z_M.a—Ушц/(2о) — активная составляющая волнового сопротив-
ления металла, из которого изготовлен экран, Ом;
3) в области еще более высоких частот при /?А^5, shz = chz
(5.72)
Частотная зависимость сопротивления потерь различных экра-
нов приведена на рис. 5.19. Толщина экрана 0,1 мм. Радиус экрана
17,5 мм.
Индуктивность симметричной экранированной цепи за счет воз-
действия отраженного от экрана магнитного поля несколько умень-
шается. Внешняя межпроводниковая индуктивность экранирован-
ной цепи может быть определена по формуле, Гн/км,
Лэ-4 In———
г
10-*
гэ2 + а2
(5.73)
Сравнивая это выражение с формулой расчета внешней индуктив-
ности неэкранированной цепи, видим, что воздействие экрана, учи-
167
тывается через параметр (гэ2—а2)) (гэ2+^2) • Для неэкранирован-
ной цепи этот диаметр равен единице. На рис. 5.20 показан харак-
тер изменения внешней индуктивности цепи и емкости за счет воз-
действия экрана.
Из приведенных данных следует, что с уменьшением радиуса
экрана межпроводниковая индуктивность существенно уменьшает-
ся. В реальных кабельных конструкциях изменение индуктивности
составляет 15 ... 20%.
Емкость симметричной экранированной цепи определяется по
формуле, Ф/км,
С =--------------ДО”8. (5.74)
3 2а г^-~ а2
361 п------
г г
Емкость экранированной цепи больше емкости неэкранирован-
ной. Математически это обусловлено величиной (гэ2—а2) / (г;)2+а2).
Как видно из рис. 5.21, чем ближе проводники расположены к эк-
рану (я/гэ->1), тем сильнее эффект воздействия экрана и больше
емкость цепи. При больших радиусах экрана (гэ^оо) емкость экра-
нированной цепи приближается к емкости неэкранированной цепи.
Проводимость изоляции экранированной цепи, так же как и
неэкранированной, определяется выражением o)C:jtg6.
5.14. ПАРАМЕТРЫ ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ
ЛИНИЙ СВЯЗИ
Параметры цепей воздушных линий связи могут быть опреде-
лены по тем же формулам, что и параметры кабельных-линий. От-
личие состоит в том, что у воздушных линий расстояния между
проводами больше (ц/г^50) и нет заметного искажения электро-
магнитного поля за счет взаимодействия долей проводов, не про-
является эффект близости и при расчете можно считать, что име-
ется осевая симметрия тангенциальных составляющих полей
(52Ег/5ф2—0). Тогда исходные уравнения примут вид:
1 dEz
i еда dr
Решая поставленную задачу аналогично, как и ранее для ка-
бельных линий, получим следующие формулы для параметров /?,
Ом/км, и £, Гн/км:
/?=2/?о [ !+£(£/') ]; L=[41n (а!г) 4-pQ {kr) ] • 10~4.
(5.75)
Сравнивая данные формулы с формулами расчета параметров
низкочастотных симметричных кабелей [см. (5.66) ], видим их пол-
ную идентичность. Аналогичный результат может быть получен как
168
удвоенная сумма параметров внутреннего проводника коаксиаль-
ного кабеля [(см. (5.20)]. Это соответствует физическому сущест-
ву явлений. Действительно, так как отсутствует эффект взаимодей-
ствия близости и нет искажений поля, то параметры двухпровод-
ной воздушной линии могут быть получены как удвоенная сумма
однопроводных параметров кабельной линии.
Параметры G, См/км, и С, Ф/км, воздушных линий рассчиты-
ваются также по аналогичным формулам расчета симметричных
кабелей:
С= 10~б/[ (36 In (a/r) ]; G— Go4-^, (5.76)
где GO=1//?H3 — проводимость изоляции при постоянном токе; п —
коэффициент, учитывающий потери в диэлектрике при переменном
токе. Для сухой погоды Go—0,01 ИО"6 См/км; п=0,05• 10~9; для
сырой погоды Go=O,O5-lO-6 См/км; п~0,25♦ 10~9. Гололед и измо-
розь существенно увеличивают проводимость изоляции воздушной
линии в области высоких частот. Все обозначения указаны в раз-
деле расчета симметричных кабельных цепей.
5.15. ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ
ПЕРВИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ
СИММЕТРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ
Рассмотрим графики зависимости первичных параметров линий
связи R, L, С, G от частоты, диаметра проводника и расстояния
между проводниками.
С увеличением частоты (рис. 5.21) 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. 5.22)
параметры /?, С, G закономерно уменьшаются, а индуктивность L
возрастает. Снижение R обусловлено уменьшением потерь на эф-
фект близости. Рост L связан с увеличением площади контура,
пронизываемого магнитным потоком. Емкость С уменьшается, так
как проводники удаляются друг от друга и уменьшается их взаи-
модействие.
С увеличением диаметра проводников (рис. 5.23) 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.
169
Рис. 5.22. Изменение первичных
ния между проводниками
Рис. 5.23. Изменение первичных
ра проводников
параметров цепи с
сведиченисм расстоя-
* ь
параметров дели с
увеличением диамст-
Рис. 5.24, Температурная зависимость сопротивления проводников
Порядок величин первичных параметров существующих типов
линий связи следующий: R- 5 ... 200 Ом/км; Е~0,6 ... 2 мГн/км;
С~5 ... 50 мФ/км; G—1 ... 200 мкСм/км. В кабельных линиях
за счет тонких проводников и близкого их расположения превали-
руют параметры R и С. Емкость кабеля в 3 ... 5 раз больше емко-
сти воздушной линии, а активное сопротивление — в 5 ... 10 раз.
Индуктивность кабеля, наоборот, меньше в 2 ... 3 раза.
Теоретически от температуры зависят все четыре первичных па-
раметра. Однако практически следует учитывать лишь температур-
ную зависимость активного сопротивления. Изменение от темпе-
ратуры L, С, G весьма незначительно.
Температурная зависимость активного сопротивления цепи
определяется по формуле
/?/-7?20[1+^(^20)], (5.77)
где Rf — сопротивление при температуре I С; /?20 — тоже при тем-
пературе 20 сС; «я — температурный коэффициент сопротивления,
равный для меди 0,004 и для алюминия 0,0037.
С увеличением температуры сопротивление цепи растет (рис.
5.24), Физически это объясняется тем, что с увеличением темпе-
ратуры возрастает хаотическое движение атомов решетки и за-
трудняется прохождение электронов через нее.
5.16. ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
СИММЕТРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ
Вторичные параметры симметричных цепей ZB, а, (3, о следует
рассчитывать по формулам, приведенным в гл. 4 (см. табл. 4.6).
В ряде случаев вторичные параметры выражают непосредственно
170
через параметры цепей (a, d) и качество исходных материалов (е
tgM- ___ v ’
Подставив в формулу 2В=УЛ/С значения L и С, получим зна-
чение волнового сопротивления симметричной цепи, Ом,"
Коэффициент затухания симметричной цепи с медными провод-
никами, дБ/км,
путем подстановки в эту формулу значений первичных параметров:
а = удоцух ( Л. 9,08 f J/Ttg г. Ю-5. (5.78)
1g [(а — г) г] 2г 1 а2 /
Коэффициент фазы, рад/км, определится формулой
Й = со У LC или (5.79)
где с — скорость света, равна 30 000 км/с.
Скорость распространения энергии, км/с,
v = 1/уТС = с/]/7. (5.80)
Типовые частотные зависимости вторичных параметров цепи,
приведенные в § 5.7, распространяются и на симметричные цепи.
Пример 5.2. Определить параметры симметричного кабеля типа МКС-4Х4
с медными жилами диаметром 1.2 мм и кордельно-иолистирольной изоляцией.
11 сходные да н и ы е: частота 250 кГц.
Диаметр изолированной жилы
d, - d— 2 6—2 А = 1.2- г - 2 0.8-т 2 • 0,14 - 3.0 8 нм.
Диаметр звездной группы
Ц3 = 2,41 d\—7,4 мм.
Расстояние между центрами жил а= 1,41 • d,4,34 мм.
1. Сопротивление цепи, Ом/км, (5.64)
Ю3
До 2-1.02 -0,0175 ---------= 31,5.
° 3,14-1.2'2 4
По данным табл. 4.1 определим kr:
kr = 0,0105 • cl/ = 0,0105-1,21250 000=6,3.
Значения F(kr), Н (kr) и G(kr) находим из табл. 4.2: F=i,4; G=l; /7=0,58
Г 5-1(1.2 4.34)2 1
R = 31’5 [’ + 1 4 + Г=ЗЗГДКТДГ] = 31 5 11 + >'4 + 0.5] = 91,4.
171
2. Индуктивность, МГн/км, (5.66)
4,34 — 0.6
L = 1,02 4 In----------4- =0,79.
По табл. 4.2 находим Q(kr) = Q(6,3) =0,45.
3. Емкость, нФ/км, (5.67)
4.34
п------0,64 = 23,9.
0,6
Коэффициент, характеризующий удаление жил от заземленной оболочки
[<7Л -L-2,96—i,2)2—4,162] /[ (7,14-2,96—1,2)2—4Л62]=0,64.
4. Проводимость изоляции, мкСм/км, (5.69)
G = 2 ЗЛ 4-250 000-23,9 10-9-4-IO'4- 15.
5. Коэффициент затухания, дБ/км, (табл. 4.6)
9i ,4 ./23?ТТ0~® , 15 1(W . ДО,79- 10-а
а ~ ,— I/ ---т--- 1/ ~—-—----, --
0,79-10~3
= (252 л Е4)- 10~3 — = 2.26.
6. Коэффициент фазы, рад/км.
Р = 2 3.14 • 250 000 /0.79-10 -з.23.9-10^“ = 6.77.
7. Волновое сопротивление, Ом, в области высоких частот
ZB = {/0.79-10~3/2,39- 10“s = 182.
8. Скорость распространения, км/с,
v = 1/И 0,79-10-2-23,9 • 10—9 = 231 000.
9. Время распространения, с/км,
Т.= !/и = |/0,79-10—3Z 23,9-10—» = 4.32.10—в.
КАБЕЛИ С ИСКУССТВЕННО УВЕЛИЧЕННОЙ
ИНДУКТИВНОСТЬЮ
5.17. ОПТИМАЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Одной из актуальных проблем кабельной техники является уве-
личение дальности связи без дополнительного расхода цветных
металлов. Для разрешения этой проблемы совершенствуют аппара-
туру связи и уменьшают затухание кабельной цепи. Электриче-
ские свойства кабеля связи любого типа полностью характеризуй
172
К)тся четырьмя первичными параметрами — R, L, С, G. Коэффи-
циент затухания связи с этими параметрами выражением
где ам — коэффициент затухания в металле; ад— коэффициент за-
тухания в диэлектрике.
Создать такую линию, в которой R—G — 0 невозможно, так как
любая реальная кабельная цепь обладает активным сопротивлени-
ем R и проводимостью G. Можно лишь подобрать такое соотно-
шение между параметрами цепи, чтобы затухание ее было наи-
меньшим. Условно вводя в приведенное выражение величины X—
=yRG!LGt получим
где ao“7RG.
Отсюда нетрудно доказать, что затухание цепи имеет минималь-
ное значение (.a —агшп) при X—1, т. е. когда ее первичные пара-
метры находятся в соотношении
RC — LG.
Такое соотношение является оптимальным, и к нему следует
стремиться при конструировании кабелей связи. Наименьшее за-
тухание цепи при это?м
2 2 Л
На рис. 5.25 показан характер изменения коэффициентов ам и
ад при различных значениях X. Из графика следует, что с ростом
X величина ам увеличивается, а ад резко падает. При Х~1 потери
в металле равны потерям в диэлектрике (ам=ад) и затухание
кабеля имеет наименьшую величину:
in м &д. о |2RG•
В кабелях оу шествующих типов Х>1, так как R и С превосхо-
дят по величинам L и G, т. е. RC^LG.
Таким образом, затухание может быть снижено либо уменьше-
нием R, что крайне затруднительно, так как величина R регламен-
тирована допустимым расходом меди (диаметром жилы), либо
уменьшением емкости цепи С, либо увеличением ее индуктивности
L. Для снижения емкости необходимо увеличить расстояние меж-
ду жилами кабеля, т. е. увеличить его габаритные размеры, что
явно нецелесообразно.
173
мального затухания составляет
Рис 5.25. Затухание в металле а*.- и в
диэлектрике аЛ при различных соотно-
шениях первичных параметров цепи
Единственным реальным путем
уменьшения затухания кабель-
ных линий связи является искусст-
венное увеличение индуктивности
цепи. Из (5.81) видно, что опти-
мальная величина индуктивности,
которой должна обладать кабель-
ная цепь для обеспечения мини-
Lo=RC/G. С возрастанием частоты
степень несоответствия параметров кабелей уравнению (5.81) су-
щественно уменьшается. Это объясняется увеличением проводимо-
сти изоляции с возрастанием частоты, в результате чего условие
(5.81) выполняется на определенной частоте без искусственного
повышения индуктивности. Значение олЛ можно найти с учетом
(5.67) из того же условия (5.81):
R/L — G/С—tg d/C~oj.vtg d. отсюда (,}V=R!L tg 6.
Для симметричных кабелей связи теоретически частота
=сщ/(2л) лежит в пределах 200 ... 600 кГц и для снижения за-
тухания в спектре практически используемых частот приходится
прибегать к искусственному увеличению индуктивности. Иногда
данное мероприятие оказывается экономически невыгодным даже
при относительно низких частотах.
Известно несколько различных способов искусственного увели-
чения индуктивности кабельных цепей связи: пупинизация, крару-
пизация, биметаллизация жил и, наконец, использование магнито-
диэлектрика.
5.18. ПУПИНИЗАЦИЯ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
Способ пупинизация кабельных цепей с целью увеличения их
индуктивности получил сравнительно большое применение в ка-
бельной технике. Способ заключается в том, что через определен-
ные расстояния, называемые шагом пупинизации 5, в кабельную
цепь включаются катушки индуктивности Ls (рис. 5.26щ), называе-
мые в честь их автора (Пупина) пупиновскими. В существующих
системах пупинизации кабелей дальней связи 5—0,285 ... 1,75 кгЩ
а 1 ... 140 мГн.
Звеном пупинизации называется участок линии протяженностью
в один шаг 5 и с одной катушкой Ls (рис. 5.26,6). В электриче-
ском отношении пупинизированная линия пропускает с малым за-
туханием определенный спектр низких частот (полоса прозрачно-
сти) и задерживает высокие частоты (полоса затухания). Эта осо-
174
Рис. 5.26. Эквивалентная схема пупинизированного кабеля:
а) пупинизированная цепь; б) звено пупинизации; в) фильтр нижних частот
Рис. 5.27. Пупиновская кагушка:
а) шаг пупинизации; б) разрез катушки; в) катушка в экране; / —обмотка; 2 - сердечник
бенность является крупным недостатком
кабелей. Предельная частота пупинизации
пупинизированных
О)о = 2/ VL3tC
ЗВ»
(5.82)
где L3B и Сзв — индуктивность и емкость звена пупинизации.
Пупиновские катушки представляют собой замкнутый кольце-
образный сердечник, обмотанный медной изолированной проволо'
кой (рис. 5.27). Сердечники пулиновских катушек изготовляются
преимущественно из магнитодиэлектрика, состоящего из магнитно-
го материала (карбонильного железа, феррита, альсифера) и ди-
электрика (лолистирола, шеллака, бакелитовой смолы и т. д.).
Собранные комплекты пулиновских катушек укрепляются на
стальном сердечнике и укладываются в латунный, а затем в чугун-
ный ящики.
Расчет пупинизированных цепей для полосы пропускания от О
до соо производится по следующим формулам.
Затухание звена пупинизации
д = аЛ/К1— тД (5.83)
где k — у 2xj(x Д-Цх* Д- 1) при х=[т](1—т|2)]/ао; Л — относи-
тельная частота, равная отношению расчетной частоты к предель-
ной T]=G>/CDo;
175
Таблица 5.9
Система пупинизации Шаг пу- пиниза- Нии, км Индук- тивность катушек, мГн Полоса передава- емых час- тот, Гд Расстоя- ние между усилите- лями, км Количест- во теле- фонных связей Дальность телефони* рования, км
Средняя Средняя Легкая Очень легкая Легкая радиовещательная Кабели с 1,7 1,7 1,7 1,7 1," обычной 140 "56 100/70 30 12 3,2 12 пупинизац 2 400 3 400 5 700 14 700 8 000 ии 140 120 70 70 70 I 1 1 + 1 1+3 1 1 400 1 800 3 500 10 500
Кабели высокочастотной пупинизации
Частая: кабель со ст и рефлекс- ной изоляцией кабель с бумажной изоляцией 0,285 0,425 1 ,75 1 60 000 60 000 120 55 14-12 0000 14-12 9 000 1 !
Здесь первый член характеризует потери в жилах кабеля (ам),
второй — в пупиновских катушках (ак) и третий — в диэлектрике
кабеля (ад), т. е. ^м+-йк4-«д. В существующих кабелях со-
ставляет 60 ... 70%, —20 ... 30% и —10% общего затухания.
Первичные параметры пупинизированного кабеля берутся для
одного звена и равны: /?ЗЕ=/?5-г7?и, G3B—CS4-CK; A3B“LS+AK;
63B=GS-%GK, где /?., L, C, G и Ск, GK — соответственно па-
раметры кабеля и катушки.
Коэффициент затухания пупинизированного кабеля ari“a/S.
На рис. 5.28 приведены частотные зависимости коэффициентов
затухания пупинизированного ап и непупинизированного а кабе-
лей. Из графика следует, что пупинизация в 2 ... 3 раза снижает
затухание в довольно широкой полосе частот (в этом достоинство
пупинизированных кабелей). Однако на частотах, близких к пре-
дельной и выше, ее затухание резко возрастет и даже становится
больше, чем у непупинизированных кабелей.
Недостатком пупинизированных кабелей являются ограничен-
ная дальность связи и сравни-
тельно узкий частотный диапазон
их использования.
Известно несколько различных
систем пупинизадии кабелей св.я-
Рис. 5.28. Коэффициенты затухания пуни-
цитированного и непупинизированного о
кабеля
176
зи (табл. 5.9). Из таблицы видно, что пупинизированные кабе-
ли имеют ограниченную дальность: при легкой пупинизации она
составляет 3500 км, а при средней — всего лишь 1400 км. Это
объясняется следующим. По нормам МККТТ для сохранения удов-
летворительного качества переговоров время распространения сиг-
нала 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 1 км,, с/км,
Т = р/ш = (o/LC/g) = VLC.
Отсюда предельная дальность связи, км,
I = t/T = 100- 10-3/)/LC. (5.84)
Чем больше величины L и С, тем медленнее проходит сигнал
по линии и тем меньше дальность связи. Естественно, что в пупи-
низированных цепях, индуктивность которых значительно больше,
чем непупинизированных, дальность связи невелика.
5.19. 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. 5.29,а) либо би-
металлических ожелезненных жил (рис. 5.30,6). Первый способ,
называемый крарупизсщией, состоит в нанесении на токопроводя-
щую жилу тонкой проволоки или ленты из стали, пермаллоя или
другого сплава с большой магнитной проницаемостью. По второму
способу на медную токопроводящую силу наносится электролити-
ческим путем тонкий слой железа (10 ... 20 мкм). Благодаря это-
му вокруг медной жилы образуется магнитопроводящая среда, уве-
личивается магнитный поток и соответственно возрастет индуктив-
ность кабеля.
Такого же эффекта увеличения индуктивности можно достиг-
нуть, используя магнитодиэлектрик (см. рис. 5.29,в). Технологиче-
ски слой магнитодиэлектрика наносится на медную жилу кабеля
обычным шприц-прессом. Особенность магнитодиэлектрика состоит
в; том, что, приближаясь по величине удельного сопротивления к
диэлектрикам, он в то же время обладает повышенной магнитной
проницаемостью. Благодаря магнитодиэлектрической оболочке по-
вышается индуктивность кабельной цепи, а потери вследствие
большого р остаются незначительными (коэффициент потерь на
вихревые токи обратно пропорционален удельному сопротивле-
нию):
177
Рис. 5.29. Способы увеличения индуктивности кабельных цепей:
а) наложение на проводник ферромагнитной обмотки; б) ожелезненис медных проводни-
ков; в) применение магнитно-днэлектрика; / — медный проводник; 2 — ферромагнитная об-
мотка; 3 — сталь; 4 — магнитодиэлектрик
Л
Рис. 5.30. Система связи:
а) двухпроводная; б) четырехпроводная
Существуют разнообразные магнитодиэлектрики, но наиболее
часто применяется полиэтилен с наполнением ферритом или альси-
фером. Увеличение степени наполнения магнитного порошка суще’
ственно повышает магнитную проницаемость магнитодиэлектрика
и одновременно снижает его удельное сопротивление. Так, магнито-
диэлектрик имеет ц—8 ... 10 и р=Ю7 ... 108 Ом-см.
Наряду с симметричными кабелями известны также конструкции
коаксиальных подводных кабелей с магнитодиэлектриком, в кото-
рых внутренний провод имеет покрытие магнитодиэлектриком из
композиции полиэтилена и феррита толщиной 1 ... 2 мм.
5.20. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ
МЕЖДУГОРОДНОЙ СВЯЗИ ПО
КАБЕЛЬНЫМ ЛИНИЯМ
На междугородных линиях связь организуется по двух- или че-
тырехпроводной схеме (см. рис. 5.30). При двухпроводной схеме
передача в прямом и обратном направлениях осуществляется по
одной паре проводов. При четырехпроводной схеме по одной паре
проводов осуществляется связь в прямом направлении, а по дру-
гой в обратном направлении. Эти схемы можно сравнить пр
дальности и устойчивости высокочастотной (ВЧ) связи, числу ка-
налов и взаимозащищенности между цепями.
1. По устойчивости и дальности связи преимущество за четы^
рехпроводными системами. Это объясняется тем, что при органи-
зации дальней высокочастотной связи по двухпроводной систем^
178
Ус1 Ф' 4Z7Z Уст ф;
Рис. 5.31. Схема ВЧ связи по двухпроводной системе при помощи фильтров
спектр делится на две части: нижнюю и верхнюю. Нижняя часть
спектра используется для передачи в одном направлении, а верх-
няя—-для передачи в обратном. Такая двухпроводная система в
каналах ВЧ является электрически четырехпроводной. Для разде-
ления передачи в прямом и обратном направлениях и предотвра-
щения генерации на входе и выходе каждого усилителя ставятся
разделительные фильтры (рис. 5.31). Эти фильтры вносят искаже-
ния и лимитируют дальность связи по двухпроводной схеме.
При четырехпроводной системе связь в прямом и обратном на-
правлениях осуществляется в одной и той же полосе частот, но,
как указывалось выше, для прямой и обратной передач использу-
ются различные пары проводов и в разделительных фильтрах нет
необходимости (рис. 5.32). Последнее является существенным пре-
имуществом четырехпроводной системы высокочастотной связи,
так как значительно упрощает усилительное оборудование и по-
зволяет осуществить устойчивую связь на значительные расстоя-
ния.
2. По числу организуемых каналов двух- и четырехпроводная
системы высокочастотной связи равноценны. Это положение на-
глядно иллюстрируется следующим примером. Рассмотрим 120-ка-
нальную систему передачи в диапазоне 12 ... 552 кГц.
При двухпроводной системе первая половина спектра (12 ...
... 252 кГц) отводится для связи в одном направлении, а вторая
половина (312 ... 552 кГц) —для передачи в обратном. В резуль-
тате по одной паре проводов осуществляется 60 двусторонних ка-
налов. Для получения 120 каналов необходимо занять две пары
проводов.
При четырехпроводной системе по одной паре организуется 120
каналов связи (12 ... 552 кГц) в прямом направлении, а по второй
паре в том же частотном
диапазоне (12 ... 552 кГц) —
120 каналов в обратном
направлении. В итоге об-
щее количество каналов
- п.
?ис. 5 .32. Схема ВЧ связи по че-
тырехпроводнон системе
179
Рис. 5.33. Сравнение систем ВЧ связи по числу каналов:
а) двухпроводная; б) четырехпроводная
связи по двум парам проводов как при четырехпроводной, так и
двухпроводной системах одинаково pi равно 120 (рис. 5.33).
Однако если имеется удвоенное количество цепей, то при четы-
рехпроводной системе связи можно образовать такое же число
каналов, как и при двухпроводной, используя в 2 раза меньший
диапазон частот. Это позволит работать при меньшем затухании
кабельной линии, в связи с чем увеличивается расстояние между
усилительными пунктами и сократится число их на магистрали.
3. По помехозащищенности целей преимущество за двухпро-
водной системой. При передаче электромагнитной энергии по од-
ной из цепей (влияющей) часть энергии будет переходить в виде
помех в соседние цепи (подверженные влиянию), расположенные
в общем кабеле. Цеп,и в кабеле могут оказаться как в совпадаю-
щем, так и во встречном режимах передачи (рис. 5.34). Установ-
лено, что в наихудших условиях (в смысле взаимного влияния)
находится встречная передача. В этом случае высокий исходящий
уровень влияющей цепи попадает на приемник цепи, подверженной
влиянию, и создает в нем значительную помеху. Уровень помех за
счет влияния соседней цепи в данном случае может оказаться со-
измеримым с полезным сигналом и подавить его.
Рис. 5.34. Режимы передачи по кабельным цепям:
а) совпадающий; б) встречный
180
j Ток помех
/ (12-552 кГц)
Рис. 5.35. Влияние в кабелях междугородной связи при системе:
а) двухпроводной; б) чстырехнроводноп
Если передача по влияющей и подверженной влиянию цепям
совпадает, то энергия распространяется с одинаковым уровнем и
поэтому помехи воздействуют значительно меньше. В двухпровод-
ной системе высокочастотной связи цепи в кабеле находятся в сов-
падающем режиме передачи, а при четырехпроводной системе свя-
зи—во встречном режиме. Это наглядно иллюстрируется рис. 5.35,
где показано взаимное влияние между цепями при двух- и четы-
рехпроводной системах связи.
При двухпроводной системе в каждой цепи передается в на-
правлении Д— Б один спектр частот (например, 12 ... 252 кГц),
а в.обратном направлении от Б—А—другой спектр (например,
312 ... 552 кГц). При четырехпроводной системе связи передача
в прямом (А — Б) и обратном (5 — Д) направлениях осуществля-
ется в одном и том же спектре частот (например, 12 . . . 552 кГц).
Поэтому взаимные влияния между кабельными цепями при
двухпроводной системе ВЧ связи меньше, чем при четырехпровод-
ной.
Оценивая двух- и четырехпроводную систему в целом по всем
параметрам, можно признать, что четырехпроводная система обла-
дает существенными преимуществами по устойчивости и дальности
связи и равноценна двухпроводной системе по числу каналов. По-
этому она является наиболее целесообразной схемой организации
дальней высокочастотной связи. Для повышения помехозащищен-
ности цепей и устранения нежелательного режима встречной пере-
дачи на кабельных магистралях применяется двухкабельная систе-
ма связи. В этом случае прямые и обратные цепи помещаются в
отдельных кабелях (рис. 5.36) (цепи направления А—Б в кабеле 1,
а цепи направления Б—А в кабеле 2). В результате в каждом
кабеле находятся цепи, взаимно согласованные по режиму пере-
дачи.
181
Рис. 5.36. Системы связи:
о
а) однокабельная; б) двухкабельная
Цепи прямой и обратной передач можно разделить также с по-
мощью электромагнитных экранов, т. е. организовать по экрани-
рованным кабелям высокочастотные четырехпроводные пели при
однокабельной системе связи.
На воздушных линиях связи четырехпроводные схемы связи не
применяются, так как для устранения режима передачи пришлось
бы сооружать две параллельные воздушные линии, что совершенно
нецелесообразно. Поэтому на воздушных линиях организуется
двухпроводная система связи с разнесенными полосами частот.
Ограничении в дальности связи, накладываемые двухпроводной
схемой, при учете больших длин трансляционных участков на воз-
душных линиях не имеют существенного значения.
Изложенное выше относится, главным образом, к симметрич-
ным кабельным линиям. На коаксиальных кабельных магистралях
применяется четырехпроводная схема связи при однокабельной си-
стеме связи. Благодаря высоким экранирующим свойствам коакси-
альных цепей! возможна передача в прямом и обратном направле-
ниях по одному коаксиальному кабелю.
Таким образом, на существующих линиях дальней связи при-
няты следующие системы организации связи.
Схема связи Система организации
Симметричный кабель................Четырехпроводная
Коаксиальный кабель . ............Четырехпроводная
Воздушная линия . . ..............Двухпроводная
Двухкабельная
Однокабельная
Одна линия
ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ
5.21. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Особая актуальность и народнохозяйственное значение разви-
тия волоконно-оптической связи состоят в том, что ресурсы меди и
свинца в мировом балансе добычи крайне ограничены, а кабель-
ная промышленность потребляет до 50% меди и 25% свинца от
общих ресурсов. Оптические кабели в отличие от широко применяв
емых электрических кабелей с медными проводниками, не требуют
дефицитных материалов и изготавливаются, как правило, из стек-
ла и пластмассы.
182
Достоинствами оптических кабелей, по сравнению с электриче-
скими, являются помимо экономии меди:
широкополосность и возможность передачи большого потока
информации;
малое затухание и независимость его от частоты в широком
диапазоне частот;
высокая защищенность от внешних электромагнитных помех;
малогабаритность и легкость (масса оптических кабелей в
10 ... 12 раз меньше, чем электрических);
надежная техника безопасности (невоспламеняемость, отсутст-
вие короткого замыкания).
Для передачи на расстояние различного рода информации лю-
ди издавна использовали световую информацию. Для увеличения
дальности передачи сообщений применялись цепочки переприем-
ных сигнальных постов. Так, в начале XIX столетия действовала
семафорная линия связи Петербург — Варшава протяженностью
1200 км. Через каждые 40 км на высоких опорах располагались
установки, в которых осуществлялась ретрансляция передаваемых
световых сигналов. Передача по такой линии даже короткого со-
общения требовала нескольких часов. Кроме того, передача зави-
села от состояния погоды (видимости) и не была защищена от
помех и перехватов. С появлением радиосвязи, изобретенной на-
шим соотечественником А. С. Поповым, оптические семафорные
линии перестали строить. Сегодня мы являемся свидетелями воз-
врата к использованию света для целей связи, но делается это на
совершенно новой основе с применением всех достижений совре-
менной науки и техники: квантовой физики, оптоэлектроники и
радиотехники.
Технико-экономический анализ показал, что в перспективе при
массовом производстве оптических кабелей, они будут конкурент-
носпособными с электрическими при потребностях в больших пуч-
ках связи.
Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей
связи явилось появление оптического квантового генератора-ла-
зера.
Советскими учеными, академиками Н. Г. Басовым и А. М. Про-
хоровым, выполнены фундаментальные исследования в области
оптоэлектроники и квантовой техники.
Первые работы по освоению оптического диапазона волн для
целей связи относятся к началу 60-х годов. В качестве тракта пе-
редачи использовались приземные слои атмосферы и световоды с
периодической коррекцией расходимости и направления луча с по-
мощью системы линз и зеркал. Открытые (атмосферные) линии
оказались подверженными влиянию метеорологических условий ине
обеспечивали необходимой надежности связи. Линзовые световоды
ей дискретной коррекцией оказались весьма дорогостоящими, тре-
бовали тщательной юстировки линз и сложных устройств автомати-
183
ческого управления лучом. Они не нашли практического примене-
ния на сетях связи.
Создание высоконадежных оптических кабельных систем свя-
зи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов
оптических волокон с малыми потерями. Такие волокна в значи-
тельной мере стимулировали разработку специализированного обо-
рудования и элементов линейного тракта оптических кабельных
систем передачи (генераторов, фотоприемников, разъемных и не-
разъемных соединителей, ответвителей и других элементов).
Несмотря на то, что с момента создания лазера прошло не так
много времени, он получил применение в различных отраслях на-
родного хозяйства: машиностроении, сварке металлов, медицине,
атомной энергетике, локации, космосе, при проходке шахт, элек-
тронно-вычислительных и измерительных комплексах, связи и т. д.
Оптические системы применяются также для космической связи.
В настоящее время оптические системы и кабели связи вышли
из стадии лабораторных опытов и вступили в стадию практическо-
го внедрения. В первую очередь они используются для устройства
соединительных линий между АТС и в пригородах, где они заме-
няют весьма металлоемкие кабели с медными жилами. Применя-
ются они также для передачи широкополосной информации (теле-
видение, передача данных, видеотелефон) по местным сетям связи.
Получают также широкое развитие оптические кабельные системы
связи на зоновой и магистральной сети.
В СССР действует несколько волоконно-оптических линий с
цифровыми системами передачи (ИКМ-30 и ИКМ-120) в гг. Моск-
ве, Горьком, Минске, Ташкенте и Ленинграде. В двенадцатой пяти-
летке намечается строительство оптических кабельных линий во
многих городах страны. Будут построены также линии зоновой и
магистральной связи большой протяженности.
Известно также эффективное использование оптических кабе-
лей на вычислительных комплексах, подвижных объектах, лета-
тельных аппаратах, мобильных устройствах и других объектах.
Широкое развитие оптические системы передачи получают за
рубежом (Япония, США, Франция и др.).
Наряду со строительством подземных оптических линий связи,
проектируются подводные кабельные линии через Атлантический и
Тихий океаны.
Можно без преувеличения сказать, что приход оптоэлектронных
систем и кабелей связи на смену электрическим имеет такое же
значение для науки и техники, какое в свое время имела замена'
вакуумных ламп транзисторными приборами.
5.22. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ
Оптическая световодная связь базируется на применении кван-
товых приборов, называемых лазерами. Лазер — это слово, состав-
ленное из первых букв фразы на английском языке — усиление
света с помощью стимулированного излучения энергии. Лазерные
системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при пере-
даче‘по кабелям используются частоты порядка мегагерц, а по
волноводам — гигагерц, то для лазерных систем используется види-
мый и инфракрасный спектры оптического диапазона волн (1013 ...
... 1014 Гц).
Принцип действия квантовых приборов (лазеров) основан на
использовании излучения атомов вещества под воздействием внеш-
него электромагнитного поля. Из квантовой механики известно,
что движение электронов атома вокруг ядра характеризует энер-
гетическое состояние электронов, иначе называемое энергетическим
уровнем. При переходе электронов с одной орбиты на другую под
воздействием внешнего электромагнитного поля меняется энерге-
тический уровень и происходит излучение энергии.
Чтобы электроны перевести на верхний уровень, к атому необ-
ходимо подвести дополнительную энергию. Процесс энергетическо-
го перехода при излучении показан на рис. 5.37. За счет подводи-
мой электрической энергии электроны переводятся на вспомога-
тельный уровень 3. затем происходит их произвольное скопление на
верхнем энергетическом уровне 2. Возвращение электронов в ос-
новное состояние на нижний энергетический уровень / сопровож-
дается интенсивным излучением квантов света — фотонов.
В настоящее время известны различные типы лазеров, напри-
мер, полупроводниковые, твердотельные, газовые и др. Полупро-
водниковый лазер представляет собой полупроводниковый! диод ти-
па р -- ц, выполненный из активного материала, способного излу-
чать световые кванты - фотоны. В качестве такого материала
преимущественно используется арсенид галлия (GaAs) с соответ-
ствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). В
зависимости от характера и количества присадок полупроводник
имеет области электронной п (за счет теллура) и дырочной р (за
счет цинка) проводимостей.
Под действием приложенного напряжения в полупроводнике
происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает излу-
чение световой энергии и появляется поток фотонов. Этот поток,
многократно отражаясь от зеркал, образующих резонансную си-
стему, усиливается, что приводит к появлению лазерного луча
с остронаправлен ной! диаграммой излучения.
Схематично полупроводниковый лазер показан на рис. 5.38.
Объем полупроводника примерно 1 мм3. К нему подведены метал-
лические электроды для подачи электрического напряжения. Роль
отражающих зеркал выполняют плоскопараллельные отполиро-
ванные торцевые грани полупроводника. Излучение происходит в
слое р—ц-перехода толщиной 0,15 . . . 0,2 мкм.
В настоящее время в качестве источников оптического излуче-
ния наряду с лазерными применяются светодиоды. Светодиод
185
Рис. 5.37. Световое излучение
пол воздействием электрическо-
го поля:
Г— нижний уровень; 2 — верхний
уровень; 3 — вспомогательный уро-
ВОН ь
Рис. 5.38. Принцип действия
полупроводникового лазера
Рис. 5.39. Спектр излучения:
/ — лазер, 2 — светодиод
представляет собой такой же люминесцентный полупроводник типа
р—п из арсенида галлия, но не имеет резонансного усиления. В от-
личие от лазера, обладающего остронаправленным когерентным
лучом, за счет стимулированного резонансного излучения в свето-
диоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч
имеет меньшую мощность и широкую направленность излучения
(рис. 5.39).
Сравнивая обычный свет, создаваемый, например, лампочкой
накаливания, с лазерным лучом, можно отметить, что в обоих слу-
чаях действует поток фотонов. Но в отличие от обычщэго света,
имеющего тепловую природу возникновения и излучающего очень
широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет электро-
магнитную основу и представляет собой монохроматический (одно-
волновый) луч. В лазерах имеет место строго фазированное, ко-
герентное, т. е. согласованное во времени и пространстве, движе-
ние фотонов.
Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он рас-
пространяется на большие расстояния и имеет строго прямолиней-
ное направление. Луч движется очень узким пучком с малой сте-
пенью расходимости. Так, лазерный луч достигает Луны с фокуси-
ровкой в сотни метров. Лазерный луч выделяет много тепла и
может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсив-
ность луча больше, чем у самых сильных источников света.
Оптическая связь в качестве среды распространения использует
атмосферу, космическое пространство и световоды. Наземная опти-
ческая связь с использованием атмосферы ограничивается поте-
186
рями и рассеянием энергии в атмосфере, требует лазеров большой
мощности и, кроме того, существенно зависит от метеорологических
климатических условий. Применение лазеров для целей связи в
космическом пространстве более перспективно, чем в атмосфере, и
может быть осуществлено на лазерах небольшой мощности.
Оптическая связь в закрытых сферах — по световодам и опти-
ческим кабелям — относится к области передачи энергии по на-
правляющим системам, и ниже рассматривается лишь этот аспект
оптической связи. Известные в настоящее время световоды можно
разбить на два класса: с дискретной периодической фокусиров-
кой—линзовые (трубопроводные) и с непрерывной фокусировкой—
оптические кабели из стекловолокна.
Линзовые световоды не получили развития ввиду громоздкости
конструкций и сложности юстировки устройств.
Волоконные световоды — вот основное перспективное направле-
ние развития техники передачи информации.
5.23. ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ И
ПРИНЦИП ИХ ДЕЙСТВИЯ
Основным элементом оптического кабеля является волоконный
световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилин-
дрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную кон-
струкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптиче-
скими характеристиками— (показателями преломления пл и п2)
Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. На-
значение оболочки: создание лучших условий отражения на грани-
це сердцевина — оболочка и защита от излучения энергии в окру-
жающее пространство. Снаружи располагается защитное покры-
тие для предохранения волокна от механических воздействий и на-
несения расцветки (рис. 5.40).
Рассмотрим физические процессы, происходящие при распрост-
ранении электромагнитных волн в волоконных световодах опти-
ческих кабелей. В отличие от обычных кабелей, обладающих элек-
трической проводимостью и током проводимости /пр, ОК имеют со-
вершенно другой механизм передачи, а именно токи смещения /гм
на основе которых действует также радиопередача. Отличие от
радиопередачи состоит в том, что волна распространяется не в
свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме свето-
вода и передается по нему в заданном направлении (рис. 5.41).
Передача волны по световоду осуществляется за счет отраже-
ний ее от границы сердечника и оболочки, имеющих разные пока-
затели преломления (щ и п2).
В обычных кабелях носителем передаваемой информации явля-
ется электрический ток, а в ОК— лазерный луч.
и В обычных широко применяемых в настоящее время симмет-
ричных и коаксиальных кабелях передача осуществляется по двух-
187
Рис. 5.40. Поперечное сечение волоконного
световода:
/ сердцевина: 2 — оболочка; 3 — первичное покры-
тие: 4 — защитное покрытие
проводной схеме с применением пря-
мого и обратного проводника цепи
(рис. 5.42,62). В световодах, вол-
новодах и других направляющих си-
стемах нет двух проводников, и передача происходит волно-
водным методом. Передача осуществляется за счет многократ-
ного отражения волны от границы раздела сред (рис. 5.42,6). Та-
кой отраженной границей может быть металл — диэлектрик, ди-
электрик— диэлектрик с различными диэлектрическими (оптиче-
скими) свойствами и др. На волноводном принципе действуют све-
товод, волновод, линия поверхностной волны, диэлектрический вол-
новод и другие конструкции направляющих систем.
Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волновод-
ных (односвязных) направляющих систем характеризуется соот-
ношением между длиной волны л и поперечными размерами на-
правляющей системы d. При k>d требуется два провода: прямой
и обратный, и передача происходит по обычной двухпроводной
схеме. При K<Zd не требуется двухпроводной системы, и передача
происходит за счет многократного зигзагообразного отражения
волны от границ раздела сред с различными характеристиками.
Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волно-
водам и другим НС) возможна лишь при частотах, когда длина
волны соизмерима или меньше, чем поперечные размеры — диа-
метр НС.
Рис. 5.41. Процесс передачи:
а) по радио; б) по саетоводу
Рис. 5.42. Двухпроводные (а) и волноводные f6) направляющие системы
188
Рис. 5.43. Волноводные световоды со сту-
пенчатым (а) и градиентным (б) профилем
показателя преломления
Рис. 5.44. Различные про-
фили градиентного свето-
вода
Наиболее широкое применение получили волоконные светово-
ды двух типов: ступенчатые и градиентные (рис, 5.43). У ступен-
чатых световодов показатель преломления в сердечнике постоя-
нен и имеется резкий переход от сердцевины к п2 оболочки, и
лучи зигзагообразно отражаются от границы сердечник — оболоч-
ка. Градиентные световоды имеют непрерывное плавное измене-
ние показателя преломления в сердцевине по радиусу световода
от центра к периферии, и лучи распространяются по волнообраз-
ным траекториям. Показатель преломления сердцевины меняется
вдоль радиуса по закону показательной функции
где п\ — максимальное значение показателя преломления на оси
волокна, т. е. при г=0; и — показатель степени, описывающей
профиль изменения показателя преломления:
На рис. 5.44 показан характер изменения показателя прелом-
ления сердцевины при разных значениях и.
Чаще всего применяются световоды с параболическим профи-
лем. В этом случае п—2 и соответственно
г \ 2Ц/2
(5.86)
Если принять и—оо, то получим известное значение п ступен-
чатого световода
— [1—Д].
189
Таблица 5.10
Частота и длина волны икл ВЛ УФЛ
f. Гц 10!2...4-10[4 4- 10м... 0,75-10’5 0,75-Ю’5... 1017
X, мкм 300... 0,75 0,75 ... 0,4 0,4 ... 0,03
Как известно, свет имеет двойственную природу: волновую и
корпускулярную (квантовую). Волновая теория света обосновы-
вает, что все свойства света совпадают со свойствами электромаг-
нитных волн, и свет является разновидностью электромагнитных
колебаний очень высоких частот (1014 ... 1015 Гц) и очень коротких
волн (микроны). Различие в цвете объясняется различием длин
волн. Так, красный цвет соответствует 2,—0,7 мкм. зеленый —
0,55 мкм, фиолетовый — 0,4 мкм. В этом случае применяется вол-
новая теория электродинамики и уравнения Максвелла.
По корпускулярной теории свет — это поток быстро движу-
щихся мелких частиц (корпускул), которые излучаются светя-
щимся телом. Корпускулы излучаются отдельными порциями
(квантами). Здесь пригодна лучевая теория. Лучи света распрост-
раняются по законам геометрической оптики. Таким образом, тео-
рия света является синтезом волновых и квантовых его свойств.
Видимый спектр света на шкале частот располагается между
инфракрасными и ультрафиолетовыми диапазонами (табл. 5.10).
Для связи по световодам используются видимые лучи (0,4 ...
...0,75 мкм) и ближний диапазон инфракрасных лучей (0,85...
... 1,3... 1,55, до 4 ...6 мкм). Основы лучевой теории и физические
аспекты волновой теории передачи по волоконным световодам
рассмотрим раздельно. Сравнивая волновую и лучевую теории
световодов, можно отметить, что лучевые методы менее громоздки
и дают весьма наглядное объяснение физическим процессам, про-
исходящим в световодах.
5.24. ЛУЧЕВАЯ ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ ПО
СВЕТОВОДАМ
Изучим процесс прохождения меридиональных лучей по двух-
слойному световоду. Лучи света распространяются зигзагообраз-
но по сердечнику световода, многократно отражаясь от границы
сердцевина — оболочка (рис. 5.45).
Здесь луч образует с поперечным сечением световода угол 0
и многократно отражается от границы сердцевина — оболочка под
углом 20. Как видно из рисунка, между длиной волны X, диамер
ром сердцевины световода d и углом 0 действует следующее соопн
ношение: cos0^X/d.
190
a)
Рис. 5.45. Распространение энергии в световоде:
а) короткие волны (/.->0); б) волны, соизмеримые с диаметром сердечника (l.-rd): в) кри-
тические волны
e = o°
A — a
f= ft
На рис. 5.45 показаны предельные случаи распространения ма-
лых длин волн (А,->0) (рис. 5.45,а) и волн, соизмеримых с диа-
метром световода (X-+d) (рис. 5.45,6) и критических волн
(рис. 5.45,в). В первом случае (Х-^0 и угол 0 — 90^, отра-
жений мало и луч стремится к прямолинейному движению вдоль
световода. Продольная составляющая Е (или Н) имеет мини-
мальное значение и передача по световоду происходит в опти-
мальном 'режиме. Во втором случае [l—+d и f—> —) угол 0->
A d )
-^0”, луч испытывает большое число отражений, и поступательное
движение его весьма мало.
При определенной длине волны наступает такой режим, ког-
да 0—0, луч падает на оболочку световода и отражается перпен-
дикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны и
энергия вдоль не переносится. Это соответствует случаю крити-
ческой длины волны Хо — d и критической частоты jQ
^0
(рис. 5.45,в).
Таким образом, в световоде могут распространяться лишь вол-
ны длиной, меньшей, чем диаметр сердечника (X<d).
Однако учитывая, что в световоде границей раздела сред
сердцевина — оболочка являются прозрачные стекла, возможно не
только отражение оптического луча, но и проникновение его
в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и
излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать
условие полного внутреннего отражения. Реализация этого усло-
вия применительно к двухслойному световоду показана на
рис. 5.46. По законам геометрической оптики в общем виде на
границе сердечник — оболочка будут падающий, отраженный и
преломленный лучи (лучи 1 и 2 в точках А и Б). Известно, что
при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей
191
Рис. 5.46.
Рис. 5.47.
Рис. 5.46. Прохождение лучей в двухслойном световоде: имеется преломленный
луч (точки А и Б); отсутствует преломленный луч — режим полного отражения
(точка В)
Рис. 5.47. Апертура волоконного световода
плотностью луч при определенном угле падения полностью отра-
жается и не переходит в другую среду. Преломленный лун отсут-
ствует. Угол падения ф, начиная с которого вся энергия отража-
ется от границы раздела сред, т. е. при ф=0в, называется углом
полного внутреннего отражения (луч 3 в точке В).
Этот угол определяется из соотношения:
sin 6Ь> = , (5.87)
где ц и 8 — соответственно магнитная и диэлектрическая прони-
цаемости сердцевины (pi, ei) и оболочки (ц2, £2). При ф>0в
энергия, поступившая в сердцевину, полностью отражается и зиг-
загообразно распространяется по световоду. Чем больше угол па-
дения луча, т. е. ф>®в в пределах от 0в до 90е, тем лучше усло-
вия распространения и быстрей энергия придет к приемному
концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердцевине
световода и практически не излучается во вне. При угле, меньшем
угла полного отражения, т. е. ф<0д, энергия проникает в обо-
лочку, излучается во внешнее пространство, и передача по свето-
вод)' неэффективна (лучи 1 и 2 в точках А и Б).
Режим полного внутреннего отражения предопределяет усло-
вие подачи света на входной торец волоконного световода. Как
видно из рис. 5.47, световод пропускает лишь свет, заключенный
в пределах телесного угла (0л), величина которого обусловлена
утлом полного внутреннего отражения (0в). Этот телесный угол
характеризуется апертурой.
Апертура — это угол между оптической осью и одной из об-
разующих светового конуса, попадающего в торец волоконного
световода, при котором выполняется условие полного внутреннего
отражения. Обычно пользуются понятием числовой апертуры:
192
Д/Л = z?osin 0.4. Имея в виду, что для воздуха По'— 1, получим
АА — sin 6.4 — ]/щ2 — п22,
(5.88)
где пОу П], п2 — показатели преломления соответственно воздуха,
сердечника, оболочки.
Как видно из рис. 5.47, между углом полного внутреннего от-
ражения бв и апертурным углом падения луча 0.4 имеется взаи-
мосвязь. Чем больше угол 0В, тем меньше апертура волокна 0л.
Необходимо стремиться к тому, чтобы угол ввода луча в торец
световода ф укладывался в апертурный угол (ф^0.4), а угол па-
дения луча на границу сердцевина — оболочка был больше угла
полного внутреннего отражения и находился в пределах
9s ... 90°.
Следует иметь в виду, что в общем виде по световодам воз-
можна передача лучей двух видов: меридиональных и косых
(рис. 5.48). Меридиональные луни расположены в плоскости, про-
ходящей через ось световода; косые лучи не пересекают ось све-
товода и могут проходить по весьма сложным траекториям.
Рассмотрим критические частоты и длины волн волоконных
световодов. Выше было показано, что между длиной волны к и
диаметром сердцевины световода d имеется соотношение cos и—
— Л/с/, где 0 — угол падения волны на границу раздела сердце-
вина-оболочка. Учитывая, что cos 0 —У I— sin20, и используя
условие полного внутреннего отражения sin 0 — сю/Щ, получаем
cos 0=V 1 — (П1/п2)2- Приравнивая правые части выражений коси-
нусов, имеем
откуда критическая длина, волоконного световода
Критическая частота
где си—скорость распространения волны в сердечнике.
Анализируя полученные соотношения, можно отметить, что чем
больше диаметр сердцевины волоконного световода d и чем боль-
ше отличаются показатели преломления сердцевины и оболоч-
ки п2, тем болыше критическая длина волны и соответственно ни-
же критическая частота.
7—6К36 193
Ряс. 5.48. Меридиональные
(а) и косые (б) лучи в све-
товоде
2
Рис. 5.49. Затухание сигнала в
i 1 а и р а вл я ю i них с if сто м а х :
1 — волноводная: 2 — двухпроводная
Изложенное дает основание сделать вывод, что при частотах
выше критической Д вся энергия поля концентрируется внутри
сердечника световода и эффективно распространяется вдоль него.
Ниже критической частоты энергия рассеивается в окружающем
пространстве и не передается по световоду.
Особенности различных направляющих систем связаны с ча-
стотными ограничениями при передаче по ним энергии
(рис. 5.49). Принципиально различен частотный диапазон пере-
дачи по волноводным и двухпроводным системам. Волноводные
системы имеют частоту отсечки—критическую частоту Д, ведут
себя как фильтры ВЧ и по ним возможна лишь передача волн
длиной меньше Ло. Волна НЕИ не имеет критической частоты.
Двухпроводные системы свободны от этих ограничений и спо-
собны передавать весь диапазон частот от нуля и выше. Правда,
потери и затухание в них больше.
5.25. ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ
ПО СВЕТОВОДАМ
Волновая теория включает рассмотрение процесса распростра-
нения света как разновидности электромагнитных волн. Матема-
тически решения осуществляются на основе уравнений Максвелла
с использованием цилиндрических функций.
Рассмотрим волоконный световод без потерь двухслойной кон-
струкции, приведенный на рис. 5.50. Для описания поведения
электромагнитного поля в сердечнике (0<г<ф и в оболочке
(a<2r<6b) необходимо использовать различные функции. Исходя
из физической сущности процессов функции внутри сердечника
при г=0 должны быть конечными, а в оболочке должны описы-
вать спадающее поле.
194
Рис. 5.50. К расчету волоконного световода
“ НДЖ I
Используем цилиндрическую систему координат, К
ось. которой совместима с осью цилиндра. Попереч-
ные составляющие напряженности электрического и
магнитного полей могут быть выражены через про-
дольные составляющие Е: и Hz. Для сердечника имеем следую-
щую систему уравнений (4.19):
Здесь g}2^k[2~р2 — поперечный коэффициент распространения
в сердечнике световода; р— коэффициент распространения в све-
товоде; — волновое число среды с коэффициентом прелом-
ления П\\
К = wKuIHs(ll = .= lanjc = 2-nnJl. (5.89)
Решение данных уравнений для сердечника следует выразить
через цилиндрические функции первого рода ~ функции Бесселя,
имеющие конечные значения при г = 0. Поэтому для r<Za можно
написать:
(gv) е’^е’Рг,
Нг = B„Jri (gv) е‘П(ре~ ,
4* де Д,, и Ва — постоянные интегрирования.
Используя известные соотношения между продольными и по-
перечными компонентами поля, можно написать следующие вы-
ражения для поперечных составляющих электрического и магнит-
ного полей в сердечнике световода (множитель е‘'г(₽е~рг не пи-
шем): о
Ч>1 -- | Jn (gp ) В,; pj
gr L r
195
Для оболочки имеем аналогичную систему уравнений:
Здесь ^22~₽2~^22 поперечный коэффициент распространения
в оболочке световода; р — коэффициент распространения в свето-
воде; k% — волновое число среды с коэффициентом преломле-
ния п2-
k, kJU — 0)|/ ЮЬД шшс ~
(5.90)
Для решения данных уравнений, исходя из условия, что при
поле должно стремиться к нулю, следует при г^>а исполь-
зовать цилиндрические функции третьего рода—функции Ган-
кел я :
где С,-, и D/? — постоянные интегрирования.
Тогда для поперечных составляющих поля в оболочке можно
написать следующие выражения:
Постоянные интегрирования Ап, Вп, С„, ЕЕ могут быть опре-
делены на основании граничных условий. Используем условие ра-
венства тангенциальных составляющих напряженностей электри-
ческих и магнитных полей на поверхности раздела сердцевина —
оболочка (при г—а):
Ezi (а) =Е.г2(щ); Еч.} (a)~E<i2(a);
HZi (а)^Нг2(а); (а)(а).
Найдя постоянные интегрирования и подставив их в уравнения,
после соответствующих преобразований получим следующее транс-
196
цендентное уравнение:
u(J1 -EEfii77) 0 fiOG ) 1 Г W“eui-E (fir7)
fii 4(gi<) g2 /7<n (i g2a) ][ fiiE(fii4)
i (j fi2Q) 1 _ / I 1 \
Подученные уравнения дают возможность определить неизвест-
ные постоянные и найти структуру поля в сердечнике и оболочке
волоконного световода. В общем случае уравнения имеют ряд
решений, каждому из которых соответствует определенная струк-
тура поля, называемая типом волны или модой.
В световодах могут существовать два типа волн: симметрич-
ные Ео„ь Но^_ и несимметричные дипольные ЕН/;г/:., НЕ„>н. В ин-
дексе п— число изменений поля по диаметру; т — число измене-
ний поля по периметру. Симметричные волны электрические Ео?;(
и магнитные Но??7 имеют круговую симметрию (и —0). Раздельное
распространение по световоду несимметричных волн типа Е.:..,.; Ji
Н-,н>, невозможно. В световоде они существуют только совместно,
т. е. имеются продольные составляющие £ и Н. Эти волны назы-
ваются гибридными, дипольными и обозначаются через НЕ7г,н? ес-
ли поле в поперечном сечении напоминает поле Н, или ЕН ....... если
поле в поперечном сечении ближе к волнам Е.
Уравнение (5.91) позволяет определить структуру поля, пара-
метры волн и характеристики волоконного световода при различ-
ных типах волн и частотах. В общем случае уравнение (5.91) име-
ет ряд решений, каждому из которых соответствует определенный
тип волны.
Лучевая теория света допускает распространение по световоду
большого числа лучей —- всех лучей, попадающих в апертурный
конус световода. По волновой теории по световоду распространя-
ется лишь ограниченное число волн с дискретными углами. Часть
промежуточных волн за счет интерференции гасят друг друга и
ослабляются.
Типы волн, распространяемые по световоду, называются мо-
дами.
В приведенных формулах индексом п нумеруется порядок
функции, a m — номер кбрня (порядок решения), удовлетворяю-
щего граничным условиям для данного порядка функции Бес-
селя.
Обычно режим работы световода характеризуется обобщенным
параметром V, включающим радиус сердечника, длину волны и
коэффициенты преломления сердечника и оболочки. Этот пара-
метр называется нормированной (характеристической) частотой.
197
Он определяется как сумма аргументов функций Бесселя—
и Ган кед я —
Рассмотрим критические частоты и длины волн световодов.
В волоконных световодах при очень высоких частотах почти вся
энергия поля концентрируется внутри сердцевины световода,
с уменьшением частоты происходит перераспределение поля, и оно
переходит в окружающее пространство. При определенной часто-
те /'о — критической, или частоте отсечки, поле больше не рас-
пространяется вдоль световода и вся энергия рассеивается в окру-
жающем пространстве.
Воспользуемся ранее приведенными соотношениями gr —
— /?Г —Р2 (при r<a); g?2—]32—Ад2 (при г>а). Имея в виду, что
k. k,ri - -- w /7. (2rf/c) /л:
1 •> 1 * » U U i ; X
/?2 — - о) ]/ ( 2тфС) щ,
получим
Ус rg.: -- }.
Для определения критической частоты /0 надо принять g2 —
-—О (при всех значениях поле концентрируется в сердцеви-
не световода, а при g2 —О оно выходит из сердцевины и процесс
распространения по световоду прекращается). Условие g> — 0 со-
ответствует по закону геометрической оптики углу полного внут-
реннего отражения, при котором отсутствует преломленная волна,
а есть только падающая и отраженная волны. В данном случае
имеем g\2=kQ2 (nd—zi22). Подставив сюда значение /д —(оУцоео —
_2л/л = 2л//с, определим критическую частоту Д световода:
Умножим числитель и знаменатель на параметр а (радиус сер-
дечника), тогда
fo = g^c/Odyn;
(5.93)
Соответственно критическая длина волны, передаваемой ио све-
товоду,
Г"/ _____ -
Ч = ЫЬ = —1— K«i! — п
8iar>i
(5.94)
где gia — pnm.
Сравнивая эту формулу с ранее полученной методом геомет-
рической оптики, видим полную тождественность. Отметим, что
разница лишь в параметре -л/’gia, характеризующем тип волны.
198
Анализируя полученные со-
't а б л и ц а 5.11
отношения, можно отметить,
что чем толще сердцевина све-
товода и чем больше отлича- п --
ются п\ и Иг, тем больше кри- ____L
тическая длина волны и соот-
ветственно ниже критическая
частота волоконного световода.
Из формул видно также, что 2
при равенстве оптических ха- -
рактеристик, в первую оче-
редь диэлектрической прони-
цаемости сердцевины и оболочки, т.
Значение корня при пг, равном Тип волны
I 2 3
2,405 5,520 8,654 T’/q^
0,000 3,832 7,016 EEnm
3,832 7,016 10,173
2,445 5,538 8,665 НЕ„Ш
5,136 8,417 11,620 ЕНПт
е. при пл и т, критическая
длина волны Xo=O, а критическая частота f0~o© и передача по
Такому световоду невозможна. Это имеет свое логическое обосно-
вание: при отсутствии границы световод перестает действовать
как направляющая система передачи.
Для определения критических частот различных типов волн
рассмотрим корни ранее полученного выражения бесселевых функ-
ций Для симметричных и Jnm(g\a) для несимметричных
волн. Эти равенства дают бесконечное число корней, значения ко-
торых приведены в табл. 5.11.
Корни бесселевых функций . (gm=Prvm) могут быть представ-
лены в следующем виде. При частоте отсечки д2г=Ур2 —/с22 = 0,
поэтому имеем равенство р = /г2. Тогда pnm — g^ = yki-—^2a =
- рДр-Л/л-
Сравнивая полученную формулу с формулой нормированной
частоты (5.92 ) видим, что они идентичны (pn,n=V), и отличие со-
стоит лишь в том, что вместо общей величины 7. взят ее частный
случай Ао-
Таким образом, каждая мода имеет нормированную частоту,
которая определяет область ее существования. При такой трак-
товке табл, 5.11 содержит в колонке «Значение корня» нормиро-
ванные частоты Vo для волн, тип которых указан в правой ко-
лонке таблицы, а индекс пт составлен из чисел левого столбца
и верхней строки, соответствующей клетке, в которой находится
данная величина Vo. Каждой Vo соответствует критическая ча-
стота f0.
При V<V0 имеем ДтДо, т. е. частота меньше критической и
волна по сердцевине волокна не распространяется, т. е. не суще-
ствует. Область существования волны, имеющей нормированную
частоту отсечки Vi> Vo, составляет Из ^таблицы видно, что
только для несимметричной волны НЕ1{ значение- Vo^hO, следовДг
тельно, эта волна не имеет критической частотьг и может -р^аспрЮг
199
Рис. 5.51. Структура поля гибридной волны НЕИ
в световоде
страняться при любой частоте и диамет-
ре сердечника. Все другие волны не рас-
пространяются на частотах ниже крити-
ческой. Из таблицы также следует, что
с увеличением частоты появляются но-
вые типы волн. Так, начиная с У~2,405,
появляются волны Eoi, Hoi и НЕ2!, при
И —3,832 возникают дополнительные
волны Н12, ЕНн. НЕз1 и т. д.
Итак, в световоде распространяется лишь один тип волны
НЕи, когда соблюдается условие 0<Д 2,405. При выборе ча-
стоты передачи или толщины сердечника световода исходят из
этого условия. Выбирая параметры световода таким образом, что-
бы не могли распространяться высшие моды, можно получить ре-
жим передачи только одной моды НЕц. Такая ситуация реали-
зуется при условии
Это условие можно выполнить, уменьшая либо разность по-
казателей преломления, либо радиус сердечника. Для типичного
случая (щ —1,5 и /12 — 1,49) U^Qfia/k и, следовательно, макси-
мальное значение диаметра сердечника (2а) составит 6,8 мкм при
л —0,85 мкм и 12,8 мкм при к~ 1,6 мкм. Волна НЕи использует-
ся при передаче по одномодовым световодам. Здесь магнитные
линии в горизонтальной плоскости имеют такую же структуру,
что и электрические в вертикальной (рис. 5.51).
Достоинством одномодовых систем являются весьма широкий
диапазон частот и большая пропускная способность, так как с уве-
личением числа мод полоса передаваемых частот снижается. Од-
нако одномодовые системы из-за
малого диаметра сердечника во-
локна менее надежны и имеют
большие потери на вводе в све-
товод, поэтому они используются
в основном на междугородних
ВОЛС, обеспечивая большую
дальность связи и высокую про-
п ус к н у ю способность.
Зависимость появления новых
мод с ростом Е иллюстрируется
в табл. 5.12.
Общее число передаваемых
Таблица 5.12
Область Дополнительные Число
значения моды мод
0...2,405 НЕП 2
2,405...3,832 Ног. Е„,. НЕ,, 6
3,832...5,136 НЕ,,. ЕН... НЕ,, 12
5,136... 5,520 ЕН.; НЕП 16
5,520... 6,380 20
200
Рис, а.52. Лучевая (а) и волновая (6) схемы передачи по световоду
Odwwdoduz переде ча
б'>
мод в световодах может быть определено по формулам:
Д — V2 — I — — пр j —для ступенчатого профиля,
К /
V 1 -----,\2
Л — — —1~ v п{ — n/j —для градиентного профиля.
Из таблицы видно, что градиентные световоды имеют в 2 ра-
за меньшее число мод по сравнению со ступенчатыми. Для умень-
шения числа мод следует уменьшить диаметр световода и пара-
метр Уп^-пН.
С увеличением диаметра сердцевины световода число переда-
ваемых мод резко возрастает. На рис. 5.52 показана одномодовая
(/V=l) при а также многомодовая (Л; = 2 и ;V = 5) при сГ>
>л схемы передачи по световодам. Наряду с волновой схемой
здесь также приведена лучевая схема, из которой видно, что од-
номодовой передаче соответствует один луч, а многомодовой
в данном примере — два и пять лучей.
В общем случае в волоконном световоде могут существовать
три типа волн: направляемые, излучаемые и вытекаемые. Дей-
ствие и преобладание какого-либо типа волн связано в первую
очередь с апертурой и соотношением углов падения волны ф и
полного внутреннего отражения 0Й>
Направляемые волны Но (волны сердцевины) —это основной
тип волны, распространяющийся по световоду. Здесь вся энергия
сосредоточена внутри сердцевины световода и обеспечивает пере-
дачу информации. Направляемые волны возбуждаются при вводе
201
лучей в торец световода под углом больше угла полного отраже-
ния ф>0£, т. е. в пределах апертурного угла.
Излучаемые волны ИВ (пространственные волны) возникают
при вводе под углом, меньшим угла полного отражения (ф<9а),
т. е. вне апертуры. Здесь вся энергия уже вначале линии излуча-
ется в окружающее пространство и не распространяется вдоль
световода. Это связано с дополнительными потерями энергии. Из-
лучение также характерно для нерегулярных световодов с изгиба-
ми и другими нарушениями однородности.
Промежуточное положение занимают вытекающие волны ВВ
(волны оболочки). Здесь энергия частично распространяется
вдоль световода, а часть ее переходит в оболочку и излучается
в окружающее пространство. Вытекающие волны образуются
в первую очередь за5счет косых лучей.
Излучаемые и вытекающие волны — это паразитные волны,от-
бирающие энергию направляемой волны и искажающие вследст-
вие интерференции передачу по световоду. За счет этих волн
в, первую очередь возникают переходные влияния и помехи в со-
седних световодах. Типы волн и их эпюры приведены на
рис. 5.53.
Представляет интерес сопоставить классификацию электромаг-
нитных волн с лучевой классификацией, т. е. связать электромаг-
нитную волновую теорию с лучевой теорией геометрической оп-
тики.
Выше было показано, что по световодам возможна передача
двух видов лучей: меридиональных и косых (см. рис. 5.48). Мери-
диональные лучи расположены в плоскости, проходящей через ось
волоконного световода. Косые лучи не пересекают ось свето-
вода.
Меридиональным лучам соответствуют симметричные электри-
ческие Еэ?р и магнитные НОш волны; косым лучам — несимметрич-
ные гибридные волны НЕ^т и ЕН^т. Если точечный источник из-
Рис. 5.53. Тилы волн (а) к их эпюры (Мт "
/ — волны сердечника {направляемые волны НВ); 2 — волны оболочки (вытекающие волны
ВВ); 3 — пространственные волны (излучаемые волны ИВ)
202
лучения расположен на оси световода, то имеются только мери-
диональные лучи и соответственно симметричные волны ЕОт, Нот-
Если же точечный источник расположен вне оси световода или
имеется сложный источник, то появляются одновременно как ме-
ридиональные, так и косые лучи и свойственные им симметричные
Еот, Нот и несимметричные гибридные (HErim, EH^m) волны.
Несимметричные волны типа Enm и Н^т в волоконных светово-
дах существовать не могут. Эти волны возбуждаются в металли-
ческих волноводах.
5.26. ЗАТУХАНИЕ СВЕТОВОДОВ
Волоконные световоды характеризуются двумя важнейшими
параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание предопределя-
ет длину регенерационных участков (рассеяние между регенера-
торами). Дисперсия приводит к ограничению полосы передачи по
световоду и уменьшению длины регенерационного участка. Коэф-
фициент затухания световодных трактов оптических кабелей а об-
условлен собственными потерями в волоконных световодах ас и
дополнительными потерями, так называемыми кабельными вы-
званными скруткой, а также деформацией и изгибами световодов
при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изго-
товления оптического кабеля: а — ас+ак.
Собственные потери волоконных световодов состоят в первую
очередь из потерь поглощения энергии в диэлектрике ап и потерь
рассеяния ее на мельчайших частицах световодной структуры цр.
Потери поглощения существенно зависят от чистоты материала и
при наличии посторонних примесей могут достигать значительной
величины (аи+апр)- Потери на рассеяние лимитируют предел ми-
нимально допустимых значений потерь в волоконных световодах.
В результате a —an+ctP+anp+cti<.
Затухание поглощения ап связано с потерями на диэлектриче-
скую поляризацию, линейно растет с частотой и существенно за-
висит от свойств материала световода (tg 6). Потери обусловлены
комплексным характером показателя преломления п-=пЛ^-ко-
торый связан с tg 6 выражением tg б=2идггм/(пд2—пм2).
Затухание поглощения определяется отношением величины по-
терь в световоде к удвоенному значению всей мощности, переда-
ваемой по световоду а = РП/2Р, где PV=GU2\ P=zU2/Z^. Тогда
% = ~
* Л
где G = д — проводимость материала световода; ZB =
= Уна/ва — волновое сопротивление; v = 1 —скорость рас-
пространения энергии по световоду.
20 <
Используя условие v^c/n и с = Хф получаем формулу расче-
та потерь на поглощение, дБ/км:
а = ЭБЕ 1^3 8,69. (5.96)
Л *
где — показатель преломления; л —длина волны; tgd.—
тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.
Выражая tgd через комплексный показатель преломления, по-
лу ч а е м
Ш П ,Г1м
М •*1
Если коэффициент преломления имеет действительное значение
ч —то lg’ д“0 и потери на поглощение отсутствуют.
Из формулы видно, что частотная зависимость затухания по-
глощения имеет линейный характер.
Расселине обусловлено неоднородностями материала волокон-
ного световода, размеры которых меньше длины волны, и тепловой
ф л у’ к т у а ц йен п о к а з а т е л я прело м л е н и я.
Потери на рассеяние, называемое рэлеевским, определяются по
боомсле. дБ/км:
Л 1 >
аР=ЛР/л\
(5.97)
где Лф — коэффициент рассеяния, равный (1 ... 1,5) (дБ/км)Х
Хмкм4 — (для кварца).
Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел по-
терь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен
для различных волн, и с увеличением длины волны уменьшается.
На рис. 5.54 представлены частотные зависимости коэффициен-
та затухания волоконного световода. Из представленных данных
видно, что потери на поглощение растут линейно с увеличением
частоты, а потери на рассеяние существенно быстрей — по за-
кону /X
Потери энергии существенно возрастают за счет наличия в ма-
териале волоконного световода посторонних примесей (Лг;р), та-
ких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов (железа, ко-
бальта. никеля, меди) и другие включения, Присутствующие
в стекле ионы металлов имеют электронные переходы в области
длин волн 0,5 ... 1 мкм и вызывают соответствующие полосы по-
глощения. За счет ионов гидроксильных групп проявляются погло-
щения на длинах волн 0,95; 1,24 и 1,39 мкм. Максимум поглоще-
ния на волне 2,7 мкм. Наличие этих примесей приводит к возра-
станию потерь в волокне и появлению резонансных всплесков
затухания. Затухание в инфракрасной области (свыше 1,6—2 мкм)
определяется по формуле, дБ/км: где коэффициенты
СХП,2, ХМ0.5—0,8) IX6.
204
Рис. 5.54. Частотная зависимость
затухания поглощения ап и зату-
хания рассеяния щ
i
6
Я/
! 4
Ю
у
Рис. 5.55. К расчету затухания
за счет потерь на излучение пои
мякронзгибах (а) и микроизгибах
(б)
Кроме собственных потерь (ас) надлежит учитывать также до-
полнительные — кабельные потери (аь), связанные с геометрией
волокна и наличием оболочки (а—сц + аД. Основными фактора-
ми, приводящими к потерям, вызываемыми геометрией волокна,
являются: непостоянство размеров поперечного сечения сердцеви-
ны волокна по длине и неровности границы раздела сердцевина —
оболочка, а также нерегулярности, связанные с наличием микро-
изгибов и макроизгибов волокна.
Макроизгибы обусловлены скруткой волоконных световодов по
геликоиде вдоль всего оптического кабеля. Микроизгибы связаны
с конструктивными и технологическими неоднородностями воло-
конного световода в процессе его изготовления (рис. 5.55). Допол-
нительное затухание за счет потерь на излучение при макроизги-
бах, дБ,
где К—/?из/2л; Днз -— радиус изгиба; а— радиус сердцевины во-
локна; /о, п2 — показатели преломления сердцевины и оболочки
волокна.
Дополнительное затухание за счет излучения при микроизги-
бах, дБ,
л г h~a4 < гу— з
а — Л--------10 \
где /1 — высота (радиус) мимроизгиба; а — радиус сердцевины во-
локна; Ь— диаметр волокна; N— число микроизгибов.
При достаточно хорошо отработанной технологии производст-
ва оптических кабелей доминируют потери на микроизгибы. На-
Т а б л и ц a 5.13
_______________________:___ 06 ,
X, мкм Ц дВ/км 1 , км р
0,85 3... 5 Ю
1,3 0,7...1 30
1,55 0,5 50
лично оболочки и защитно-
го покрытия волокна также
приводит к дополнительным
потерям за счет частичного
проникновения поля в эти
среды.
Установлено, что все эти
кабельные потери цк приво-
дят к значительному увели-
чению затухания. Так, если
собственное затухание све-
товода ас~3 дБ/км, то за
счет дополнительных ка-
0,6 0,8 1.0 1,2 /Д 1,6 Л, км
Рис. 5.56. Затухание волоконного свстоеюда
при различных длинах волн
бельных потерь оно возрастает до 4 ... 5 дБ/км.
На рис. 5.56 показано изменение затухания волоконного све-
товода в зависимости от длины волны для кварцевого стекла,
очищенного от посторонних примесей. На графике четко видны
три окна прозрачности световода, причем с увеличением длины
волны коэффициент затухания снижается и соответственно увели-
чивается длина регенерационного участка, определяемая по кри-
терию затухания (табл. 5.13).
Отсюда видна явная целесообразность использования диапа-
зона волн 1,3 ... 1,55 мкм для работы по волоконно-оптическим ли-
ниям связи. Это открывает возможность организации междуго-
родной связи без включения в оптический кабель металлических
элементов для дистанционного электропитания линейных регене-
раторов, так как через 40 ... 80 км можно иметь местные источники
электропитания.
5.27. ДИСПЕРСИЯ И ПРОПУСКНАЯ
СПОСОБНОСТЬ СВЕТОВОДОВ
Пропускная способность ДЕ является важнейшим параметром
волоконно-оптических систем передачи, предопределяющим поло-
су частот, пропускаемую световодом ширину линейного тракта и
соответственно объем информации, который можно передавать по
оптическому кабелю.
'чЮ
Рис. 5.57. Уширение импульсов за счет дисперсии
В предельном идеализированном варианте по волоконному све-
товоду возможна организация огромного числа каналов на боль-
шие расстояния, а фактически имеются значительные ограниче-
ния. Это происходит за счет того, что сигнал на приемном конце
приходит размытым, искаженным, и чем длиннее .линия, тем боль-
ше искажается передаваемый сигнал (рис. 5.57). Данное явление
связано с дисперсией и обусловлено различием скорости распро-
странения в световоде отдельных составляющих спектра источни-
ков света и частотной зависимостью показателя преломления.
Дисперсия т — это рассеяние во времени спектральных или мо-
довых составляющих оптического сигнала, приводящее к ушире-
нию импульса на приеме. Величина уширения определяется как
квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе
кабеля, по формуле:
Причем значения Lx и /вх берутся на уровне половины ампли-
туды импульсов.
Связь между дисперсией и полосой частот, передаваемых по
волоконному световоду, приближенно выражается соотношением
AF=1/t. Так, если т=20 нс/км, то ДГ —50 МГц-км.
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон исполь-
зования световодов. Она существенно снижает дальность переда-
чи по оптическому кабелю, так как чем длиннее линия, тем боль-
ше проявляется дисперсия и больше уширение импульса.
Пропускная способность оптического кабеля существенно зави-
сит от типа и свойств волоконных световодов (одномодовые, мно-
гомодовые, градиентные), а также от типа излучателя (лазера,
светодиода).
Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность ис-
точников излучения и появление спектра ДГ И существование боль-
шого числа мод N. - ж ‘
207
Рис. 5.58. Дисперсия при различных длинах
волн:
/ — волноводная; 2— материала; 3— резу льтнрую->
щая
Первая называется хроматиче-
ской (частотной) дисперсией, ко-
торая делится на: материальную и
волноводную (внутримодовую).
Волноводная дисперсия обусловле-
на процессами внутри моды и свя-
зана со световодной структурой мо-
ды. Она характеризуется зависи-
мостью коэффициента распростра-
нения моды от длины волны
= Материальная дисперсия обусловлена зависимостью по-
казателя преломления от длины волны [д~ф2(М]-
Модовая дисперсия обусловлена наличием большого числа
мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью
[ v = ф з (V) j.
.Дисперсии проявляются по-разному в различных типах воло-
конных световодах.
В ступенчатых световодах при многомодовой передаче домини-
рует модовая дисперсия, достигающая больших значений (20 ...
... 50 нс/км).
В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая
дисперсия. Здесь проявляются волноводная и материальная дис-
персии, но они почти равны по абсолютной величине и противо-
положны по фазе в широком спектральном диапазоне (рис. 5.58).
В силу этого происходит их взаимная компенсация и результиру-
ющая дисперсия при л,—1,2... 1,7 мкм не превышает 1 нс/км.
В градиентных световодах происходит выравнивание времени
распространения различных мод и определяющим является дис-
персия материала, которая уменьшается с увеличением длины
волны. По абсолютной величине она колеблется в пределах
3 ... 5 нс/км.
Сравнивая дисперсионные характеристики световодов, можно
отметить, что лучшими данными обладают одномодовые светово-
ды. Хорошие данные также у градиентных световодов с плавным
изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия
проявляется у ступенчатых многомодовых световодов. Это объ-
ясняется следующим. В ступенчатом многомодовом световоде (см.
рис. 5.33,а) лучи резко отражаются от границы сердечник — обо-
лочка. Причем пути следования различных лучей различны и по-
этому они приходят к концу линии со сдвигом во времени. Это
приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).
208
В градиентных световодах (см. рис. 5.33,6) лучи распростра-
няются по волнообразным траекториям. Причем лучи, находящие-
ся близко от оси световода, проходят меньший путь, но в области
с большим показателем преломления, а периферийные лучи име-
ют большой путь, но в среде с меньшим показателем преломле-
ния. В результате скорость распространения различных лучей вы-
равнивается и они приходя! к концу линии практически в оди-
наковое время Вследствие этого искажения передаваемого
сигнала в градиентных световодах меньше, чем в ступенчатых.
Дисперсионные свойства тракта передачи зависят также от ис-
точника излучения. При лазерных источниках, благодаря узкой
полосе излучаемых частот, дисперсия сказывается несущественно.
В некогерентных передачах — светодиодах полоса излучения су-
щественно шире, и дисперсия проявляется довольно значительно.
Результирующие значения уширения импульсов за счет модо-
вой (тмод), материальной (тмат) и волноводной (т8В) дисперсий
определяется формулой
Г=~Ут2мод4~ (Тмат + Тэв)
С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дис-
персий имеем для многомодовых волокон т— Тмод, а для одномодо-
вых Тмат”1~Твв-
Уширение импульса т при распространении по волоконному
световоду длиной I с учетом источников излучения может быть
определено по следующим формулам за счет дисперсии:
материальной тмат~(Дл/л) (л2/с) (d2n/dk2)/;
волноводной Твв=(ЛХ/л) (2п}2Д//с),
где Да/л— относительная ширина спектра излучения.
Величина уширения импульса, характеризуемая временем на-
растания сигнала и определяемая как разность между самым
большим и самым малым временем прихода лучей в сечение све-
товода на расстояние I от начала может быть рассчитана по фор-
мулам:
/MU (AW , j
т(г ------— I—для ступенчатого световода,
с 2п, с
(5.98)
А2лЛ и7Д)4 ,
- =------ ~ —— I—для градиентного световода,
2 с 8/1-Дс 1
где NA=^yri[2—nA—числовая апертура; Д--(/Ю2—/?22)/2щ2^
^(П1 — иц— показатель преломления сердцевины; /?2 — по-
казатель преломления оболочки; I — длина световода; с—скорость
света.
Соответственно пропускная способность градиентного светово-
да в 2/Д раз выше, чем у ступенчатого при одинаковом значе-
209
нии А. Учитывая, что, как правило, величина А^1%, различие
пропускной способности указанных световодов может достигать
двух порядков, а в реальных конструкциях 20—50.
Частотная полоса пропускания существующих конструкций оп-
тических кабелей колеблется в широких пределах и составляет от
30 до 1000 МГц-км. Она неодинакова для различных типов све-
товодов. Для градиентных световодов с лазерным источником све-
та частотная полоса составляет 100... 250 МГц-км. В многомодо-
вых световодах она сужается до 50 МГц-км. Наивысшей пропуск-
ной способностью обладают одномодовые световоды. У них полоса
пропускания достигает 0,5... 1 ГГц-км.
Соответственно может быть определена информационная про-
пускная способность различных световодов. Имея в виду цифро-
вую систему передачи, где на один канал отводится около 60 кГц,
можно определить число каналов, которое можно передавать .ио
различным типам световодов. Получим, что по многомодовым
световодам могут работать цифровые системы ИКМ-30, ИКМ-120
и в ряде случаев ИКМ-480. По градиентным — системы ИКМ-480
и ИКМ-1920, а по одномодовым системам —все известные в на-
стоящее время цифровые системы передачи, включая и
ИКМ-7680.
Рассмотренное выше явление дисперсии приводит как к огра-
ничению пропускной способности оптических кабелей, так и к сни-
жению дальности передачи по ним. Эти .параметры — полоса ча-
стот А/7 и дальность передачи / взаимосвязаны. Соотношение
между ними для коротких линий выражается формулой
&F/&Fx=lx/l,
где значения с индексом х —искомые, а без него — заданные.
Соответственно
kFx^Fl/tx и WAF/A7C (5.99)
В длинных линиях (примерно свыше 8 км), в которых процесс
распространения волны уже установился, действует квадратичный
закон соотношения между I и AF, т. е. AF/A/ж ~ УСЛ и ДКЛ- =
= AM/А-
Так, если кабельная промышленность поставляет кабель стро-
ительными длинами /=1 км с полосой пропускания АС =
= 50 МГц, то на участке линии длиной 10 км, полоса пропу-
скания существенно сузится и составит А7\— AF/У/л— 50/У10^
^Г5 МГц.
'Следует иметь в виду, что применительно к цифровым систе-
мам передачи, у которых в регенераторах сигнал полностью вос-
станавливается, под дальностью передачи следует понимать Дли-
ну регенерационного участка. В существующих системах цифровой
передачи по оптическим кабелям длина регенерационного участ-
210
ка при Х=0,85 мкм составляет 10 ... 20 км, а в перспективных си-
стемах на длинах волн 1,3 или 1,55 мкм может достигать 50...
... 100 км.
Таким образом, увеличение длины кабеля приводит к сниже-
нию полосы частот и пропускной способности системы, и в свою
очередь расширение полосы частот резко ограничивает дальность
передачи по кабелю.
Следует иметь в виду, что пропускная информационная спо-
собность и дальность передачи по оптическим кабелям лимити-
руется не только дисперсией, но и затуханием световодов.
5.28. ДАЛЬНОСТЬ СВЯЗИ И ДЛИНА
РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА
Применительно к оптическим линиям связи с цифровыми си-
стемами передачи (ИКМ), у которых в регенераторах сигнал
полностью восстанавливается и помехи не накапливаются, важно
знать длину регенерационного участка. Общая дальность переда-
чи может быть достаточно большой.
Длина регенерационного участка волоконно-оптических линий
связи определяется передаточными параметрами кабеля: его ко-
эффициентом затухания а и дисперсией т. Затухание кабеля при-
водит к уменьшению передаваемой мощности, что соответственно
лимитирует длину регенерационного участка. Дисперсия кабеля
приводит к уширению передаваемых импульсов и чем длиннее
линия, тем больше вносимые искажения импульсов, что, в свою
очередь, также накладывает ограничения по пропускной способ-
ности кабеля (ДЕ).
Длина регенерационного участка выбирается по наименьшему
значению 1а или /дд, но так, чтобы не превышались допустимые
значения по затуханию тракта (ДдоП=а/) и пропускной способ-
ности (ДЕдоп)
Характеристики передачи ВОЛС приведены на рис. 5.59. Как
видно из рисунка, с ростом расстояния от начала регенерацион-
ного участка затухание возрастает, а за счет увеличения диспер-
сии снижается полоса пропускаемых частот.
В общем виде ограничивающим фактором может быть как
дисперсия т, так и коэффициент затухания а. Применительно
к передаточным характеристикам существующих оптических ка-
белей в многомодовых световодах длина регенерационного уча-
стка и соответственно дальность связи лимитируется в первую
очередь дисперсией, а в градиентных и одномодовых световодах,
обладающих хорошими дисперсионными характеристиками, длина
участка и дальность связи определяются затуханием кабельного
тракта.
Пример 5.3. Определить длину регенерационного участка волоконно-оптиче-
ской линии связи.
211
Рис. 5.59. Передаточные харак-
теристики световода
Рис. 5.60. К выбору длины ре-
генерационного участка
И с х о д н ы сданные:
система передачи ИКМ-120; оптический кабель ОК-4, коэффициент затуха-
ния а = 3 дБ/км; дисперсия т=30 нс/км.
Решение: 1) По данным дисперсии определяем пропускную способность
световода на 1 км длины
1 I
ДЕ ~ дЗ 3 /пбкт с - кso
т -30 -10--9
При других длинах пропускная способность уменьшается по закону ДЛ.г=ДЕ/у7.
Требуемая пропускная способность для- системы ИКМ-120 составляет
А Ед о п = 8,5 М Гбит /с.
2) Исходя из энергетического потенциала аппаратуры (а~40 дБ) и коэф-
фициента затухания кабеля (о = 3 дБ /км) допустимая длина регенерационного
участка
40
/ ------— ] 3,3 км,
3
На рис. 5.60 показано изменение пропускной способности ДА
и затухания оптической линии a~al с увеличением длины линии.
Здесь же показаны предельные значения ДАДСЯ1—8,5 Мбит/с и адоп—
— 40 дБ/км для данной системы передачи. Из графика видно, что
исходя из дисперсии длина регенерационного участка составляет
15 км, а исходя из затухания — 13,3 км. Чтобы удовлетворить
обоим требованиям принимаем /Р по наименьшему значению и ре-
генераторы располагаем через 13,3 км.
5.29. КОЭФФИЦИЕНТ ФАЗЫ, ВОЛНОВОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ И СКОРОСТЬ
ПЕРЕДАЧИ ПО СВЕТОВОДАМ
На рис. 5.61 приведены частотные зависимости коэффициента
фазы различных типов волн. Из рисунка видно, что с увеличением
частоты коэффициент фазы 0 изменяется от значений /г? в обо-
лочке, до в сердцевине.
О 19
А
Рис. 5.6?. Частотные за-
висимости коэффициента
фазы с в сто вол а
Рис. 5.62.
волнового
Частотные зависимост и
С О Г! Р О Т И В Л с н и я с истово-
Волновое сопротивление волоконного световода может быть
определено на основе выражений для электрического £ и маг-
нитного Н полей: Е3~ЕеНц или Zr~E(JНг. Однако такое выра-
жение получается довольно сложным. В практических условиях
пользуются предельными значениями волнового сопротивления
сердцевины (20/ж) и оболочки *z/xj для плоской волны, где
Zo ~ у^о/То — 376j ' Ом — волновое сопротивление идеальной сре-
ды; Ац и /’2 — коэффициенты преломления сердцевины и обо-
л о ч к и.
В реальных условиях волновое сопротивление волновода имеет
промежуточное значение 4/я1<^<2о/н и численно составля-
ет примерно 250 ... 260 Ом (рис. 5.62).
Рассмотрим фазовую скорость распространения волны по во-
локонному световоду.
Фазовая скорость ь’ф = со/В или, имея в виду, что ж =
= 1/Уцже«2 и /?2~о)Уц.й2ва2, получим . Подставляя сю-
да значения /г2 и =(3 через поперечные волновые числа получим вы-
ражение для фазовой скорости:
Расчет по этим формулам для различных типов волн связан
со сложными вычислениями. Определим в частном случае фазо-
вую скорость при критической частоте. Как показано выше, для
критической частоты поперечный коэффициент у. - -О. Тогда фа-
зовая скорость Цф-"<7^2'—Д2. Таким образом, фазовая скорость при
критической длине еюлны равна скорости в оболочке свето-
вода.
С ростом частоты и соответственно уменьшением длины вол-
ны энергия все больше концентрируется в сердцевине, световода,
затухание растет и скорость распространения определяется пара-
метрами сердцевины (gtH, При очень высоких частотах ско-
213
рость становится равной скорости распространения в сердцевине
= Эти же значения получаются непосредственно из
поперечных коэффициентов £12~-‘&о2П]2—р2 и §2~2 — р2—kQ'2n22.
Поскольку для передачи gi и g2 должны быть действитель-
ными,
k^n^^^k^n,2
ИЛИ, имея В виду, ЧТО ю/р И k0 — УцоЕо, получим
to to to
---п 2 < < — пх .
С Оф С
Окончательно соотношение между фазовой скоростью и скоро-
стью распространения волны в сердечнике и оболочке световода
имеет вид
с/п^и^с/п2.
Отсюда видно, что фазовая скорость меняется в пределах с и
c/ri2‘ при критической частоте (£2=0 и р~фазовая ско-
рость равна скорости в оболочке с/п2, при очень высоких частотах
вся энергия концентрируется в сердцевине и фазовая скорость
равна скорости распространения в сердцевине с/п\.
Как видно из рис. 5.63. с ростом частоты скорость распростра-
нения энергии уменьшается от значения скорости в оболочке о2 до
значения скорости в сердцевине гр световода.
Следует иметь в виду, что скорость распространения волны по
световоду всегда меньше скорости света (г’ф<г), т. е. поверхно-
стная волна всегда имеет замедленный характер распространения.
Рис. 5.63. Частотные зависи-
диости,. фазовой скорости рас=
пространения в световоде
М
А !/Гр , Км/с
J------1---------------------——, -------
fo fo
Рис. 5.64. Частотные зависимости
групповой скорости распростране-
ния в световоде
Замедление тем больше, чем сильнее выражена поверхностная
волна, поле которой быстро убывает в поперечном направлении.
Групповая скорость распространения по световоду определяет-
ся выражением или
где со— частота волны; п— показатель преломления; с — скорость
света.
Симметричные волны типа Нот и ЕОт при отсечке имеют груп-
повые скорости, равные с/п?. Смешанные волны типа HEnm или
ЕНПШ даже при отсечке обладают некоторой энергией, распрост-
раняющейся в сердечнике, и поэтому их .групповые скорости не-
сколько ниже. Вдали от отсечки для всех мод v^—c/rii (рис. 5.64).
5.30. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
В оптических системах передачи применяются принципиально
те же методы, образования многоканальной связи, что и в обыч-
ных системах передачи по электрическим кабелям.
Используются частотный и временной методы разделения ка-
налов.
Как правило, электрический сигнал, создаваемый частотным
или временным методом, модулирует оптическую несущую, и в мо-
дулированном виде световой сигнал передается по оптическому
кабелю. В основном используется способ модуляции интенсивно-
сти оптической несущей, при котором от амплитуды электрическо-
го сигнала зависит мощность излучения, подаваемая в кабель.
В оптических системах передачи применяется, как правило,
цифровая (импульсная) передача. Это обусловлено тем, что ана-
логовая передача требует высокой степени линейности промежу-
точных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических си-
стемах. Таким образом, наиболее распространенной волоконно-
оптической системой связи является цифровая система с времен-
ным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией, ис-
пользующая модуляцию интенсивности излучения источника.
Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным светово-
дам, каждый из которых предназначен для передачи информации
в одном направлении.
В оптических системах связи используются преимущественно
цифровые системы передачи —ИКМ на 30, 120, 480 и 1920 ка-
налов. - ' - Л :
Принципиальная структурная схема волоконно-оптическойсвя-
зи с импульсно-кодовой модуляцией приведена на рис. 5.65.
215
Опта чески й Опта чес к и а
Рис. 5.65. Принципиальная схема
ВО.'ЮНО Н но - ЛПТН ССС КОf! Св>f з и
Основу составляет оптический кабель (ОК). л также оптиче-
ский передатчик в начале системы и оптический приемник в кон-
це системы. Передатчик выполняет также роль преобразователя
электрического сигнала в оптический (ЭОП), а приемник обеспе-
чивает обратное преобразование оптического сигнала в электриче-
ский (ОЭП).
В качестве ЭОП наибольшее применение получили полупро-
водниковый лазер (ПЛ) и светоизлучающий диод (СД), а в ка-
честве ОЭП — фотодиод (ФД). Кроме того, для преобразования
кода и согласования элементов схемы применяются преобразова-
тель кода (ПК), а также согласовывающие оптические устрой-
ства (СУ).
Преобразователь кода формирует требуемую последователь-
ность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощно-
сти между электрическими (ИКМ) и оптическими (ПЛ, СД и ФД)
элементами схемы (на выходе ИКМ высокий уровень, а для СД —
необходим весьма малый уровень). Передающие и приемные со-
гласовывающие устройства СУ формируют и согласовывают диа-
граммы направленности и апертуру между приемно-передающими
устройствами и кабелем. Передаваемый сигнал ИКМ1 через преоб-
разователь кода ПК поступает в ЭОП. Здесь-сигнал ИКМ моду-
лирует оптическую несущую, создаваемую ПЛ или СД, и через
передающее согласующее устройство поступает в оптический ка-
бель.
На приемном конце оптический сигнал через приемное согла-
сующее оптическое устройство поступает в фотодиод, где он пре-
образуется в электрический сигнал и через преобразователь кода
поступает в приемник ИКМ.
Таким образом, на передающей стороне от ИКМ до ЭОП,
а также на приемной стороне от ОЭП до ИКМ действует электри-
ческий сигнал, а от ЭОП до ОЭП по оптическому кабелю прохо-
дит оптический сигнал.
216
Рис. 5.66. Структурная схема регенера-
тора
в виде компактного устройства
В реальных условиях оказа-
лось весьма целесообразным и
практичным все элементы опти-
ческого передатчика, а также оп-
тического приемника изготовлять
квантово-электронного модуля КЭМ. Такой модуль включает в се-
бя ЭОП на передаче (или ОЭП на приеме), а также преобра-
зователь кода и согласующее устройство. Конструктивно КЭМ
размером в спичечную коробку, позволяет подключить с одной
стороны непосредственно аппаратуру ИКМ, а с другой — оптиче-
ский кабель ОК.
Через определенные расстояния, обусловленные величиной за-
тухания кабеля (5, 10, до 50 км), вдоль оптической линии распо-
лагаются линейные регенераторы (ЛР). В последних сигнал вос-
станавливается и усиливается до требуемой величины. Структур-
ная схема регенератора приведена на рис. 5.66. В регенераторе,
содержащем два полукомплекта отдельно для прямого и обрат-
ного направлений передачи, оптический сигнал преобразуется
в электрический; в таком виде регенерируется, усиливается и за-
тем обратно преобразуется в оптический—для передачи по ка-
белю.
В качестве источников излучения, обеспечивающих преобра-
зование электрических сигналов в оптические (ЭОП), применяют-
ся лазеры (Л) и светодиоды (СД). Известны различные типы ла-
зеров: твердотельные, полупроводниковые, газовые и др. Однако
наибольшее распространение получили полупроводниковые лазе-
ры, как наиболее компактные и обладающие должными мощност-
ными и апертурными характеристиками.
В качестве приемника излучения, преобразовывающего опти-
ческий сигнал в электрический (ОЭП), применяется фото-
диод (ФД).
5.31. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
На рис. 5.67 перечислены достоинства оптической техники.
Для систем передачи информации существенными являются
показатели 1—5. Для автоматизированных систем управления и
ЭВМ — показатели 1, 2, 3. Мобильные подвижные системы тре-
буют в первую очередь обеспечения показателей 1, 2, 6.
Сравнение оптических'4 кабелей с электрическими (симметрич-
ными и коаксиальными) приведено в табл. 5.14.
217
Таблица 5.14
Система передачи Скорость передачи, Мбит/с Электрический кабель Оптический кабель Область примене- ния
Тип Регенераци- онный участок, км Длина волны, мкм Регенера- ционный участок, км
И КМ-30 2 Симметричный 1,5...4,5 0,85 1,3 15 51 ГТС
ИКМ-120 8,5 Коакс. 0,7/2,9 1,2/4,4 4 8 0,85 1,3 14 47 ГТС зс
ИКМ-480 34 Коакс. 0,7/2,9 1,2/4,4 2,6/9,5 2 4,1 9,3 0,85 1,3 12 39 зс ЛАС
И КМ-1920 140 Коакс. 1,2/4,4 2,679,5 Г) 4,6 0,85 КЗ 10 20 Ж
Из таблицы видна высокая техноэкономическая эффектив-
ность оптических кабелей. Во-первых, достигается большая эконо-
мия цветных металлов, во-вторых, обеспечивается существенно
меньшее затухание. Так, при системе ИКМ-480 длина усилитель-
ного участка составляет по электрическому кабелю 9,3 км, а по
н Рис. 5.67.• , Свойствами- использование оптоэлектронной техни-
. ки
218
Рис. 5.68. Стоимость одного канало-кило-
мстра линии передачи:
г;) электрической; б) оптической
Число цифровых каналов
чи по электрическим кабелям
оптическому кабелю 12 км на волне
0,85 мкм и 39 км на волне 1,3 мкм.
На рис. 5.68 даны кривые отно-
сительной стоимости каналокило-
метра связи Р, %, для циф-
ровых оптических кабельных си-
стем (Б). На этом же рисунке
представлена зависимость средней
стоимости связи, в системах переда
(А), обратно пропорциональная корню из числа каналов |А;. Из
рисунка видно, что стоимость связи по оптическим кабелям па-
дает с ростом числа каналов в более резкой зависимости. По срав-
нению с электрическими оптические системы дороже при неболь-
шом числе каналов и дешевле при большом. Экономически целе-
сообразными системами являются оптические системы примерно
со скоростью 34 Мбит/с и выше.
В настоящее время основной линейной техникой связи явля-
ются коаксиальные кабели, которые в комплексе с радиорелей-
ными и спутниковыми линиями образуют разветвленную магист-
ральную сеть связи страны.
Оптические кабели применяются на городской!, пригородной и
зоновой! связи и получают развитие на магистральной сети
страны.
5.32. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
В настоящее время оптические системы и кабели вышли из
стадии опытных испытаний и вступили в стадию массового прак-
тического внедрения. В первую очередь они используются' для
устройства соединительных линий между АТС и в пригородах, где
они заменяют весьма металлоемкие кабели с медными жилами.
Оптические линии получают развитие на магистральных и зоно-
вых сетях связи.
Широкое развитие оптических систем в технике связи (теле-
видение, видеотелефонирование, передача данных, телефонирова-
ние и др.) обусловлено большой информационной способностью
оптических кабелей и их высокой помехозащищенностью.
Весьма перспективно применение оптических систем в кабель-
ном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изобра-
жения и существенно расширяет возможности информационного
обслуживания индивидуальных абонентов. В этом случае обеспе-
чивается заказная система приема и предоставляется возмож-
219
ность абонентам получать на экране своих телевизоров изображе-
ния газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из
библиотек и учебных центров.
Развитие получит видеотелефонная связь, при которой абонен-
ты смогут не только слышать, но и видеть друг друга.
Открылись широкие горизонты практического применения оп-
тических кабелей в различных отраслях народного хозяйства: ра-
диоэлектронике, связи, космосе, медицине, голографии, машино-
строении, атомной энергетике и др.
Легкость, малогабаритность, невоспламеняемость оптических ка-
белей сделали их весьма полезными для монтажа и оборудования
летательных аппаратов, судов и других мобильных устройств.
Оптические кабели получают дальнейшее применение для мон-
тажа радиоэлектронной аппаратуры, в вычислительных и измери-
тельных комплексах, звуковещанищ системах АСУ и т. д.
Проложены первые морские магистрали оптической связи и
намечается строительство подводных магистралей через Атланти-
ческий и Тихий океаны на десятки тысяч каналов.
Весьма перспективно применение оптических кабелей на вы-
соковольтных линиях электропередачи для организации техноло-
гической связи. Здесь реализуется высокая защищенность оптиче-
ских кабелей от внешних электромагнитных воздействий.
Следует ожидать, что в ближайшем будущем претерпят изме-
нение как оптический кабель, так и оптоэлектронная аппаратура.
Получат развитие оптические кабели с одномодовыми волокнами,
а также полупроводниковые лазеры с линейными характеристика-
ми и ретрансляторы с усилением сигнала по свету. Ожидается по-
явление халькогенидных и фторированных оптических волокон с
малыми потерями и искажениями.
Во многих странах развиваются работы по переходу с длины
волны 0,85 мкм на длину волны — • ,3 и 1,55 мкм с последующим
освоением инфракрасного диапазона 2 ... 4 мкм. Это позволяет до-
вести величину затухания в оптическом кабеле до 0,2 ...0,5 дБ/км
и увеличить длину регенерационного участка до 50... 100 км. Это
в свою очередь открывает широкие возможности применения оп-
тических кабелей для междугородной связи, так как исключает
потребность в дистанционном электропитании линейных регенера-
торов и упрощает конструкцию кабеля (не нужны медные жилы
для дистанционного питания НУП.)
Спектральное уплотнение позволяет увеличить пропускную спо-
собность оптических трактов передачи.
Получают дальнейшее развитие и усовершенствование опто-
электронные устройства передающего и приемного назначения.
Применяется интегральная оптика. Следует ожидать, что комму-
тация и преобразование сигналов будет происходить на оптических
частотах.
Получают развитие акустооптические преобразователи, непо-
средственно преобразующие звуковые сигналы в оптические. Раз-
рабатываются оптические устройства коммутации.
Новым этапом развития будет создание информационной або-
нентской сети связи, которая при использовании оптического диа-
пазона предоставит абонентам дополнительные услуги (заказную
систему телевидения, вещание, видеотелефон, доступ к библиоте-
ке, к банку данных ит. д.).
Важнейшей сегодняшней задачей развития оптической связи
является снижение стоимости оптических кабелей и повышение
эффективности и эксплуатационной надежности трактов оптиче-
ской связи.
Пример 5.4. Определить параметры оптического кабеля.
И сходные данные:
диаметр сердечника световода 2<з~50 мкм с показателем преломления п
= 1,53;
диаметр оболочки 26—125 мкм с показателем преломления ,п2—1д;
длина волны лМ,3 мкм.
Соотношение коэффициентов преломления (5.85)
1. Числовая апертура (5.88)
О = И1,532 — 1.52 = 0,3.
2. Нормированная частота (5.92)
3. Число мод, распространяющихся по световоду (5.95),
/ 2-3,14 \2
N ~ :---25-10~М,53 I 0,03 -ж 680.
Следовательно, имеет место многомодовая передача.
4. Критическая частота, Гц, (5.93) (для волн HE2i^nm^gi«=2,405)
2,4Q5-3-10s_________
3,14 50 • 10“* \/ 1,532 — Iб2
1 ,54-IQ!2
5. Критическая длина волны, мкм, (5.94)
3,14-50-10—6
2,405-1,53
/1,532 — 1,52 =,. 12,7.
6. Потери энергии да поглощение, дБ/к.м, (5.96)
3 14
ап =----—.10-10-1.53 = 3,7-10-4 Нп/м =3,2.
1,3-10“6
221
7. Потери энергии на рассеяние, дБ/км, (5.97)
аР “ ] ~ 0,35.
8. Общие потери, дБ/км,
а=3,2— 0,35 = 3,55.
9. Дисперсия (уширение импульса), Нс, (5.98):
для ступенчатого световода длиной 10 км
1,53-0,03-10
ЗЛО*
= 1530;
для градиентного световода длиной 10 км
1,53 (0.03)2* 10
2-3-105
Дисперсия градиентного световода существенно меньше ступенчатого.
10. Границы изменения фазовой скорости, км/с,
с/п^ЗПОЪ'ЬбЗМОб 000,
с/п^З-105/1,5 = 200 000.
II. Граница изменения волнового сопротивления, Ом,
Zo Mi = 376,7/1,53—247,
Z0//r2—376,7/1,5 = 252.
ВОЛНОВОДЫ
5.33. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,
ПРОИСХОДЯЩИЕ В ВОЛНОВОДАХ
Волновод — это устройство, которое ведет волну. Волновод —
это средство сосредоточения электромагнитной энергии в опре-
деленном пространстве и передачи ее в заданном направлении.
Конструктивно волновод представляет собой полую металличе-
скую трубку круглого или прямоугольного сечения, изготовлен-
ную из хорошо проводящего материала (рис. 5.69). Цилиндри-
ческие волноводы по сравнению с прямоугольными имеют мень-
шее затухание и наиболее приемлемы для дальней связи. Из-
вестны также другие конструкции волноводов (эллиптические,
П-образные, Н-образные).
По волноводам электромагнитная энергия передается прин-
ципиально по тем же законам, что и в атмосфере, на основе
токов смещения, но только в волноводах эта передача имеет
строго заданное направление и, кроме того, ограничена по ча-
стоте.
222
Рис, 5.69. Волноводы:
а) цилиндрический; б) прямоугольный
1
Рис. 5.70: Частотные характе-
ристики затухания:
/ — коаксиальной цепи; 2 — симмет-
ричной цепи; 3 — волновода; 4 —
волны H!i(
В конструктивном отношении волновод отличается от коакси-
ального кабеля лишь наличием в последнем внутреннего про-
водника. При возбуждении в коаксиальном кабеле сильных
токов смещения /см, т. е. при k<d, внутренний проводник ста-
новится ненужным, и энергия распространяется по законам вол-
новодной передачи. Для наглядности представим реальную и,
как правило, весьма сложную волну в волноводе в виде серии
плоских волн и рассмотрим геометрию электромагнитного поля
одной из составляющих волн.
На рис. 5.45 показан путь движения электромагнитных волн
в световоде. В волноводе волны распространяются так же, как
и в световоде, зигзагообразно, образуя с поперечным сечением
волновода угол 0 и многократно отражаясь под углом 20 от
стенок волновода. Рисунок 5.45,а соответствует передаче малых
длин волны (А->0) и весьма высоких частот (f—э-оо). В данном
случае угол 0-^90°, отражений мало, и волна стремится к пря-
молинейному движению вдоль волновода. Продольная составляю-
щая поля Ег (или Hz) имеет минимальное значение, и передача
по волноводу происходит в выгодных условиях. Рисунок 5.45,6
иллюстрирует процесс передачи более низких частот и больших
длин волн. Здесь угол 0->О, волна испытывает большое число
отражений и поступательное движение ее весьма мало. В дан-
ном случае продольная составляющая поля Ez (или Hz) стремит-
ся к максимуму и вдоль волновода передается незначительная
доля энергии.
При определенной, сравнительно низкой, частоте наступает
такой режим, когда 0 = 0, и волна, падая на стенку, отражается
перпендикулярно (рис. 5.45,s). В волноводе устанавливается
режим стоячей: волны, и энергия -вдоль волновода: не переме-
щается. Частота, при которой наступает режим стоячей: волньщ
носит название критической fo и выражает собой нижний предел^
223
частот, которые могут распространяться по данному волноводу.
Таким образом, волновод действует как фильтр верхних частот,
срезая частоты ниже критической и пропуская частоты, лежа-
щие выше ее.
Критическая частота Д и соответствующая ей критическая дли-
на волны связаны с конструкцией волновода и в пер-
вую очередь с его поперечными размерами.
Критическая длина волны (при 0=0) соизмерима с диамет-
ром цилиндрического волновода. Волновод диаметром 6 см бу-
дет пропускать все короткие волны длиной, меньшей 6 см, и за-
держивать все более длинные волны. Для передачи метровых
волн потребовалась бы громоздкая труба диаметром в несколь-
ко метров, что не всегда целесообразно.
Рассмотрим затухание волновода и проанализируем частот-
ную характеристику этого затухания. На рис. 5.70 приведена ча-
стотная зависимость затухания волновода. Тут же для сравне-
ния показаны кривые затухания симметричной и коаксиальной
кабельных цепей, которые возрастают с увеличением частоты.
Частотная зависимость затухания волновода выражается слож-
ной кривой. Из рисунка видно, что вначале имеется область не-
пропускания (зона 1), затем снижение кривой (зона II), а затем
подъем кривой (зона III) за счет потерь в металлических стен-
ках волновода. Между зонами II и III существует область мини-
мального затухания.
5.34. ОСОБЕННОСТИ ВОЛНЫ Н01 В
ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ
По сравнению с другими типами волн магнитная волна Hoi
в цилиндрических волноводах находится в особых условиях
(рис. 5.71). Как видно из графиков, приведенных на рис. 5.70,
затухание этой волны, в отличие от других волн, с увеличением
частоты уменьшается, причем чем короче передаваемая волна, тем
меньше потери и соответственно затухание энергии в волноводе.
Объясняется это следующим образом. Все типы волн, кроме
Ноь имеют электрическое поле, линии которого замыкаются в
стенках волновода, и поэтому создается циркуляция равных и
противоположно направленных токов — токов смещения /см в ди-
электрике внутри волновода и токов проводимости /пР в стен-
ках волновода. Циркуляция имеет аксиальное (продольное) на-
правление для полей Е и тангенциальное — для полей Н.
Прохождение токов /лр в металлических стенках волновода
связано с потерями на джоулево тепло и затуханием передавае-
мой энергии, причем с ростом частоты потери возрастают и уве-
личивается затухание. Этим объясняется частотное возрастание
затухания всех типов волн, кроме Ноь
224
Рис. 5.71. Электромагнитное поле волны Hoi в ци-
линдрическом волноводе
Силовые линии электрического поля
волны Н01 циркулируют по поперечным
замкнутым окружностям внутри волно-
вода и не соприкасаются со стенками
волновода (см. рис. 5.71). Этим линиям
соответствуют токи смещения в диэлек-
трике /см. В металлических стенках токи
проводимости /пр отсутствуют и в иде-
альном случае, следовательно, нет воз-
растающих с частотой потерь, свойствен-
ным другим типам волн. Более того, с увеличением частоты кру-
говое поле Hoi все больше отрывается от стенок волновода и по-
тери уменьшаются.
Однако необходимо иметь в виду, что волне Hoi присущи
некоторые недостатки, обусловленные природой и конфигурацией
ее электромагнитного поля. Силовые линии электрических и маг-
нитных полей волны Hoi образуют замкнутые петли внутри вол-
новода. В силу этого волна HOi не имеет жесткой связи с самим
волноводом, а потому сравнительно неустойчива и весьма чув-
ствительна к малейшим деформациям и неоднородностям вол-
новода.
Борьба с этими недостатками осуществляется путем приме-
нения спиральных волноводов периодической структуры, обла-
дающих фильтрующими свойствами пропускать волну Hoi и за-
держивать все остальные типы волн.
5.35. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
В волноводах распространяются волны высшего порядка элек-
трические Епт и магнитные Hnm с продольными составляющими
полей соответственно Ez и Нг. В порядке иллюстрации в
табл. 5.15 приведены конфигурации электромагнитных полей не-
которых наиболее употребляемых типов волн.’
Электрические параметры волноводов (критические длина вол-
ны и частота, затухание, фаза, волновое сопротивление)—опре-
деляются путем решения основных уравнений электродинамики-—
уравнений Максвелла. Подробный вывод параметров волноводов
дан в [19]. Здесь приведены лишь формулы расчета параметров
и дан их анализ.
Критические длина волны и частота:
Хо = 2лй/рпт; fo = PnmCl (2лй) , (5.101)
8—6136
225
Таблица 5.15
Характеристика
Поле в плоскости попереч-
ного сечения (в плоскости
максимума поперечных по-
лей)
Поле в плоскости продоль
кого сечения
£
9
О
9
О
О
С
9
9
9
9
«
9
О
О
о
9
е
9
я
ЧЙ
9
О
О
о
ф
9
9
О
О |о
о о
о О
О
О
9
9
9
3
д > -. 0 о
ф Сд д) о
ф © О О
-'I, и»
2’
Ф
Компоненты полей, отлич-
ные от нуля
4
&с 2,405/а
А о 2,61а
/с 0,383/а |КНаеи
5,52/а
1,14а
0,877/g [/ }лаеа
' ' Ф
где pQm — корни, при которых функции Бесселя имеют нулевые
значения (они различны для различных типов волн); а — радиус
волновода.
Значения Хо и f0 для некоторых типов волн приведены в
табл. 5.15.
Коэффициент фазы, рад/км,
(5-102)
где k~ц)Ура8а — волновое число среды.
Фазовая скорость, км/с,
(5.103)
где с —скорость света.
226
волны
.szzzgzzznzzzzzz&azzzz
oz6 9^3 °\o
0 0^0 #, © I* Ф 'Ъ O\ о \3
о1 C xC e о b
Q4g О © ox $ 4 О О/ о
--- --------------x
© z® © _XO C\ 7 Q © e X ф
4/ ф ;© q\ о a <j ©\ ф д
© -4» Q; Э/Ch О Ч) V © Ф>
© \в © o j> о о*% 5^®
-у.^ уу у л
© . © © О С?, о Го о * ф! ф
« ;» Л^а. я °^Ю © <«
© = е © о;о'ог1*5©;^
© I ® ; © 0<O!OiC>O 6 4 г #
« ?«у «? юк oioJoi о| iH*J е
© ,< ©^^отс;ото*о_/ф । « ®
• ’ ♦ ‘ © О 1 О I 0 i О ] О Ф ' 4 1 ©
® 5 © 1 _а __Oj О i О | О ©J « : ф
« о о!с О^ f 4 е
* ЛЛ 2. £'0(° 0 © © ©
, ;. ?///7у^т:ит72.
£z. Er. Er Hr, Hv
3,83,.a
1,64a
0,609/a ]/
3,83/а
1,64а
0,609/al/ и.а^
Групповая скорость, км/с,
»гр = с К1 - ОГ- (5.104)
Волновое сопротивление, Ом,
для волны Е z\ =--- глУ1— (f0/[у, 1
„ г________ > (5.105)
для волны Н 7д = 2д/К 1 ~ {folf)\ I
где 7д=Уца/Еа — волновое сопротивление диэлектрика основной
волны (для воздуха Zo~376,8 Ом).
Коэффициент затухания, дБ/км,
для волны Е аЕ — — -8,67, (5.106)
И- (fo/П2
227
\ а
для волны Н ан — —
(7о/7)а L
п*
•8,67,
где п — порядок бесселевой функции.
Для волны Нм, у которой п=0, коэффициент затухания опре-
делится формулой
ан<.1==^ _JM>2.....8,67,
2Д /1-(70/7)2
(5.108)
м.а
где Z=ypa/ea •—волновое сопротивление диэлектрика; ZM.a—
=У(оца/<(2о)—активная часть волнового сопротивления металла
стенок волновода.
Анализируя приведенные формулы, можно отметить, что за-
тухание волны Hoi в полосе, пропускания (f>fo) с увеличением
частоты существенно снижается и в пределе стремится к нулю.
5.36. СПИРАЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ, ИХ
ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
Известны в основном две разновидности волноводов дальней
связи: цельнометаллические (ЦВ) и спиральные (СВ).
Используемый в настоящее время цельнометаллический вол-
новод (рис. 5.72) представляет собой стальную трубу 1 толщиной
3 мм, покрытую внутри электролитическим слоем меди 2 тол-
щиной 20 мкм и тонкой лаковой пленкой 3. Снаружи наносится
антикоррозийная краска или пластмассовая оболочка 4.
Спиральный волновод периодической структуры (рис. 5.73)
представляет собой спираль 1 из медной изолированной проволо-
Рис. 5.72. Конструкция цельнометаллического волновода:
/—стальная труба (3 мм); 2—медный слой (20 мкм); 3—лаковая пленка; 4 —защитная обо-
лочка
Рис. 5.73. Конструкция спирального волновода:
/—медная изолированная спираль; 2 — диэлектрик; 3—алюминиевый экран (0,1 мм); 4—
оболочка из стеклолснты в эпоксидной смоле (2 мм)
1228
Рис. 5.74. Монтаж волноводов:
1 — волновод; 2 — флянец; 3 —болт; 4— эпоксидная смола $ __ '
ки диаметром 0,5 мм, покрытую диэлектриком 2
и заключенную в экран 3 и наружную оболочку
4. Внутренний диаметр волновода 6 см. В каче-
стве диэлектрической оболочки чаще всего при-
меняется стеклолента, пропитанная эпоксидной смолой.
Достоинством спиральных волноводов является фильтрация
паразитных волн, возникающих в местах неоднородности вол-
новодного тракта при прохождении волны HOi. Это объясняется
следующим образом. Спиральный волновод имеет периодиче-
ские разрывы по всей длине и поэтому допускает лишь пере-
дачу таких волн, в структуре которых отсутствует продольная
составляющая тока в стенках волновода. Такой волной является
поперечно-электрическая волна НОь Наличие разрывов по длине
в гибких волноводах не является помехой эффективному рас-
пространению волны- Н01. Более того, разрывы продольной це-
лостности спирального волновода являются содействующим фак-
тором, так как такой волновод будет эффективно пропускать вол-
ну Н01 и задерживать все другие типы волн, требующие для
распространения "продольной целостности стенок волновода.
Волноводные секции изготавливаются длиной 2,5 и 5 м. Мон-
таж волноводов осуществляется с помощью специальных сочле-
нений (фланцев), укрепляемых болтами (рис. 5.74). Для влаго-
стойкости сростки заливаются эпоксидной смолой. Волноводные
линии прокладываются в земле на хорошо выровненном основа-
нии (бетоне, песчаной подушке), внутрь их нагнетается сжатый
воздух или инертный газ. Глубина закопки 1,5 ... 2,0 км.
Исследования показали, что наилучшим типом волноводного
тракта является комбинированный, сочетающий цельнометалли-
ческий волновод и спиральный. Через каждые 50 .. . 100 м цель-
нометаллического волновода делаются спиральные вставки дли-
ной 5 ... Юм. Спиральный волновод в 2 ... 3 раза дороже, но
он обладает высокими фильтрующими свойствами для паразит-
ных волн Ен И Н12-
Общие потери (затухание) реальных волноводных линий со-
ставляют 2,5 ... 3,5 дБ/км.
Подводя итоги, можно отметить следующие достоинства вол-
новодов: возможность передачи весьма высоких частот и полу-
чение мощных пучков каналов связи; полная экранировка поля;
отсутствие потерь в диэлектрике и на излучение; большая про-
пускная мощность.
К недостаткам волноводов относятся:
наличие критической частоты, в связи с чем волновод не
пропускает частот, длины которых больше диаметра волновода,
а также громоздкость конструкции и малые строительные длины.
229
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛИ
5=37. СВЕРХПРОВОДНИКИ И
ДИЭЛЕКТРИКИ ПРИ КРИОГЕННЫХ
ТЕМПЕРАТУРАХ
Успехи физики сверхпроводимости и криогенной техники при-
вели в последние годы к созданию ряда сверхпроводящих
устройств.
Сверхпроводники получили применение в различных радио-
электронных устройствах (объемных резонаторах, контурах
и др.), узлах электронно-вычислительных машин и в квантовой
технике. Сверхпроводники позволяют конструировать различные
электротехнические устройства с габаритами и массой в 3—
10 раз меньше, чем у обычных. Сюда относятся электромашины,
трансформаторы, соленоиды и другие электротехнические уст-
ройства.
На базе сверхпроводников создаются малогабаритные кон-
струкции радиочастотных, силовых и связных кабелей с малым
затуханием.
Ряд металлов и сплавов обладают особым свойством — сверх-
проводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю
(—273°C). Данное явление открывает широкие возможности для
создания линий передачи электромагнитных сигналов с весьма
малыми потерями. Достаточно сказать, что сопротивление про-
водников при сверхнизких температурах может быть порядка
10“23 Ом-см, т. е. в 10й раз меньше, чем сопротивление меди
при температуре 20 °C. Наряду с малым сопротивлением сверх-
проводники обладают еще и такими замечательными свойствами,
как полное экранирование электромагнитного поля и низкий
уровень собственных тепловых шумов.
Эффект сверхпроводимости упрощенно может быть объяснен
следующим образом. Электрический ток в металле — это поток
электронов через кристаллическую решетку атомов 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 для прохождения по-
тока электронов. И, наконец, при температурах, близких к абсо-
лютному нулю, колебания практически прекращаются и прояв-
ляется эффект сверхпроводимости. Для каждого сверхпроводника
существует своя критическая температура Гк, при которой воз-
никает явление сверхпроводимости, причем сверхпроводимость
появляется и исчезает довольно резко, скачком, при достижении
критической температуры.
230
Рис. 5.75. Зависимость
сопротивления от темпе-
ратуры для обычного
проводника (/) и сверх-
проводника (2)
Рис. 5.76. Частотные зависи-
мости сопротивления для
обычного проводника (Г) и
сверхпроводника (2)
Следует отметить, что свойством сверхпроводимости облада-
ют далеко не все металлы. Например, такие лучшие электриче-
ские проводники, как медь, серебро, золото, не становятся сверх-
проводниками, и во всем диапазоне температур не наблюдается
резкое изменение сопротивления. На рис. 5.75 показаны харак-
терные зависимости изменения электрического сопротивления от
температуры для проводников, не обладающих свойствами сверх-
проводимости (кривая /), и для сверхпроводников (кривая 2).
Ниже даны значения критических температур Тк, К, для неко-
торых сверхпроводящих металлов:
Ниобий . . . 9,28 Ртуть
Свинец .... 7,19 Олово .
Тантал .... 4,46 Алюминий .
. 4Д5 Молибден . . . 0,95
. 3,73 Цинк ... . 0,92
. 1,19 Уран . . . .0,8
Температура измерена по шкале Кельвина (К), которая обыч-
но и используется для оценки сверхпроводящих металлов. По
Кельвину отсчет ведется от абсолютного нуля (—273 °C). Меж-
ду показаниями по Кельвину и Цельсию существуют следующие
соотношения 273° и Тк~/сН-273°, т. е. нулевая темпе-
ратура по Цельсию соответствует 273° по Кельвину, а нуль по
Кельвину означает —273° по Цельсию.
На рис. 5.76 показаны частотные зависимости сопротивлений
обычного проводника (например, меди) и проводника, обладаю-
щего сверхпроводимостью (например, ниобия). Сопротивление
медного проводника плавно возрастает с увеличением частоты
по закону У/. Сопротивление сверхпроводника в области темпе-
ратур меньше критических (Т<СТК), имея нулевые значения при
постоянном токе и весьма низкие значения до 1 ГГц, затем резко
возрастает по квадратичному закону (f2) и достигает значитель-
ной величины.
231
Таблица 5.16
Металлы Диэлектрики
Наимено- вание Т, К Ом, при I ГГц Наименование 8 г tg ь
7ЖХХЖ T-4.2K т=зоок 7Ж4.2К
Свинец 7,2 4,1 • 10-в Фторопласт 2,0 2J 5,4-10-4 4-10-е
Ниоби й 9,2 6-10~в Полиэтилен 2,3 2,5 2,8-10-* 5-10-»
Медь 300 7,5*10—3 Полипропилен Г- 2,1 12-10—1 4.10-8
Глубина проникания поля в сверхпроводнике зависит от тем-
пературы
[0(Т)/0(0) ] 2= I / [ 1 —(Г/Тк)4] э
(5.109)
где 0(0)—глубина проникания при 7=0; 0(7)—глубина про-
никания при 0<7<с7к; 7к — критическая температура (см. вы-
ше); 7 — температура, при которой определяется глубина прони-
кания поля.
Охлаждение влияет также на диэлектрики, меняя их электри-
ческие и физико-механические свойства.
Последнее время была создана электрокерамика (барий, медь,
кислород и другие составляющие), обеспечивающая сверхпроводи-
мость при более высоких температурах. Если ранее охлаждение
металлов происходило при гелиевой температуре (4К), то электро-
керамика проявляет сверхпроводящие свойства уже при 77—90К,
которые достигаются применением жидкого азота. Хладоагент—
азот существенно дешевле и доступней гелия и это открывает ши-
рокие возможности создания и применения сверхпроводящих ка-
белей. В настоящее время продолжаются работы по дальнейшему
повышению температуры сверхпроводимости.
Характеристики металлов и диэлектриков при криогенных
температурах приведены в табл. 5.16.
5.38. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
СВЕРХПРОВОДЯЩИХ КАБЕЛЕЙ
Основной отличительной особенностью сверхпроводящих ка-
белей являются их чрезвычайно низкие значения сопротивлений.
Определение сопротивления кабеля в режиме криогенных тем-
ператур составляет важнейшую задачу расчетов и анализа этих
кабелей. Остальные параметры кабелей могут рассчитываться по
обычным формулам.
Для определения сопротивления кабеля воспользуемся урав-
нениями Максвелла и вектором Пойнтинга. Применительно к
проводникам в цилиндрической системе координат сопротивление
232
определяется продольной составляющей электрического поля Ег
и тангенциальной — магнитного поля Нч:
2«
EzHyrd<?,
где г и ср — соответственно координаты — радиус и угол.
Согласно двухжидкостной теории сверхпроводимости [16] ток
в сверхпроводнике можно представить как сумму токов нормаль-
ных и сверхпроводящих электронов. Эта теория является про-
стейшей, но ее использование позволяет произвести электроди-
намический анализ в законченном виде. Плотности нормального
и сверхпроводящего токов можно записать в виде /н — он£г; Л =
= £г/(1шц09с2), где Он — проводимость нормальных электронов;
ы — круговая частота; —магнитная постоянная; 0С —глубина
проникания поля в сверхпроводники. Таким образом, суммарная
плотность тока
/ = /н4-/с=[сТс’П-1/ (Ю)Цо0с2) ] Ez.
(5.110)
Решение уравнений Максвелла относительно интересующих
нас составляющих £г и Нч для сверхпроводящего коаксиального
кабеля, имеющего осевую симметрию, на основании (§ 5.3) имеет
вид
где Лс“У1ц)ц0(Тн+1/6с2 — коэффициент распространения в сверх-
проводнике.
Осуществляя преобразования, аналогичные проведенным выше
для коаксиальных кабелей (см. § 5.5), получим сопротивления
внутреннего и внешнего проводников в сверхпроводящем режиме;
+ i ~ ~—
i wu0
i
У 1*0Щ)3н.б+ Мс.б
где га—радиус внутреннего проводника; гь — внутренний радиус
внешнего проводника; или при проводниках из одинакового сверх-
проводникового материала
Z^Za-4Z6^^ . 1^0==, (5.111)
К i (оц0зн 4-1, Sc-
где’ N==(l/Га+1/гъ)/2л — поверхностное сопротивление сверхпро-
водника.
233
Для сравнения приведем формулу полного сопротивления ко-
аксиального кабеля на высоких частотах в нормальном состоянии
Z Za + ZB = - Z„N,
где ZH— поверхностное сопротивление металла в нормальных ус-
ловиях.
Можно отметить, что приведенные выше выражения анало-
гичны. Различаются лишь выражения для поверхностного сопро-
тивления сверхпроводника Zc и нормального металла ZH. Однако
при обычных температурах, когда 1 /0с2, сопротивление
ZC->Z„.
Разделяя действительную и мнимую части поверхностного со-
противления сверхпроводника, получим для полного сопротивле-
ния Z=/?+iG)L следующие выражения:
оАа 2Q 2
» У
1 + “2Н-о2’я2%4
&L = /V
1
1 + w%23H29c4
(/i_w-W6c’4
(5.112)
Если учесть, что yi-j-x2^ 1+%2/2 (при х<^1), для рассмат-
риваемой области частот и температур, когда o)2po2oH20c4<^ 1, вы-
ражение (5.112) получит вид
/? W»04A7/2-
П v f г
Из формулы видно, что сопротивление от частоты меняется по
квадратичному закону. Выражая /? через поверхностные сопро-
тивления металлов (/?с.а и /?с.б), получаем
(5.113)
В свою очередь, /?с=7?с1/2? где 7?ci — поверхностное сопротив-
ление при частоте 1 ГГц; / -—расчетная частота; Кт — температур-
ный коэффициент.
Остальные параметры можно рассчитывать по обычным фор-
мулам для коаксиального кабеля на высоких частотах (см. §§ 5.5
и 5.6).
Для расчета коэффициента затухания сверхпроводящего ка-
беля а, дБ/км, можно пользоваться эмпирической формулой
а=Цм + ад==0,05/24“0,5/,
где f — частота, ГГц.
234
5.39. КОНСТРУКТИВНЫЕ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СВЕРХПРОВОДЯЩИХ КАБЕЛЬНЫХ
ЛИНИЙ
Наиболее предпочтительной конструкцией сверхпроводящего
кабеля является коаксиальная. Обычно диаметр внутреннего про-
водника равен 0,25 ... 0,50 мм, внешнего—1,5 ... 2,5 мм.
В качестве материала для проводников применяются в основ-
ном ниобий и свинец; изоляции выполняются из фторополимеров.
Известны конструкции с изоляцией из пористых пластиков.
Основным достоинством сверхпроводящего кабеля является
его малое затухание. Так, затухание кабеля в криогенном ре-
жиме меньше, чем в обычном, в 106 раз при частоте 1 МГц и в
103 раз при 1 ГГц. Причем частотная зависимость потерь в ме-
талле и диэлектрике проявляется по-разному. У сверхпроводящего
кабеля в диапазоне до 109 Гц затухание в диэлектрике превышает
затухание в металле (ад>ам), а У обычного кабеля — наоборот
(ам.>ад). В области более высоких частот картина меняется на
обратную.
Наряду с указанными достоинствами чрезвычайно важным для
организации междугородной связи является также то, что сверх-
проводящий кабель обеспечивает полное экранирование от внеш-
них и взаимных источников помех и имеет очень низкий уровень
собственных шумов. Сверхпроводящая кабельная линия связи со-
стоит, во-первых, из непосредственно сверхпроводящего кабеля
(электрическая часть), и, во-вторых, из криогенных устройств,
обеспечивающих создание и поддержание требуемых низких тем-
ператур (криогенная часть).
Обеспечение криогенных температур для сверхпроводящих
кабельных линий большой протяженности является довольно
сложным и дорогостоящим. Основная задача состоит в том, что-
бы изолировать сверхпроводящий кабель от притока тепла из
окружающей среды и обеспечить постоянство температуры глу-
бокого охлаждения кабеля. Для получения низких температур
могут применяться такие хладоагенты, как азот, водород, гелий
в жидком и газообразном состояниях. Азот дает 77 К, водород
20 К и гелий 4,2 К-
Сверхпроводящий кабель предусматривается помещать в тру-
бопроводе из нержавеющей стали, меди или алюминия и тепло-
изолирующих материалов. С помощью жидкого или газообразного
азота или водорода и гелия, прокачиваемых по трубе, в ней со-
здается и поддерживается требуемая низкая температура. Обя-
зательным условием обеспечения низкой температуры является
надежная теплоизоляция трубопровода от окружающей среды.
В качестве криоизоляции могут применяться пористые материалы
235
C8u>i?u+
Рис. 5.77, Конструкция японского
сверхпроводящего кабеля:
/—медная труба; 2— коаксиальные па-
ры; 3 — суперизоляция (алюминий —
стеклоленгы); 4—стальная гофрирован-
ная оболочка; 5 — полиэтиленовая обо-
лочка; 6 — жидкий гелий
Рис. 5.78. Немецкий сверхпрово-
дящий кабель:
/ — сердечник: 2 —коаксиальные пары
(1.2/4,4 мм); <?—внутренняя металличес-
кая труба; 4— держатели; 5— канал ва-
куума; 6— внешняя металлическая тру-
ба; 7 —пластмассовая оболочка
(пенополистирол, пенополиуретан и др.) или вакуумно-много-
слойная изоляция.
Для прокачки хладоагентов по трубопроводу на большие рас-
стояния и поддержания стабильной температуры необходимо иметь
вдоль трассы кабеля через каждые 10 ... 20 км криогенные (ре-
фрижераторные) станции.
Ниже приведены некоторые конструкции сверхпроводящих ка-
белей. Японский сверхпроводящий кабель содержит 14 ... 18 тон-
ких коаксиальных пар 0,48/1,57 мм. Внутренний проводник би-
металлической конструкции медь — свинец, внешний — выполнен
в обратном сочетании свинец —медь. Во всех случаях токоне-
сущей поверхностью является свинец. Изоляция — из этиленпро-
пилена. Коаксиальные пары располагаются вокруг медной труб-
ки, внутри которой циркулирует жидкий гелий с температурой
4К.
Конструкция кабеля и всех его составных элементов показа-
на на рис. 5.77. Снаружи имеется механический геометрический
каркас в виде стальной гофрированной оболочки. Хладоизоляция
осуществляется с помощью вакуума и наружной полиэтиленовой
оболочки. Общий диаметр кабеля 70 мм.
Немецкий сверхпроводящий кабель содержит 18 коаксиальных
пар стандартной малогабаритной конструкции (1,2/4,4 мм), вы-
полненных из алюминия чистотой 99,7%. Весь этот сердечник
помещается в две стальные трубы с большим зазором между
ними для хладоагента. Зазор между трубами создается разме-
щенными по длине изоляционными держателями. Снаружи ка-
бель имеет массовую изоляционную оболочку (рис. 5.78).
Известны также комбинированные конструкции сверхпроводя-
щих кабелей, в которых сочетаются проводники энергетического
назначения и связи.
Технико-экономические исследования показывают, что в сверх-
проводящей кабельной линии основные расходы связаны с со-
зданием криогенной оболочки и криогенных станций для поддер-
жания глубокого охлаждения кабеля. Сам кабель стоит сравни-
тельно дешево.
Сравнивая обычную и сверхпроводящую кабельные магистра-
ли, можно отметить, что в первом случае для компенсации зату-
хания кабеля необходимо через каждые 1,5 ...6 км иметь уси-
лители, а во втором случае затухание ничтожно мало и связь
можно организовать без усилителей на большие расстояния
(больше 100 км). Однако для поддержания низких температур
и прокачки хладоагента по трубопроводу через каждые 10 . . .
... 20 км трассы должны устраиваться криогенные станции, стои-
мость которых довольно высока. Поэтому затраты на сооруже-
ния сверхпроводящей магистрали значительно превышают затраты
на обычную кабельную магистраль.
Одним из целесообразных путей осуществления сверхпрово-
дящей магистрали связи является размещение кабелей связи
в общем криогенном трубопроводе, создаваемом для передачи
энергии. Такое совмещение сверхпроводящих кабелей связи в
общем криогенном трубопроводе, под общей оболочкой перспек-
тивно и выгодно в технико-экономическом отношении.
5.40. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ
НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ И
ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ
Сравним различные направляющие системы по частотному
диапазону использования, затуханию, защищенности от внешних
помех и технико-экономическим показателям. Основные показа-
тели различных направляющих систем передачи высокочастотной
энергии сведены в табл. 5.17.
Из таблицы видно, что по частотному диапазону использова-
ния наиболее широкие возможности открывают оптические ка-
бели, волноводы, а также коаксиальные кабели. Весьма ограни-
ченный диапазон имеют симметричные цепи как воздушные, так
и кабельные.
Сравнивая существующие типы кабелей: симметричные, ко-
аксиальные и оптические — следует отдать предпочтение двум
последним. Коаксиальные и оптические кабели обладают боль-
шой пропускной способностью и хорошо защищены от взаимных
и внешних помех. Достоинством оптических кабелей являются
237
Таблица 5.17
Направляющая система Затухание Внешнее поле Диапазон частот, Гц
а м ®д %
Воздушная линия Симметричный кабель Коаксиальный кабель Сверхпроводящий кабель Волновод Оптический кабель — + II 11++ 1 1 15 + + До 10б До 10е До 108 До 109 1О1О...1Оп 1ШЧ. .1О35
также малые габаритные размеры и масса. Они изготавливаются
без применения цветных металлов.
На рис. 5.79 приведен график частотной зависимости затуха-
ния указанных трех типов кабелей. Из рисунка видно, что за-
тухание симметричных кабелей резко растет с частотой. У коак-
сиальных кабелей затухание возрастает более плавно, а оптиче-
ские кабели имеют неизменное затухание во всем диапазоне ис-
пользуемых частот. Это открывает возможность увеличивать чис-
ло передаваемых каналов по оптическим кабелям без установки
дополнительных регенераторов.
Оценивая остальные направляющие системы, можно признать
следующее.
Воздушные линии не могут рассматриваться в числе перспек-
тивных средств связи. Им свойственны все недостатки открытых
систем (плохая защищенность от внешних и взаимных помех и
малоканальность).
Волноводы не получили применения для междугородной свя-
зи, так как они громоздки и имеют малые строительные длины
(3 ... 5 м). Волноводы широко используются в качестве фиде-
ров питания радиотехнических установок.
Достоинством сверхпроводящих кабелей является весьма ма-
лое затухание в широком диапазоне частот, позволяющее дове-
сти длины регенерационных участков до сотни километров (по
коаксиальным кабелям длина участка
cv 3 ... 6 км). Однако пока еще велики затраты
на криогенную технику и поэтому сверхпрово-
дящие кабели получили ограниченное приме-
/нение в радиочастотной технике и при орга-
----------- низации технологической связи.
Рис. 5.79. Частотная зависимость затухания симметрич-
f, Гц ного (СК), коаксиального (КК) и оптического (ОК) ка-
белей
238
Длина волны Класс волны Число каналов ТЧ Область применения
КМ 100 м м м мм мкм Т Т т т Е и Н ЕН и НЕ 10 100 1000... 10 000 1000. ..10000 До 100 000 До 100 000 Зоновая связь То же Магистральная связь Радиотехника и технологиче- ская связь Радиофидеры Городская и междугородная связь
Сравнительная технико-экономическая эффективность различ-
ных направляющих систем, характеризуемая стоимостью одного
канало-километра, приведена на рис. 5.80. Из рисунка видна
вполне обоснованная закономерность снижения стоимости 1 кан.-км
связи с увеличением числа каналов. Прослеживается прямая за-
висимость экономичности системы от ее широкополосное™. Са-
мой дешевой является связь по световоду и волноводу, затем по
радиорелейной линии и коаксиальному кабелю. Самая дорогая
связь — это связь по воздушным линиям.
Ниже приведена сравнительная технико-экономическая эф-
фективность (в процентах) наиболее широко применяемых в на-
стоящее время направляющих систем (за 100% принятая стои-
мость 1 кан.-км по воздушной линии с медными проводами):
Воздушная линия = 4 мм)..................................> 100
Симметричный кабель (d — 1, 2 мм)....................... 30 ... 50
Нормализованный коаксиальный кабель (2,6/9,5) .........10 ... 15
Малогабаритный коаксиальный кабель (1,2/4,6 мм)...........9
Радиорелейная линия (Р-600) ............................ 15
Технико-экономическое сравнение различных кабельных си-
стем по капитальным затратам и расходу меди приведено в
табл. 5.18.
Таблица 5.18
• Система передачи Тип кабеля Система связи Стоимость 1 км кабе- ля, руб. Число каналов Капиталь- ные затра- ты на 1 хан.-км Расход меди на 1 как. -км, О/ /о
К-24 МКС-4 х4 Двухкабельная 3 350 192 100 100
к-60 МКС-4х4 То же 3 350 480 50 40
К-120 МКС-4 х 4 >—» 3 350 960 30 20
К-300 МКТ-4 Однокабельная 1 100 600 20 10
К-1920 КМ-4 То же 4 400 3 840 25 20
к-3600 КМ-4 »—» 4 400 7 200 15 12
239
Рис. 5.80. Эффективность различ-
ных направляющих систем
Целесообразность при-
менения тех или иных типов
линий связи во многом за-
висит от потребного числа
каналов связи на проекти-
руемой магистрали, а так-
же от принятых систем пе-
редачи, соотношения стои-
мости кабеля и аппаратуры
и других факторов. Между
различными направляю-
щими системами существу-
ют примерно следующие об-
ласти технико-экономического разграничения по числу каналов:
Воздушная линия
Симметричный кабель
Коаксиальный кабель
Волновод .
Оптический кабель .
До 50
50 ... 500
До 30 000
Свыше 30 000
От 1000 н выше
В табл. 5.14 и на рис. 5.69 приведены сравнительные данные
электрических и оптических кабелей. Эти данные свидетельству-
ют о высокой технико-экономической эффективности оптических
кабелей. Во-первых, достигается большая экономия цветных ме-
таллов; во-вторых, обеспечивается меньшее и стабильное затуха-
ние в широком диапазоне частот.
Экономически целесообразными системами являются оптиче-
ские системы со скоростью 34 Мбит/с и выше.
В соответствии с изложенным можно оценить дальнейшую
перспективу развития рассмотренных типов линий связи и опре-
делить область использования их и место в различных звеньях
сети связи страны (магистральная, зоновая, городская). Для
магистральной сети основным средством является коакси-
альный кабель с применением мощных аналоговых (К-3600 и
К-10800) и цифровых систем (ИКМ-1920) передачи. По мере
развития производства одномодовых оптических кабелей с долж-
ными характеристиками (затухание, пропускная способность,
срок службы) они получат применение на магистральной сети
страны. Для зоновой сети наряду с симметричными кабе-
лями с системами передачи (К-60 и К-Ю20) уже в ближайшие
годы получат широкое развитие оптические кабели с цифровы-
ми системами передачи (ИКМ-480). На городских сетях
все новое строительство соединительных, межстанционных линий
будет осуществляться на базе оптических кабелей с цифровой
системой передачи И КМ-120.
240
Получит развитие также абонентская оптическая связь мно-
гоцелевого назначения с предоставлением абонентам ГТС раз-
личных видов дополнительных услуг (заказная система кабель-
ного телевидения, вещание, видеотелефонирование, доступ к би-
блиотеке, к банку данных и т. д.).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. ,- Какие процессы происходят при распространении электромагнитной энергии
вдоль линии?
2. Физический смысл вторичных параметров цепи: затухание, фазовый сдвиг и
волновое сопротивление.
3. Какова скорость распространения энергии по линии?
4. Сравните электрические процессы в коаксиальных и симметричных кабелях.
5. Скажите об основных зависимостях первичных параметров (от частоты, от
температуры и т. д.).
6. Скажите о физической сущности поверхностного эффекта и эффекта бли-
зости.
7. К чему приводят неоднородности в коаксиальных кабелях и меры по повы-
шению однородности тракта передачи?
8. Достоинства и недостатки пупинизированных кабелей,
9. Какие физические процессы происходят в волноводах?
10. Классификация и структура волн в волноводах.
11, В чем особенности волны HOi в цилиндрических волноводах?
12. Использование явления сверхпроводимости в кабельной технике.
13. Конструкции сверхпроводящих кабелей и их электрические свойства.
14. Использование оптического диапазона волн для передачи сигналов по опти-
ческим кабелям.
15. Объясните принцип действия световодов.
16. Передаточные характеристики световодов: затухание и дисперсия.
17. Системы передачи по световодам.
18. Сравните волновую и лучевую передачи по световодам.
19. Пропускная способность световодов.
20. Как определить дальность связи, длину регенерационного участка оптическо-
го кабеля?
21. Сравните одномодовую и многомодовую передачи по оптическим кабелям.
22. Особенности направляемых, излучаемых и вытекающих волн в световодах.
23. Сравните двух- и четырехпроводные системы связи.
24. Дайте сравнение различных направляющих систем передачи и скажите о пер-
спективах их развития.
Глава 6. ВЗАИМНЫЕ ВЛИЯНИЯ
В ЛИНИЯХ СВЯЗИ
6.1. ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
СОВМЕСТИМОСТИ в линиях СВЯЗИ
Цепи и тракты линий связи постоянно находятся под воздейст-
вием сторонних электромагнитных полей того или иного проис-
хождения. Различают две основные группы источников сторон-
241
них полей: внешние энергетически и конструктивно не связанные
с линией связи — и внутренние — соседние физические и искус-
ственные цепи данной линии связи.
Внешние источники помех по своему происхождению делят-
ся на:
естественные — грозовые разряды, солнечная радиация, кос-
мическое излучение, магнитные бури;
созданные человеком — высоковольтные линии передачи, ра-
диостанции различного назначения, линии электрофицированных
железных дорог, метро и трамвая, электрические сети промыш-
ленных предприятий и отдельных энергоемких устройств.
Сторонние электромагнитные поля индуцируют в цепях и
трактах линий связи помехи, которые не только снижают каче-
ство передачи, но иногда возбуждают большие напряжения и
токи, приводящие к разрушению линий связи и аппаратуры, а
также создающие опасность для жизни и здоровья эксплуатаци-
онного персонала. Поэтому для оценки свойств линий связи по-
мимо изучения законов передачи сигналов необходимо также
исследование процессов, связанных с воздействием сторонних
электромагнитных полей на линии связи и методы защиты. Ука-
занные воздействия называют электромагнитными влияниями или
просто влияниями на цепи линий связи.
Данная проблема является общей для всех систем и устройств,
связанных с генерацией, передачей, приемом и обработкой элек-
трических сигналов и называется проблемой электромагнитной со-
вместимости. Сущность ее состоит в том, что в процессе проею
тирования, строительства и эксплуатации вышеуказанных уст-
ройств и систем необходимо учитывать, с одной стороны, воз-
действие на них сторонних электромагнитных полей заданного
характера и обеспечить достаточную для их нормальной работы
защиту от этих воздействий, а с другой — предусмотреть меро-
приятия по ограничению уровней влияния электромагнитных по-
лей проектируемых устройств и систем на другие устройства до-
пустимыми значениями.
Проблема электромагнитной совместимости требует нахожде-
ния оптимального решения обеих задач. В результате становит-
ся возможной совместная эксплуатация существующих и новых
высоковольтных ЛЭП, промышленных установок, радиостанций
и линий связи. В большинстве случаев можно выделить следую-
щие основные этапы решения данной проблемы:
анализ характера сторонних электромагнитных полей и за-
висимостей параметров их источников от различных факторов
(состояния внешней среды, режима работы источников излуче-
ний, их конструкции, времени и т. д.) ;
исследование (теоретическое и экспериментальное) законов
индуцирования помех, определение их интенсивности, спектраль-
ных и временных характеристик, а также степени воздействия
242
на качество передачи информации по линиям связи для различ-
ных типов линий связи и систем передачи;
разработка и анализ эффективных мер защиты цепей и трак-
тов от влияния сторонних электромагнитных полей и их оптими-
зация по заданным критериям (стоимости, эффективности, на-
дежности и др.); при этом рассматриваются как меры по умень-
шению интенсивности влияющих полей, так и меры защиты це-
пей и трактов, подверженных влиянию;
выбор (или разработка) мер защиты линий связи от мешаю-
щих или опасных влияний сторонних электромагнитных полей,
создаваемых внешними и внутренними источниками;
реализация мер защиты, теоретическое и экспериментальное
исследование их эффективности и соответствия максимального
уровня помех нормативным значениям.
Несмотря на общую природу внутренних (взаимных) и внеш-
них влияний, электромагнитная совместимость для каждого вида
влияний рассматривается соответственно в гл. 6 и 7 книги. Это
определяется следующими существенными различиями вышеука-
занных влияний:
интенсивность электромагнитных полей от внешних источ-
ников влияния в данной точке линии связи обычно принимается
постоянной ввиду того, что расстояния между линией связи и
источником внешних помех много больше поперечных размеров
линии связи. Для взаимных влияний это положение несправед-
ливо, так как расстояния между соседними цепями данной линии
связи сопоставимы с поперечными размерами цепей;
мощность источников внешних помех может изменяться в
очень широких пределах, а их спектры могут полностью совпа-
дать, совпадать частично или полностью не совпадать со спек-
трами сигналов. Мощность взаимных помех между цепями обыч-
но значительно ниже, мощности сигналов, однако спектры помех
и сигналов, как правило, совпадают;
внешние поля в большинстве случаев воздействуют на огра-
ниченных отрезках линий связи. При этом максимальные значе-
ния полей, возникающие при грозовых разрядах и аварийных
ситуациях на ЛЭП, протекают в течение коротких интервалов
времени и носят случайный характер. Взаимные помехи дейст-
вуют на всем протяжении линии связи и в течение всего времени
эксплуатации магистралей линий связи.
6.2. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ
В теории взаимных влияний между цепями линий связи при-
няты следующие основные определения:
: влияющая цепь — цепь, создающая первичное влияющее элек-
тромагнитное поле (рис. 6.1);
243
Ст. Л
ho ho ho
7 - блиятщая цепь
zBi » У/
hl hi hi
Cm. Б
ho ^2о ho__________________hl 21 hl
2’Цвпь^ подверженная блиянию Zi?
P2ln I Un U2Bn ZB2 ; У2 Z2tn U2ln P2ln
Рис. 6.1. Сигналы и помехи в цепях от взаимных влия-
ний
цепь, подверженная влиянию — цепь, на которую воздейст-
вует влияющее электромагнитное Поле и в которой определяются
помехи;
ближний конец линии (кабеля, цепи, тракта)—конец линии,
на котором включен генератор влияющей цепи;
дальний конец линии (кабеля, цепи, тракта)—конец линии,
на котором включена нагрузка влияющей цепи;
непосредственные (прямые) влияния — помехи, индуцируемые
непосредственно электромагнитным полем влияющей цепи в цепи,
подверженной влиянию;
косвенные влияния — помехи, индуцируемые в цепи, подвер-
женной влиянию, вторичными полями влияющей цепи и сла-
гающиеся из влияний от отражений и третьих цепей;
влияния от отражений — помехи, обусловленные отраженными
от концевых, стыковых и внутренних неоднородностей электро-
магнитными полями в цепях 1 и 2 (рис. 6.2,а);
влияния через третьи цепи — помехи, индуцируемые вторич-
ными электромагнитными полями, возникающими под воздейст-
вием поля влияющей цепи в третьих физических и искусственных
цепях линии (рис. 6.2,6);
влияния, индуцируемые по закону ближнего конца линии —
помехи, наводимые в цепи, подверженной влиянию, и распро-
страняющиеся встречно (обратно) направлению передачи сигна-
лов во влияющей цепи (рис. 6.2,в);
влияния, индуцируемые по закону дальнего конца. линии —
помехи, наводимые в цепи, подверженной влиянию, и распро-
страняющиеся в направлении передачи сигналов во влияющей
цепи (рис. 6.2,в) ; г
влияния на ближнем конце цепи (тракта)—влияния, опре-
деляемые суммарной мощностью помех на ближнем конце цепи,
подверженной влиянию (рис. 6.1);
влияния на дальнем конце цепи (тракта) — влияния, опреде-
ляемые суммарной мощностью помех на дальнем конце цепи,
подверженной влиянию.
244
Рис. 6.2. Схемы наведения помех от влияний:
а) непосредственных; б) через третьи цепи; в) от отражений (концевых, стыковых, внутрен-
них)
На рис. 6.1 обозначены мощности, напряжения и токи сиг-
налов и помех на ближнем и дальнем концах влияющей цепи
и цепи, подверженной влиянию линии связи, работающих в ква-
зистанионарном режиме:
Рю(св), У10(о)), /ю(со)—мощность, напряжение и ток сигнала
на ближнем конце влияющей цепи соответственно на часто-
те
Pu(to), /и(со)— то же, на дальнем конце влияющей
цепи;
Лго(о>), (Ao(to), /20(0))—то же, на ближнем конце цепи, под-
верженной влиянию;
Р2оп(св), £Лоп((в), /2оп((о)—мощность, напряжение и ток по-
мехи, наведенной на ближнем конце цепи, подверженной влиянию;
P2/n(to), 1/2/п(<д), /2/п (w)—то же, на дальнем конце цепи, под-
верженной влиянию;
Zbi((o), Za2(to), Zo(o), Yi (to), Zz2(to), v2(to)—волновые сопро-
тивления, коэффициенты распространения цепей, нагрузки на
концах цепей соответственно.
Абсолютные значения мощностей и напряжений помех не дают
представления о параметрах взаимных влияний линий связи, так
как зависят от уровней сигналов во влияющей цепи, значения
которых не связаны с параметрами цепи. Поэтому взаимные
влияния между цепями принято характеризовать в относитель-
ных единицах отношением модулей кажущихся мощностей сиг-
нала во влияющей цепи и помехи от взаимного влияния в цепи,
подверженной влиянию, выраженным в логарифмическом масшта-
бе. Подобные параметры влияний не зависят от абсолютных зна-
245
чений сигналов во влияющей цепи вследствие линейности рас-
сматриваемой системы.
Определим основные параметры взаимного влияния между
цепями линий связи.
Переходное затухание на частоте (о на ближнем конце линии,
дБ или Нп,
Р1 о (w)
Р sof40)
Ло(®) = 101g
или
Л0(со) U,5In
(6.1)
Переходное затухание на дальнем конце линии, дБ или Нп,
Az(w) = 101g
или At (<о) " 0,51n
(6.2)
PzhA®)
P2 / U ( ^ )
Для линий связи, работающих в квазистационарнюм режиме
(коаксиальные, симметричные и воздушные) параметры взаим-
ных влияний часто выражают через отношения амплитуд напря-
жений или токов сигналов и помех, вследствие того, что измере-
ния напряжений (токов) в этих линиях связи проще измерения
мощности. Пользуясь известными соотношениями между мощно-
стями и напряжениями сигналов на концах цепи:
До(«))= | t/io(®)/2ZB,(W) [ ;
А/ (со) = 1 ul (и)/^ (о>) I ;
Ло»= I |
получим, дБ:
и Д;„(®)= | (Дп (<<>)/2ZZ2(w) |
Л (со)- 201g
+ 101g
Z/2(o>)
zu(o>)
ZZ1(<a)
(6-4)
l-/io(tri)
б 20п (^)
А (®) = 201g
+ 101g
Аналогично (6.3) и (6.4)
определим переходные затухания
через токи сигналов и помех:
А
А (со) = 201g
(®) = 201g
+ 101g
+ 101g
ZZ1(<o)
Z(2(“)
(6.5)
(6-6)
Уравнения (6.3) — (6.6) широко используются для теоретиче-
ского экспериментального исследования амплитудно-частотных
характеристик (АЧХ) переходных затуханий на ближнем и даль-
нем концах линии.
В ряде случаев возникает необходимость исследования не
только амплитудно-частотных, но и фазо-частотных характери-
246 '
стик (ФЧХ) взаимных влияний. Для этого вводится еще один
параметр влияний — передаточная функция взаимных помех
(ПФВП) соответственно на ближнем — Ao(ico) и дальнем A/(ico)
концах линии связи между цепями, которые определяются сле-
дующим образом:
Ло( i<n) =А0 (ш) exp i [фю((о)—ф2оп((о)],
Дz(1ш) =Дz(со) exp i [фп(со) — ф2/п(со)],
(6.7)
(6.8)
где фю(о)); срп(со)—аргументы комплексных амплитуд напряже-
ний сигналов LAo(ico) и t7iz(ico) соответственно; ф20п(св); ф2^(со)—
то же для комплексных амплитуд напряжений помех £72On(iw)
и У2/п(|<о).
Графически АЧХ, ФЧХ и ПФВП на ближнем A0(ico) и даль-
нем A/(ico) концах линии обычно представляются в комплексной
плоскости. Эти графики называют годографами ПФВП. Измери-
тельные приборы, например ИКС-600 (см. § 6.14), позволяют
непосредственно получать изображение годографа ПФВП на эк-
ране электронно-лучевой трубки.
Для оценки воздействия помех от взаимных влияний между
1-м и 2-м трактами КМ на качество передачи сигналов вводят
параметр защищенности тракта, подверженного влиянию, дБ,
определяемый разностью уровней сигнала и помехи на ближнем
и дальнем концах тракта 2 (рис. 6.1) соответственно:
^03 1/2 (о)) —Р20 (о>) —р20п (СО) ~Pzq (б)) — [рю (ш) —
—А о (со) ] —А о (со) — [Р10 (со) —Р2о(<д) ]
и
Ai3i/2 (<о) =P2i (со) —Р2П1 (<о) —Р2/ (<о) —
— [ри (со) —А / (со) ] “А / (со) — [рп (св) Р21 (<в) ] 7
(6.9)
(6.10)
где р20(<о) = 101gАоп(«) = 101g pit <<о) = 101g
и т. д. — относительные уровни сигналов и помех, дБ; Р$—
—10-3 Вт — абсолютный нулевой уровень, равный 1 мВт.
Из (6.9) и (6.10) следует, что значения защищенности трак-
тов совпадают с величиной переходного затухания между це-
пями только тогда, когда уровни сигналов на концах обоих
трактов одинаковы. При различных уровнях сигналов, например
при неодинаковых параметрах передачи цепей, использовании
цепей кабеля для разных систем передачи или встречном на-
правлении передачи защищенность между трактами для одной
из комбинаций влияния снижается на величину, равную раз-
247
~~i Pfoc 5дЕ 1К Цепь 1 Рпс $
Цепь 2
4
Рис. 6.3. Схема встречного направления передачи:
а) определение защищенности цепей; б) диаграмма уровней сигналов цепей
ности уровней сигналов на концах первого и второго трактов
линии связи. Рассмотрим пример определения защищенности для
встречного направления передачи.
Пример 6.1. Пусть передача по цепи 1 (рис. 6.3) происходит слева направо,
а по цепи 2 — справа налево. Положим, что минимальные значения переходных
затуханий и уровни сигналов на концах цепей [рис. 6.3,6] равны:
А$пип(Л) — /4omi'n (Б)—60 дБ, Ai min (Д)= Л/min (Б) — 70 дБ, р[о~“1*5 дБ,
ри = — 51,5 дБ, р2^~~51,5 дБ, p2i = ~ 1,5 дБ.
Определим защищенность цепей при первой влияющей цепи и второй цепи,
подверженной влиянию. Такую комбинацию влияний будем называть влиянием
1/2. Подставив значения уровней сигналов на станции Л и Б в (6.9) и (6.10),
получим:
Лоз1/2(Л)=60— (- 1,5+51,5)—10 дБ,
Л/31/2(Б) -70~(-51,5—1,5) = 120 дБ.
Защищенность от влияния 2/1 на станциях А и Б (рис. 6.3,6), где уровень
сигнала в цепи, подверженной влиянию, ри = —51,5 дБ, а во влияющей цепи
Р/с = “П5 дБ. Отсюда [см. (6.10)]:
Лоз|/2(5)=60—(—1,5-[-51,5) = 10 дБ и +з2/1 (Л)-70—(—51,5+1.5) - 120 дБ.
В зависимости от структуры влияющего электромагнитного
поля и конструкции цепи, подверженной влиянию, различают си-
стематические и случайные влияния. К систематическим {регу-
лярным) или детерминированным влияниям относят взаимные
помехи, законы возбуждения которых по всей длине линии из-
вестны. К случайным или нерегулярным влияниям относятся
взаимные помехи, возникающие между цепями вследствие мно-
жества случайных причин и поэтому не поддающиеся точной
априорной оценке. Результирующие влияния между реальными
цепями определяются как систематическими, так и случайными
составляющими. При этом после реализации мероприятий по
защите цепей от взаимных влияний удельный вес систематических
составляющих обычно уменьшается и остаточные взаимные влия-
ния имеют, как правило, случайный характер (табл. 6.1).
248
Таблица 6.1
Тип линии Характер возбуж- дающего поля Преобладающие влияния до реализации мер защиты Меры защиты от взаимных влияний Преоб ла- дакшие влияния после реа- лизации мер защи * ты
Воздуш- ные линии связи Откры- тое Систематическое влияние, относитель- но большой уровень взаимных помех, воз- растающий с увели- чением частоты Систематическое скре- щивание цепей, опти- мальное расположение цепей, уменьшение кон- структивных неоднород- ностей Случай- ные
Коакси- альный кабель Закры- тое Систематическое влияние через третьи цепи, с повышением частоты помехи от взаимных влияний убывают вследствие поверхностного эф- фекта Экранирование коакси- альных пар и ограниче- ние диапазона рабочих частот снизу То же
Симмет- ричный кабель Откры- тое Систематические и случайные влияния, возрастающие с ча- стотой Оптимизация шагов скрутки и конструкций кабеля, пространствен- ное разделение цепей, экранирование, симмет- рирование при строи- тельстве, ослабление по- мех на участках ОУП— ОУП, оптимизация си- стем передачи
Оптиче- ский ка- бель Закры- тое Систематические и случайные влияния, от частоты сигнала практически не зави- сят при fc<^30 ГГц Экранирование оптиче- ских волокон, рацио- нальная конструкция оп- тических кабелей, про- странственное разделе- ние О В То же
Взаимные влияния изучаются теоретическими и эксперимен-
тальными методами.
Теоретические методы используются в основном для выде-
ления общих закономерностей процессов, возникновения влия-
ний в линиях различных конструкций, а также их зависимостей
от частоты и других факторов. На базе этих результатов раз-
рабатываются способы защиты цепей от взаимных помех, ре-
комендации по оптимизации параметров систем передачи и кон-
струкций линий связи. С их помощью оценивается эффективность
различных методов защиты от взаимных влияний.
249
Рис. 6.4. Картина изменения значения вектора Пойнтинга по линии, перпендику-
лярной оси проводов цепей:
а) воздушной, б) коаксиального кабеля
Теоретические методы исследования систематических влияний
в линии обычно позволяют получить не только качественные, но
и хорошие оценки численных значений параметров влияния. К это-
му случаю в наибольшей мере приближаются взаимные влияния
между цепями воздушных линий связи, а также между коакси-
альными цепями. Однако характер взаимных влияний в этих
линиях существенно различается. Цепи воздушных линий связи,
как было показано в гл. 5, создают открытое поле, сравнительно
медленно убывающее в плоскости поперечной оси цепи (рис. 6.4,а).
В идеальных коаксиальных цепях электромагнитное поле
(рис. 6.4,6) вне цепи равно нулю и взаимные влияния опреде-
ляются влиянием через третьи цепи.
В симметричных кабелях связи и оптических кабелях преоб-
ладают случайные составляющие влияния. При оценке взаимных
влияний в этих линиях связи широко используются статистиче-
ские методы исследования и аппарат теории вероятности.
Однако различный характер возбуждающего поля — открытый
в симметричных кабелях и закрытый в оптических, а также раз-
личные режимы работы цепейквазистационарный в симметрич-
ных кабелях связи и электродинамический в оптических — приво-
дит к необходимости раздельного рассмотрения теории взаимных
влияний для каждого типа линий связи, указанных в табл. 6.1.
Экспериментальные методы исследования взаимных влияний
используются во всех типах линии связи для определения коли-
чественных значений параметров влияния и их частотных харак-
теристик, а также зависимостей этих параметров от других фак-
торов. Методы и техника экспериментальных исследований вза-
имных влияний весьма разнообразны. Основными параметрами
измерительных устройств для измерения взаимных влияний яв-
ляются: диапазон рабочих частот, динамический диапазон изме-
ряемых величин, быстродействие (производительность) и погреш-
ности измерений. -
250
6.3. ВЛИЯНИЯ В ОДНОРОДНЫХ
СИММЕТРИЧНЫХ линиях связи
Взаимные влияния между симметричными цепями обусловле-
ны взаимодействием электромагнитных полей этих цепей, кото-
рое можно представить в виде суммарного воздействия электри-
ческого и магнитного полей. Влияние от электрического поля на-
зывают электрическим, а от магнитного поля магнитным. Зна-
чения электрического и магнитного влияний можно определить
экспериментально и в некоторых случаях путем расчета.
Экспериментальные методы раздельного определения влияний
основаны на измерении токов и напряжений, во влияющей цепи
и цепи, подверженной влиянию в режимах, когда между цепями
существует в основном либо электрическое поле, либо магнитное.
Эти уровня создаются в коротких по сравнению с длиной волны
сигнала k~v/f отрезках линий при режимах холостого хода
(электрическое поле) и короткого замыкания (магнитное поле).
Отношение комплексных амплитуд тока помех 12п (ю), наве-
денного в цепи длиной /, подверженной влиянию, и напряжения
Z7i (<d) во влияющей цепи, определенных в режиме холостого хода
цепей, называют электрической связью между этими цепями, См:
Ki2(i со, /) = ^л(а>) - g12 4- i aklt (6.11)
6j(w)
где gi2 — активная составляющая электрической связи; k\ — ем-
костная связь между цепями 1 и 2.
Магнитной связью, между цепями 1 и 2 называют отношение
комплексных амплитуд ЭДС, наведенной в цепи длиной /, под-
верженной влиянию Ё2п((о), и тока Л (со) во влияющей цепи в
режиме короткого замыкания в обеих цепях, Ом:
Al12(i<o,/) =-^Щ- = г12_|-1<о/п1> (6.12)
71(со)
где Г12 — активная составляющая связи; гп\ — индуктивная со-
ставляющая связи между цепями 1 и 2.
На рис. 6.5 показаны кривые зависимости сопротивления хо-
лостого хода и короткого замыкания симметричных цепей от
произведения длины линии I на частоту /с. Пользуясь этими кри-
выми, нетрудно определить при заданной длине измеряемого от-
резка линии I и допустимой систематической погрешности изме-
рения, зависящей от отношения (ZX.X/ZB) и (ZK.3/ZB), диапазон
рабочих частот, в котором могут производиться измерения
Л12(10), /) и /). На практике при измерении связей огра-
ничиваются выполнением условия /<Л/4 или /<СА/8. Линии свя-
зи, у которых параметры передачи цепей и значения комплекс-
251
Рис. G.5. Графики зависимости сопро-
тивлений холостого хода и короткого за-
мыкания от произведения длины линии
на частоту сигнала
ных электрических и магнитных связей между ними остаются по-
стоянными по всей длине, называют однородными.
Для однородных линий коэффициенты связи /(12(1(0), См/км,
и M12(ico), Ом/км, обычно нормируют на единицу длины линии:
= ------ Af12(iw) =—12^ (6.13)
/ /
При учете совместного действия электрической и магнитной
связи в рабочем режиме цепей, когда они нагружены на согла-
сованные нагрузки, возникает необходимость приведения значе-
ний этих связей к одинаковой размерности. Имея в виду, что
в режиме согласованной нагрузки L/i~/iZB1 и /2n=£'2n/ZB2, из
(6.11) и (6.12) получим формулы, выражающие электрическую
и магнитную связь в различных единицах:
Х1'2 (i w) = К1г (i (О) ZB1ZB2 = (gl2 + i ©£,) ZnZt2, Ом/км,
KlHico) = X12(i<o) VZnZtt = (giS-pi(ofe,)KZB1Z,2, 1/km,
, (6.14)
ЛТ12 (1 co) = Л112 (i co)/ZB1ZB2 = (r^-j-iwmJ/Z^Z^, См/км.
AfX (i co) = Al12(iw)/J<ZB1ZB2 = (r12 Д-i comJ/OZ,/,,, 1/km.
На рис. 6.6 показана эквивалентная схема, поясняющая при-
роду возникновения электрической и магнитной связей между
симметричными цепями. Изображенный на рис. 6.6,а емкостной
мост из частичных емкостей и проводимостей между проводами
влияющей (провода /, 2) и подверженной влиянию (провода 3,
4) цепей показывает причину появления электрической связи.
В реальных линиях связи этот мост в той или иной мере ока-
зывается разбалансированным в результате асимметрии распо-
ложения проводов цепей, а также отклонения эквивалентных
значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь
изоляционных покрытий проводов кабеля от средних величин.
Под действием напряжения влияющей цепи U\ в цепи, под-
верженной влиянию, возникает ток помехи, значение которого
пропорционально разности частичных емкостей между провода-
ми цепей 1 и 2 на длине линии I (рис. 6.6,42) (йз(+£24/)— (си/+
+с2з/)- Значение этой разности, отнесенное на единицу длины
252
Рис. 6.6. Эквивалентные схемы мостов связей:
а) электрической, б) магнитной
1
однородной линии, называют коэффициентом емкостной связи или
просто емкостной связью, Ф/км,
k\— (с 13+^24) — (с 14+^гз),
(6.15)
где стз=С1з/Д; h Сн—Сш/Z; £23=^23//^
Емкостная связь характеризует емкостную асимметрию между
цепями, а после умножения на частоту сигналов определяет мни-
мую составляющую электрической связи [см. (6.14)].
Активная составляющая электрической связи gi2 между пер-
вой и второй цепями (рис. 6.6,а) выражается через разность по-
терь в диэлектрике g^i, g^u g2u, gw аналогичным (6.15) выра-
жением, См/км:
£12 = (£1з + £24) (£м + £2з) .
(6.16)
Индуктивная связь т\ между цепями по аналогии представ-
ляется мостом частичных индуктивностей, имеющих трансфор-
маторную связь (рис. 6.6,6). Коэффициент индуктивной связи
характеризует асимметрию моста и соответственно относитель-
ную величину перехода энергии магнитного поля влияющей цепи
в цепь, подверженную влиянию, ГнДкм,
^i = (mi3+^24)-—(тн+шгз).
(6.17)
Активная составляющая магнитной связи г\2 обусловлена раз-
личием потерь на вихревые токи в проводах и металлических
оболочках кабеля, возникающих вследствие несимметричности
расположения проводов цепей относительно оболочки экранов и
третьих цепей кабеля. В результате мост активных сопротивлений
Из/, г2з/, тио г24/ (см. рис. 6.6,6) расстраивается и появляется ак-
тивная составляющая комплексной магнитной связи, Ом/км,
>Т2= (Г 13+^24) — (Г 14+^23) . (6.18)
253
Рис. 6.7. Эквивалентная схема
электрической /С12 и магнитной
М12 связей между цепями
Эквивалентная схема
электрического и магнитно-
го влияния между цепями
приведена на рис. 6.7.
Выразим величину непо-
средственного влияния меж-
ду однородными симмет-
ричными цепями на ближ-
нем и дальнем концах ли-
нии с помощью введенных
в (6.13), (6.14) значений электрической и магнитной связи, при
заданных параметрах передачи цепей 1 и 2 и длине линии I,
Рассмотрим процесс взаимного влияния между цепями 1 и 2
(рис. 6.8.).
Допустим, что влияющая цепь 1 и цепь, подверженная влия-
нию 2, нагружены согласованно. В этом случае ток и напряжение
в любой точке влияющей цепи, расположенной на расстоянии х
от начала ее, определяются по формулам
flx (i ®) = /10 (1 О) ; U1X (i (О) (i ф-^Х.
^В1
Определим величины взаимного влияния, индуцируемого маг-
нитным и электрическим полями на элементарном участке dx.
Электродвижущая сила, индуцируемая в цепи, подверженной
влиянию, магнитным полем
dE2xn (ico) =—/lx(i(i))Ml2(i(i))dx.
Рис. 6.8. К выводу уравнения влияния между однородными цепя-
ми
254
Под воздействием этой ЭДС в цепи 2 возникает ток помех
С^/2хпм (i(0) ===d£2xn (ico) / 2Zb2-
Электрическое поле влияющей цепи создает на участке dx цепиг
подверженной влиянию, ток помехи (см. рис. 6.8)
: • dhx п .э (i а)) /1 х (но) Z& 1 К 12 (i (в) dx.
Этот ток разветвляется на две равные части: ток, движущийся к
ближнему концу линии,
^/2хпэб(1(в) =—0,5/i (i(B)ZBiKi2(i<o) dx
и ток, движущийся к дальнему концу линии,
di2хпэд (ico) =0,571 (ico) ZbiKi2 (iw) dx.
Суммарный ток влияния на ближнем конце цепи, подверженной
влиянию, наводимый электромагнитным полем влияющей цепи
на участке dx,
di20ПХ 0 [^^2ХПМ (i I 6^2ХПЭб 0 ^)1 е
= — 0,5/10(icB)
exp [—(Yt + Ya)^]^-' (6.19)
Аналогично для суммарного тока влияния на дальнем конце
линии от влияния на элементе dx получим:
dl2mx (ico) = [dl2xn.3i (ia>) +dI2xn.Mt (ico) ] =
=0э5/ю(ico) [A12(ico)ZB1-M12(кв)/ZB2j X
X exp [“V2/"-(Yi—T2M dx.
(6.20)
Для определения тока влияния на концах линии длиной I
проинтегрируем выражения (6.19) и (6.20) в пределах от 0 до I.
На ближнем конце линии ток помех
i
120n (i со) = - о,5/10 (i со) J 1^,. (1 СО) ZB1 + М12 (i co)/ZB2] е->ь*т1)А- dx =.
о
== — 0,5/10(i со)?/2 (i со) 1/ Х[1 -е-(т-+11)']/(т1+т2), (6.21)
где
/V12(ico) = [K12(i<o)l/Z^; + M12(i<o)//Z^;2] (6.22)
— коэффициент электромагнитной связи между цепями однород-
ной линии для влияний, индуцируемых по закону ближнего конца.
255
Для дальнего конца линии аналогично будем иметь:
/2/п (i to) ~ 0,5/10 (i со) J (i to) ZB1 - • М12 (i to)/Zss] exp [ у3/
о
— (Yi — Т2) =
= 0,5/1О (i ш) ^‘Flt (i Ю) 1/S [ 1 - j/(L -Тг),
F X* 32
где
Д, (i <о) = 1X]S (i <о) - М12 (1 W)//Z^ZJ
(6.23)
(6.24)
— коэффициент электромагнитной связи между цепями однород-
ной линии для влияний, индуцируемых по закону дальнего конца.
Из уравнений (6.21), (6.5), (6.6) и (6.23) можно получить
выражения для переходных затуханий между однородными це-
пями на ближнем и дальнем концах линии, дБ,
Ао (to) = 201g
(6.25)
и
Л; (to) - 201g
2('Yi Y2)
(6.26)
В случае влияний между одинаковыми цепями, когда Zb1—Zb2=
=ZB и 71—72=7, уравнения (6.25) и (6.26) принимают следую-
щий вид:
A(o>) = 2Olg -ЛЬ-—=201g|4'f//V12 (ы)|—201g | 1- е“21' [ ,
1—е “s
(6.27)
At (со) = 201g
поскольку lim | (Yi~у2)/(1™е (1а ь)/) | = 1//.
Полученные соотношения позволяют сделать некоторые важ-
ные выводы о характере зависимости непосредственных влияний
между однородными симметричными цепями от частоты, длины
линии и о параметрах передачи цепей. При этом для простоты
анализа предположим, что мнимые составляющие электромагнит-
ных связей значительно превышают активные составляющие (в
реальных значениях co^i и corni обычно в 5 ... 20 раз больше
значений g}2 и ri2). Поэтому с влиянием последних в первом
256
Рис. 6.9, График зависимости ПФВП на дальнем конце от непосредственных
взаимных влияний 1/2 и 2/1 однородных линий связи
Рис. 6.10. График зависимости /1о(о)) на ближнем конце однородной линии
приближении можно не считаться, В этом случае в результате
рассмотрения полученных соотношений можно сделать следую-
щие выводы.
1. Переходное затухание [см. (6.25)] на ближний конец ли-
нии для влияний 1/2 и 2/1 одинаково. Это свойство следует из
рассмотрения уравнения (6.25), в котором при влияниях 1/2 и
2/1 изменится лишь порядок суммирования постоянных распро-
странения, но так как yi+72“72+7b то и !/2(со) =Д0 2/1 (ю).
2. Переходное затухание [см. (6.26)] на дальний конец линии
при для влияния 1/2 и 2/1 оказывается различным вслед
ствие неравенства разностей постоянных распространения:
71—72-—(<*i—&2)~Н(Р1—f}2) и
72—71^ (а2—со) +i (₽2—Pi) •
Обычно значения р^>а и различия во влияниях в наибольшей
степени сказываются на фазе передаточных функций взаимных
помех —ЛП/2(1(о) и Ai2/\(iw). Типичный график зависимости
ПФВП для данного случая показан на рис. 6.9. Эффект различия
ПФВП для влияния 1/2 и 2/Д на дальнем конце называют эф-
фектом перестановки,
3. Частотная характеристика переходного затухания на ближ-
нем конце (6.27) имеет вид квазипериодической кривой (рис. 6.10),
изменяющейся вокруг среднего значения затухания, равного
Л712
, с затухающей амплитудой, определяемой скоростью
убывания величины е-27/ и с частотным интервалом периодичности
]/2/yLC= 1/2/бр- Подобный характер частотной зависимо-
сти переходного затухания определяется вторым слагаемым (6.27),
на рис. 6.11 показана картина сложения токов взаимных влияний
9—6136
Рис. 6.11. Характер
сложения токов влия-
ния с различных уча-
стков линии:
а) на ближнем конце;
б) на дальнем конце
на ближнем конце линии. Из этого рисунка видно, что амплиту-
ды токов помех с данных участков линии систематически убы-
вают вследствие затухания во влияющей цепи и в цепи, подвер-
женной ВЛИЯНИЮ, Т. е. /1>/2>Л> - >Ль Для длинных линий
с затуханием цепей а>25 ... 30 дБ переходное затухание на
ближнем конце практически определяется токами помех началь-
ного отрезка линии, затухание которого составляет 10 . . . 15 дБ.
Кроме амплитуды токов помех на ближнем конце линии также
систематически изменяется их фаза вследствие фазовых сдви-
гов в линиях 1 и 2 (рис. 6.11,а). Это вызывает квазипериодиче-
ское колебание частотной характеристики переходного затухания
Ло(св) (см. рис. 6.10) и дополнительное уменьшение суммарной
помехи на ближнем конце линии вследствие векторного сложе-
ния токов помех. Сдвиг фазы тока помех на 180° на ближнем
конце линии с однородным распределением связей происходит,
как следует из (6.27), через отрезки линии Д/=л/4. Явление из*
менения фазы токов взаимных помех на ближнем конце, прихо-
дящих с различных участков линии, на 180° называют электриче-
ским скрещиванием цепей.
Частоты, на которых наблюдаются максимальные или ми-
нимальные значения взаимных влияний на ближнем конце ли-
нии называют критическими. Их значения определяются из усло-
вия
угр П
4/ ~~ 4/ VTC
где п = 1, 2, 3, . . ., I— длина линии, пгр — групповая скорость рас-
пространения электромагнитных волн в линии, км/с. При нечет-
ных п переходное затухание на ближнем конце минимально, при
четных — максимально.
Характерной особенностью годографов ПФВП на ближнем
конце линии ДоС&О по сравнению с Л/(ico) (рис. 6.12), является
сильная зависимость фазы ПФВП от частоты. Вследствие этого
258
Рис. 6.12. Типовые частотные харак-
теристики ПФВП взаимных влияний
на ближнем конце
годограф Л0(1щ) располагает-
ся обычно во всех четырех
квадрантах комплексной пло-
скости, имея вид изменяющей-
ся с частотой (см. рис. 6.10)
и постепенно стабилизирую-
щейся по амплитуде спирали, р
к асимптотическому значению,
адиус которой при /~>оо стремится
определяемо му вел и ч и но й
201g
4 [Пв
6.4. ВЛИЯНИЯ МЕЖДУ ЦЕПЯМИ
ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Взаимные влияния между цепями воздушных линий связи в наибольшей
мере из всех реальных типов симметричных линий связи приближаются к зако-
номерностям, полученным в § 6.3 для однородных линий. Почти строго парал-
лельное расположение проводов по всей линии, большие расстояния между про-
водами а цепи по сравнению с радиусом проводов гПр рис. 6.13), отсут-
ствие в непосредственной близости от проводов воздушных линий металличе-
ских оболочек и непрерывных изоляционных покрытий позволяет пренебречь
активными составляющими электромагнитных связей (г12 и gl2) и с достаточной
точностью определить значения реактивных составляющих А112(io)) = icomi и
/C12(i(i)) — icoA’i электромагнитных связей.
Значения Гн/км, и kXy Ф/км, воздушных линий связи зависят в основ-
ном от взаимного расположения проводов (рис. 6.13) и могут быть рассчитаны
по формулам:
=200 In [013^24/^14^23] Ю“6, (6.30)
13 900 13 900
~ 1 2 / \ 1П[Я]За24, а14а2з1 1Й ~ - — —— Qc- 10 12, (6.31)
In* (dir) Irr (dir)
где a — расстояние между проводами цепи; г — радиус проводов; а13, о24, о!4,
о24 — расстояния между соответствующими проводами цепей 1 и 2; Qc =
—In [о^Ягч/оы^гз] — параметр симметрии или удалености цепей. Двойное назва-
ние параметра Qc связано с тем, что он
убывает как при повышении симметрии
взаимного расположения проводников це-
пей, когда а13 ^Огз^о^^Язч. так и при
увеличении среднего расстояния (удален-
Рис. 6.13. К расчету электромагнитных свя-
зей между цепями воздушных линий связи
259
ности) между цепями. Нетрудно видеть, что при П2з>^]2 = а34 параметр Qc также
убывает.
Из (6.30) и (6.31) следует, что значения магнитной т\ и электрической
связи ki в воздушных линиях связи функционально связаны между собой и
имеют одинаковые знаки. Поэтому электромагнитная связь на ближнем конце
[(см. 6.22)], 1 /км,
Лу33 (i ----- 1 Ю [^1/И ^В1^В2 И ^В1^В2 Ь
будет всегда больше электромагнитной связи на
1/км,
^32 0 w)bjic ~ V^bi^b2 4 ' В21 i w.
дальнем конце [см.
В случае влияния между одинаковыми цепями (Д;—Zs2), получим:
Az32 (i Ч- 1 2
\ PPb"
И
I m\
^12 (i ш)влс ~ 1*А Wzb] ~ I , 7
(6.32)
(6.24)],
(6.33)
(6.34)
(6.35)
Конструктивные неоднородности в воздушных линиях связи возникают за
счет отклонений стрел провеса отдельных проводов цепей от номинального зна-
чения. Эти отклонения приводят к появлению дополнительных влияний от про-
фильных неоднородностей. Кроме того, в реальных ВЛС расстояния между
опорами воздушных линий связи по различным причинам могут отличаться от
среднего значения длины элементов линий S, равной расстоянию между двумя
пролетами ВЛС. Данные неоднородности называются элементными. Профильные
и элементные неоднородности воздушных линий нормируются: максимальные
отношения стрел провеса проводов не должны превышать 3 см, а отклонения
длины элемента линии AS^0,lS.
Влияние от отражений на дальнем конце в воздушных линиях связи (см,
рис. 6.2,0) определяется в основном отражением от концов линии, значение ко-
торого оценивается переходным затуханием от отражений, дБ,
Мотр(“) = Л(“) - 20 !g IP ^отр(“)]- (6.36)
где porp(w)—коэффициент отражения от концов влияющей цепи и цепи, под-
верженной влиянию на частоте (о.
Влияния на дальнем конце через третьи физические цепи и искусственные
цепи возникают за счет двойного перехода токов помех, индуцируемых в третьих
цепях, и в цепи, подверженной влиянию, по закону влияния на ближний конец
линии. На рис. 6.14,а показаны пути перехода энергии влияющего электромаг-
нитного поля через третьи цепи. В этом случае переходные токи по закону
влияния на ближний конец направляются сначала из цепи / (влияющей) в цепь
3, а. затем вдигаясь к левому концу «У, также по закону влияния на ближний
конец переходят в цепь 2 и направляются к ее дальнему концу. При этом сле-
дует обратить внимание, что если влияние на ближний конец линии — Л0(ы)
определяется в основном отрезками линии, расположенными в начале и в конце
260
Линии, то при влиянии через третьи цепи необходимо учитывать переходы энер-
гии между цепями по закону ближнего конца на всей длине линии.
Помехи через третьи цепи, индуцируемые по законам влияния по дальнему
концу, обычно не учитываются, так как они на 1,5 ... 2 порядка меньше помех,
индуцируемых по закону ближнего конца.
Результирующий ток помех от взаимных влияний на дальнем конце линии
определяется по закону суммирования случайных величин, поскольку амплитуды
и фазы отдельных составляющих помех имеют случайный характер
'рез/ («) = [12н1(и>) + 0“) + llo^) +
(6.37)
где (<в)—ток помех на частоте ю от непосредственного влияния на дальнем
конце; /отр(о))—то же от отражений по концам цепей; —то же от
•конструктивных неоднородностей линии; ^р(сд) — то же от влияния через
третьи цепи.
Результирующее значение АЧХ переходного затухания на дальнем конце
воздушных линий связи в соответствии с (6.36), дБ,
At рез(®) = - 10 lg [IQ-0’1 А‘« (,л) + ИГ0-1 А‘ хон(ш) +
_|_ ]0-°,1 д; отр(“) + iq-o.i (6.38)
где A/h(cd), Akoh((d), А(ОТр((о), Атр(о) — переходные затухания на дальнем кон-
це линии, на частоте со от различных составляющих влияний: непосредственных,
конструктивных неоднородностей, отражений и через третьи цепи соответст-
венно.
Значения Акон({в), Д/Отр(со) и Л/тР((1)) также являются случайными величи-
нами в связи со случайным характером составляющих токов помех (6.37). Наи-
большая степень неопределенности присуща фазам составляющих токов помех
от отражений и влияния через третьи цепи, которые индуцируются по законам
влияния на ближайший конец и имеют высокую скорость изменения фазы от ча-
стоты, что вызывает при суммировании токов случайные колебания Лрез((о).
Поэтому расчетные методы переходного затухания на дальнем конце воздушных
линий связи позволяют оценить лишь средние значения Л/Рез((о), а также опре-
делить с заданной вероятностью границы, в которых будут находиться случай-
ные величины А/рез((0).
Подобная оценка Д/рез(<о) дает удовлетворительные результаты при условии
строгого соблюдения технологии строительства воздушных линий связи и вы-
полнения требуемых норм на допустимые конструктивные неоднородности.
В реальных линиях связи эффект перестановки цепей Лл/2(о) и
обычно проявляется значительно сильнее, чем в гипотетических однородных це-
пях (см. рис. 6.9), что вызывается неравномерным распределением связей меж-
ду цепями вдоль линии.
На рис. 6.14,5 показано, что при наличии сосредоточенных связей между
цепями 1 и 3, а также 3 и 2 пути прохождения индуцируемых через третьи
цепи токов помех для влияния 1/2 и 2/1 оказываются различными, что приво-
дит к неравенству составляющих токов помех Лп/гАМг/ь
261
a)
Рис. 6.14. Влияние ме/кду цепями / и 2 через цепи 3 при распределении связей:
а) равномерном; б) неравномерном
3)
Таким образом, переходные затухания между цепями реальных воздушных
линий связи имеют значительные случайные составляющие. Поэтому оценка ка-
чества строительства ВЛС или технического состояния ВЛС, находящихся
в эксплуатации, осуществляется путем измерения переходных затуханий на
ближнем и дальнем концах линии (см. § 10.6).
Для правильного определения методики проведения измерения, в частности
выбора шага дискретизации частоты измерений, рассмотрим типичные частотные
характеристики переходных затуханий на ближнем и дальнем концах линии.
На рис. 6.15,а приведена частотная характеристика среднего значения пере-
ходного затухания между воздушными цепями на ближнем конце АДсв). С уве-
личением частоты A0(cd) плавно уменьшается, приближаясь на высоких частотах
к асимптотическому значению, равному
[см. (6.27) и (6.34)], где С — электрическая емкость цепи, Ф/км;
на я связь, Ф/км.
k\ — емкост-
Случайный характер
распределения конструктивных
неоднородностей по
длине линии и высокая скорость изменения фазы токов помех, поступающих
с различных участков линии, приводят к выбросам значений т40(со) от среднего
Рис. 6.15. Частотные зависимости переходного затухания на воздушных линиях
связи:
а) на ближнем конце Л0(со); б) на дальнем конце Л,(<д)
262
Йо(о>), поэтому минимальная величина Л0((о) может иметь место на любой ча-
стоте рабочего диапазона частот. Измерения переходного затухания Ло(со) не-
обходимо производить во всем рабочем диапазоне частот с шагом дискретиза-
ции не более 10 кГц. В этом случае гарантируетсяфиксация экстремальных зна-
чений переходного затухания.
На рис. 6.15,6 приведена типичная частотная зависимость переходного за-
тухания на дальнем конце ВЛС ЛЦю). В области низких частот Л/(ы) плавно
уменьшается в соответствии с уравнениями (6.28 ... 6.35). В этой области ча-
стот влияния определяются в основном непосредственными связями — [парамет-
ром см. (6.33)1. Токи помех от непосредственных влияний характери-
зуются медленными изменениями фазы с частотой, что и определяет плавный
характер частотной характеристики в этой области частот.
С увеличением частоты токи помех от косвенных влияний, обусловленные
в основном влияниями через третьи цепи, увеличиваются быстрее токов непо-
средственных влияний (примерно пропорционально р/ где (/=1,5 ... 2). Фазо-
частотная характеристика этих влияний очень быстро изменяется с ростом ча-
стоты, поскольку она определяется двойным переходом токов по закону ближ-
него конца (с 1-й на 3-ю и с 3-й на 2-ю цепи).
В результате в области высоких частот переходное затухание на дальнем
конце А:(со) также принимает случайный характер. Частотная зависимость Л/(оз)
характеризуется появлением случайных выбросов от среднего значения Л/(со) и,
естественно, увеличением различий во влияниях 1/2—Л/]/2(оо) и 2/1—(со).
Таким образом, для получения информации о частотной зависимости пере-
ходного затухания на дальнем конце ВЛС, так же как и для Ло(о)), необходимо
осуществлять измерения Л Лео) во всем диапазоне частот либо при непрерывном
изменении частоты влияющего сигнала, либо при достаточно ма'лом шаге ее
дискретизации (обычно А/—10 кГц).
6.5. ВЛИЯНИЯ МЕЖДУ ЦЕПЯМИ
СИММЕТРИЧНЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИИ СВЯЗИ
Общие положения. Взаимные влияния между цепями симмет-
ричных кабельных линий связи характеризуются следующими
особенностями:
расстояния между цепями в симметричных кабельных линиях
связи сопоставимы с диаметрами проводников кабеля, а окру-
жающее цепи пространство заполнено диэлектриком, часто неод-
нородной структуры, проводниками соседних цепей, металличе-
скими экранами и оболочками. Указанные факторы приводят
к заметному искажению электромагнитных полей, возрастанию
случайных составляющих электромагнитных связей и к услож-
нению задачи расчета и оценки взаимных помех;
кабельные линии связи создаются в два этапа: на первом
этапе изготавливаются строительные длины кабеля, на втором —
строится кабельная магистраль;
процессы индуцирования взаимных влияний в строительных
длинах кабеля и на длинных линиях существенно различаются,
263
что приводит к необходимости раздельного рассмотрения этих
процессов. Кроме того, возникают задачи измерения и норми-
рования параметров влияния в строительных длинах кабеля и
на ретрансляционных (усилительных и регенерационных) участ-
ках линии;
симметричные кабельные линии используются для организа-
ции различных систем передачи (аналоговых и цифровых), ра-
ботающих в диапазоне от тональных частот до десятков мега-
герц. Это приводит к необходимости определения частотных ха-
рактеристик первичных и вторичных параметров взаимных влия-
ний для каждой из 10 ... 12 систем передачи, работающих по
симметричным кабелям.
Рассмотрим параметры влияния в строительных длинах сим-
метричных кабелей связи. В общем случае здесь необходимо учи-
тывать все четыре первичных параметра влияния (m, k, г и g)
(6.32, 6.33), причем в зависимости от частоты их соотношение и
удельная значимость меняются.
В тональном спектре частот (0,3 ... 3,4 кГц) значения ак-
тивных составляющих электромагнитных связей (г и g) малы
по сравнению с реактивными (рис. 6.16), а емкостная связь
(o^iZB на частоте 1 кГц примерно в 10 раз превышает магнитную
(tomi/ZB) вследствие большого значения ZB(1 кГц) ^600 Ом.
Поэтому на строительной длине низкочастотных кабелей элек-
тромагнитные связи на ближний/V12 нч и дальний — /дгнч концы
кабеля оказываются примерно одинаковыми и равными
12н ч (dk 1ZB.
В отличие от воздушных линий связи' первичные параметры
взаимных влияний в симметричных кабелях носят в основном
случайный характер. Значения емкостных связей k нормируются
на строительных длинах кабеля звездной скрутки. Эти связи в
кабеле определяются путем их измерения на частоте 0,8 ...
. .. 1,0 кГц с помощью специальных емкостных мостов — изме-
рителей. емкостных связей. Например, в телефонных кабелях
звездной скрутки нормируются: емкостные связи между основ-
ными цепями данной четверки Лд между основными и искус-
ственными цепями (^1 и &з); емкостная асимметрия цепей 1 и 2
относительно земли (щ, е2) и
асимметрия искусственной цепи
(е3). Кроме этого, нормируются
емкостные связи между цепями
соседних четверок.
С увеличением частоты сиг-
налов уменьшается волновое со-
противление цепей (ZB=130 ...
Рис. 6 16. Процентное соотношение свя-
зей внутри четверки
264
180 Ом), возрастают магнитные связи. Начиная примерно
с 35 кГц, магнитные связи становятся равными емкостным (см.
рис. 6.16).
При дальнейшем повышении частоты растут активные состав-
ляющие связей. В среднем соотношения активных и реактивных
связей характеризуются следующими данными: ... 15%,
r/com = 20 ... 30 %.
В отличие от ВЛС зависимость между емкостными k\ и маг-
нитными т\ коэффициентами связи носит не детерминированный'
[см. (6.30) и (6.31)], а случайный характер. Это объясняется
тем, что в кабеле комплексные электрические К12(ко) и магнит-
ные AJi2(ito) связи между цепями определяются не только асим-
метрией расположения проводов, но и рядом других причин
(случайными изменениями эквивалентной диэлектрической про-
ницаемости, асимметрией потерь в диэлектрике, экранирующим
действием соседних проводников и экранов, изменениями влияю-
щего поля вследствие эффекта близости, асимметрией потерь в
проводниках и т. д.). В результате взаимосвязь между значения-
ми K12(ico) и Mi2(ico) принимает корреляционный характер.
Однако коэффициент корреляции между электрическими и
магнитными связями остается высоким, равным 0,8, т. е. около
80 % исследованных комбинаций влияния в строительных дли-
нах кабеля имеют совпадающие знаки мнимых составляющих
связей, поэтому и в кабельных линиях значение |A;i2(w)|>*
> | F\2 (w) I .
Влияния в строительных длинах кабеля. Теоретическое и экс-
периментальное исследование первичных параметров влияния в
строительных длинах кабеля в области высоких частот сопря-
жено с большими трудностями в связи с невозможностью вы-
полнения условия /с.д<Amfn/4, при KOTOpOM |Zx.x(to) | |Zb(&)) |
и |2кз(о))) <С |ZB(w) | (см. рис. 6.6), а также со случайным ха-
рактером электромагнитных связей. Так, строительная длина ка-
беля МКС-4\4ХЬ2 составляет 0,825 км, а минимальная длина
волны на частоте 252 кГц (система К-60) равна примерно 1 км,
что делает невозможным раздельное измерение комплексных
электрической и магнитной связей.
В качестве основного параметра взаимных влияний на строи-
тельных длинах кабеля приняты значения переходных затуханий
йа ближний и дальний концы цепей кабеля и их частотные харак-
теристики.
Частотные характеристики переходных затуханий на ближ-
нем 4о(о))с.д и дальнем Д/((о)с.д концах строительной длины за-
висят от значений и функции распределения электромагнитных
связей по длине кабеля (параметр х) как между взаимовлияю-
щими, так и между третьими физическими и искусственными
цепями.
265
В области средних частот, при которых Л™м>(1,25 ... 2,5)/с.д
переходные затухания в строительных длинах кабеля определя-
ются в основном непосредственными влияниями. Характеристики
Л0(со)с.д и А(о))с.д имеют вид монотонно убывающих с ростом
частоты кривых. Годографы ПФВП на ближнем конце Л0(1(о)с.д
обычно представляются начальными отрезками спирали, пока-
занной на рис. 6.12. Кривые Л/(1о))с.д ш и A i (ico)с.д 2/1 также име-
ют плавный характер, а различия влияния 1 /2 и 2/1 незначи-
тельны по модулю (см. рис. 6.9) и сравнительно малы по аргу-
менту (фазе). Различия фазо-частотных характеристик Л/(ico)с.д i/2
и Л/ (ico) с.д г/i возрастают, если взаимовлияющие цепи располо-
жены в разных четверках, когда фазовые постоянные цепей раз-
личаются друг от друга вследствие неодинаковых шагов скрутки
четверки.
Косвенные влияния на строительных длинах кабеля в диапа-
зоне частот до 250 . . . 500 кГц обычно остаются значительно
меньше непосредственных влияний, что затрудняет их учет при
измерении переходного затухания.
Вместе с тем уже в процессе изготовления магистральных
симметричных кабелей возникает необходимость контроля кос-
венных влияний через третьи цепи и отражений, которые быстро
возрастают при соединении строительных длин кабеля в процессе
строительства кабельных магистралей. Поэтому в высокочастот-
ных кабелях типа МКС и аналогичных им марок нормируются
не только значения переходных затуханий на ближний и даль-
ний концы строительной длины, но и значения емкостных связей
между основными и искусственными цепями, расположенными в
одной четверке (&2 и &3), емкостная асимметрия цепей относи-
тельно земли (ei и е2), а также отклонения величины рабочей
емкости.
Для иллюстрации приведем нормы на вышеуказанные вели-
чины для кабеля МКС-4Х4ХБ2, предназначенного для передачи
сигналов до 252 кГц. В диапазоне частот 12 ... 252 кГц зна-
чения Ло(со)с.д должны быть не менее 62,5 дБ для 90 % комби-
наций влияния и 59,0 дБ для 100 % измеренных величин. Зна-
чения Л/((о)с.д должны быть соответственно не менее 73,8 дБ
для 90 % и 67,7 дБ для 100 % измеренных величин.
Распределение емкостных связей k2, и емкостной асиммет-
рии в\ и е2 — не более 230 пФ для 90 % и 570 пФ — для 100 %
измеренных величин. Отклонения рабочей емкости от номиналь-
ного значения 25 нФ/км не должны превышать ±0,8 пФ/км.
Для контроля за косвенными влияниями во всем диапазоне
рабочих частот производится измерение распределения так на-
зываемого параметра симметрируемости внутричетверочных ком-
бинаций влияния, определяемого минимальным значением
Л (со) сим, которого можно достичь при компенсации непосред-
ственных влияний. Для кабеля МКС-4Х4Х 1,2 эта величина
266
должна составлять не менее 85,1 дБ для 90 % и 80,8 дБ для
”100 % измеренных величин.
В области высоких частот (системы ЦСП и К-Ю20с), когда
характер взаимных влияний между цепями на строи-
тельной длине кабеля изменяется. Усиливаются косвенные влия-
ния между цепями, режимы работы основных и третьих цепей
приближаются к- режимам работы электрически длинных линий.
Однако самое существенное изменение состоит в том, что струк-
тура параметров взаимных влияний на ближнем конце строи-
тельной длины кабеля при высоких частотах становится иной.
Влияния уже не могут рассматриваться как единая случайная
величина, а начинают распадаться на ряд случайных величин,
соответствующих параметрам влияния более коротких отрезков
каоелж этот процесс характеризуется множителем е
в уравнении (6.19) и неравномерной зависимостью параметров
влияния N\<2 (см. 6.22) от х. Под воздействием этих факторов
единые для строительных длин кабеля при низких и средних
частотах параметры ?Л2(х, ы) распадаются на независимые слу-
чайные величины, число которых определяется значением радиу-
са частотной корреляции p(f) ПФВП. При /с.д~1 км р(/)^0,5 ...
... 1,2 МГц. Данное обстоятельство означает, что в интервале
частот |fi—f2|=AfZ>p(f) влияние на ближнем конце строитель-
ной длины кабеля при частоте Mh) изменяется настолько силь-
но, что его значение нельзя предсказать на основании результата
измерения на частоте f2 (fi). Указанный вывод следует из ха-
рактера влияний, индуцируемых по закону ближнего конца. Воз-
растание фазовых сдвигов сигнала и помехи за счет множителя
(6.19) при неравномерном распределении связей
по длине кабеля приводит к изменению величины и фазы состав-
ляющих помех, приходящих с отдельных участков строительной
длины кабеля. В результате этого, а также вследствие все более
заметного увеличения затухания токов помех, приходящих с даль-
них участков строительной длины кабеля с ростом частоты,
изменяется исходная совокупность случайных величин, сумма
которых при Д/Д>р(/) становится практически независимой от
исходного значения тока помех.
При случайном распределении связей по длине, границы ко-
торого удовлетворяют условию |М2(х) |тах^З1N(х) |т|Л годо-
графы ПФВП на ближнем конце строительной длины кабеля
Д0(1ю)с.д принимают вид удлиненных эпициклоид с петлями и за-
витками (рис. 6.17). Годограф До(1со)с.д часто занимает все че-
тыре квадранта комплексной плоскости. С увеличением частоты
фаза До0<в) смещается по часовой стрелке со скоростью, пропор-
циональной скорости изменения частоты Д/ (а иногда и значе-
нию Л/2). Радиус завитков и их число характеризует степень
неоднородности распределения связей.
267
Рис. 6.17. Годографы ПФВП на
ближнем конце строительной длины
кабеля в широком диапазоне частот
ПрИ A-znjn^/с.д
Годографы ПФВП на даль-
нем конце строительных длин
кабеля А (ко) в области низких
и средних частот имеют вид
(при неравномерном распреде-
лении связей по длине кабеля)
гипоциклоидных кривых обычно сглаженного (рис. 6.18,а) или уд-
линенного (рис. 6.18,6) типа. Эти годографы, как правило, зани-
мают относительно узкий сектор на комплексной плоскости. Фаза
годографов с увеличением частоты изменяется пропорционально
разности фазовых постоянных цепей. Фаза годографов обычно
смещается по часовой стрелке («правый поворот» фазы). Это
направление фазового сдвига соответствует случаю, когда сигнал
влияющей цепи приходит на дальний конец линии раньше по-
мехи. Запаздывание помехи происходит вследствие наличия со-
ставляющих косвенных влияний в суммарном токе помех, кото-
рые всегда проходят больший путь, чем сигнал влияющей цепи
(см. рис. 6.2). Это вызывает смещение фазы результирующего
тока помехи вправо (по часовой стрелке).
Однако в случае влияний между цепями различных четверок
(или пар), имеющих отличающиеся шаги скрутки, когда
может наблюдаться «левый поворот» фазы (особенно при силы
ных непосредственных влияниях) годографов ПФВП для одной
из комбинаций влияния A/(iw)i/2 или A(i<o)2/i (см. рис. 6.18,а).
В области высоких частот (или после компенсации непосред-
ственных влияний в процессе определения симметрируемости ка-
беля) годографы А/(1ш)с.д все в большей мере определяются кос-
венными составляющими влияний, которые индуцируются, в ос-
новном, или по закону влияния на ближний конец линии влияния
от отражений, или по закону двойного перехода токов помех по
закону «ближнего конца» [влияния через третьи цепи (см.
рис. 6.2)]. В зависимости от соотношения между непосредствен-
ными и косвенными влияниями годографы А(ш) изменяются
следующим образом: при относительно небольших косвенных
влияниях возрастает неравномерность частотной характеристики
Az(ico), хотя кривая годографа еще сохраняет плавный вид; при
дальнейшем возрастании косвенных влияний годограф Ai (ico)
принимает вид удлиненной гипоциклоиды; при очень боль-
ших косвенных влияниях кривая A/(iw) имеет такой же
характер, как и A0(ico), т. е. вид эпициклоидальной кри-
вой удлиненного типа с большой неравномерностью частотных
характеристик.
268
Различия во влияниях 1/2 и 2/1 с увеличением косвенных
составляющих помех возрастают как по фазе, так и по модулю.
Таким образом, основным способом определения параметров
Al(ico)С.Д1/2, Л(Мс.д2/ь Л(о)с.д1/2 и Л/(ш)с.д2/1 является изме-
рение их частотных характеристик.
- Для аналитической оценки средних значений переходных за-
туханий и годографов взаимных помех введем понятие средних
значений этих величин. Так, на рис. 6.15 наряду с характеристи-
ками переходных затуханий Ло(а))с.д, Ai(со)с.д 1/2, Л/(со)с.д 2/1 по-
казаны и частотные характеристики средних значений Ао(со)с.д,
Л/((о)с.д 1/2, Т(ы)с.д2/1, а на рис. 6.17_и 6.18,6 даны соответствен-
но ГОДОГрафЫ /ТоМс.д, Ло(1^)с.д и Л/(1С))с.д, А/(1й))с.д.
Влияния на усилительных участках кабельных линий. Анализ
взаимных влияний -между цепями на усилительном (регенера-
торном) участке проведем так же, как и на строительных длинах
в диапазонах тональных, средних и высоких частот. При этом
следует учесть, что верхняя граница среднего поддиапазона ча-
стот для усилительного участка снизится в 3 ... 5 раз по сравне-
нию с /ср для строительных длин кабеля (в зависимости от чис-
ла строительных длин на усилительном участке). В качестве
исходных (и известных) параметров влияний обычно принима-
ются параметры влияния строительных длин кабеля А0(ш)с.д,
А о (icj) с.д, А [ (G)) с. д и А [ (iw) с.д-
Рассмотрим случай, когда п строительных длин кабеля, со-’
ставляющих усилительный участок, соединяются на прямое и ни-
каких мероприятий по ослаблению взаимных помех при монтаже
кабеля не производится. Тогда токи помех, индуцируемые в раз-
личных строительных длинах кабеля, суммируются случайным
образом.
Для составления сумм параметров влияния строительных длин
используем (см. § 6.2) понятие о передаточных функциях вза-
имных помех между цепями строительной длины кабеля на ближ-
Рис. 6.18. Годографы ПФВП на дальнем конце строительной длины кабеля в
широком диапазоне частот к,!(, п<^/с.д
а) при и однородном распределении связей для влияния 1/2 и 2,4; б) при неоднород-
ном распределении связи ЛДЮ)]/2 и ДД1(в)1/2
269
Рис. 6.19. Характер сложения токов помех от непосредственных влияний с раз
личных строительных длин кабеля
ний Лг12(1со)с.д и дальний Fi2(i(o)с.д концы строительной длины ка-
беля, которые определим следующим образом:
AU’’<.а = 2- 10-го5А»(ю)с.п exp i[?10 И - (6.39)
FK(i <о)с.д = 2- Ю-°-05Л/(“,)с.д ехр j f?i/ (о,) - ?2/п ( И, (6.40)
где у4о((п)с.д, Л/(со)с.д —соответственно частотные характеристики
переходных затуханий на ближнем и дальнем концах строитель-
ной длины кабеля; ср]о(оо), фн((о), ф20п(<л) и ф2/п(w) — фазо-ча-
стотные характеристики сигналов и помех в начале и в конце
взаимовлияющих цепей соответственно.
Ток помех на ближнем конце усилительного участка опре-
деляется, как видно из рис. 6.19,а, суммой составляющих токов
помех от различных строительных длин:
yy(i<0) = С,5Дв (1 со)
п
(6-41)
где суммирование токов помех на ближнем коирД "Р°ИСТ°Д7
по случайному закону. Однако, как видно из рис. , ( ’
токи помех от v-й строительной длины ослаоляются на величину
определяемую затуханием сигнала и помехи в Цепях ?. кон.
строительных длин кабеля, расположенных между :„,v1b
цом линии и рассматриваемой v строительной длинож В резуль
тате среднее значение тока помех и переходного - . j
270
ближнем конце линии определяется по формулам:
72ОПУУИ - Т2оп.с.>)[1+10-0'|^.л+10-°'^^.д+...+10-0’1м/с.д],''2=
= Лоп.е.яИШ - 10-0 i“Zc.A")/ 1 — Ю-°-!“'с.д]^ ъ
-Лоп.е.й(»)11-10-°-1^-Г!/2
И
7ЩИ = Лсд («>)- 101g 1(1 - 1O-°’UW)/(1 _ нг°^М1 -
= Лсд (<>)+ 101g (1 -- Ю0’1а'с-д). (6.42)
где а — коэффициент затухания цепей кабеля на частоте w,
дБ/км;
среднее квадратическое значение тока помех на ближнем конце
строительных длин кабеля; ц—номер строительной длины; п—
число строительных длин на усилительном участке;
лг 1 1 г»—0,1а/Л п «
с-д 1, так как Ю <С 1.
Из уравнения (6.42) следует, что при а/С1Д^>1, т. е. при вы-
соких частотах и большом значении С.д, когда 10“°’ 1<х/с-д<1 ,значе-
ние Доуу(<о)-^4эс.д(«). При средних и низких частотах, когда
1 — 10 0,1а/с.Д 1 , Д о уу (<о) <САо с.д (оз).
Суммирование токов помех на дальнем конце усилительных
участков (рис. 6.19,6) необходимо производить по составляющим
токов помех. Составляющие помех от непосредственных влияний
суммируются по закону сложения случайных величин
^2/ПН уу (^) (^)
2^12с.дД1“)е (Ъ Т!)'е.д"
V— 0
Из последнего уравнения аналогично предыдущему получаем
выражение для оценки среднего значения частотной характери-
стики переходного затухания на дальнем конце линии от непо-
средственных влияний, дБ,
7Ц ну у (е>) —Л[ н.с.д (w) 101g н.
(6.43)
Характер сложения токов помех от концевых и стыковых не-
однородностей на дальнем конце усилительного участка пока-
зан на рис. 6.20. Токи помех от концевых отражений склады-
ваются из отраженных токов помех от ближнего конца линии и
токов, наведенных отраженной электромагнитной волной от даль-
271
в)
Рис. 6.20. Схема наведения токов
помех на дальнем конце линии:
а') от концевых отражений; б) от стыко-
вых отражений; в) через третьи цепи
него конца влияющей цепи. Тогда получим значение переходного
затухания, дБ,
Лотр.к((0)=Д0 yy(to)—201g 1 рк j — 101g 2, (6.44)
где Лоуу(са)—среднее значение переходного затухания на ближ-
нем конце усилительного участка; 101g 2 — учитывает отражения
от обоих концов линии; рк — коэффициент отражения.
Из (6.4) следует, что при рк~0 (полное согласование натру*
зок на концах линии) ДОтР.к(ю)->со? а при рк->1
Д ОТ р.к ( Ч)) ~> Д 0 У у ( G) )— 1 и! g 2.
Токи помех от несогласованности волновых сопротивлений це-
пей строительных длин кабеля возникают под действием отра-
женных волн от каждого места стыка строительных длин
(рис/ 6.20,6). Вследствие этого появляются п источников отраже-
ния и п участков перехода токов из одной цепи в другую. Исходя
из этого, результирующий ток помехи на дальнем конце линии
от стыковых неоднородностей следует определять путем двойного
суммирования элементарных переходных токов. Первое сумми-
рование должно относиться к участкам перехода токов (параметр
N}2 с.д (io)) (6.39), а второе —к точкам отражения с коэффициен-
тами отражения рщ и В результате группирования членов
суммы с одинаковыми переменными суммирования получим
Имея в виду, что параметры влияния и коэффициенты отра-
жения являются случайными независимыми величинами, произ-
вольно распределенными по длине линии, определим среднее
значение переходного тока помех от стыковых отражений как
среднюю квадратическую величину из отдельных элементарных
токов:
^2/п.отр (Ф) —
4а7с
[0,92 s,.., п — 8,7 Д е-0’92а'с.дп-].
Откуда получаем выражение для расчета среднего значения
переходного затухания на дальнем конце от стыковых отраже-
ний:
Хтр.сг И = Луу И — 10’92ас.лп — 8,7 Н- е~'ол'2вК.д«|.
и^У_С1/Гч п
(6.45)
Имея в виду, что 1 и значение 0,92sZc лп 8,7, по-
лучим
Анр.ет (О Жу И — 101g ( .Кт« | •
Учитывая, что значение Рст п от частоты не зависит, нетруд-
но из рассмотрения последней формулы сделать вывод, что АЧХ
Лотр.ст(ы) и годографы ПФВП такие же, как у AOyy(w).
Токи помех от внутренних неоднородностей возникают по той
же схеме, что и токи помех от стыковых неоднородностей, и их
учет осуществляется по тем же формулам, однако число точек
отражения п при этом возрастает в 20 ... 25 раз. Среднее зна-
чение коэффициента отражения рн в области высоких частот по
статистическим данным составляет (0,2 ... 0,25)рст. В результате
величина До-гр.вн(<и) в области высоки:< частот имеет примерно
ТОТ же ПОрЯДОК, ЧТО Дотр.ст(<О).
Результирующее переходное затухание от концевых, стыковых
и внутренних отражений
Щ рез («>) = — 191g 110~°’,4отр.к<“) 10-0-M3W“> +
_L 10-°’1АотР.зн("Д (6.46)
При измерении влияний в строительных длинах кабеля А^с.д(<|>)
физические и искусственные третьи цепи, включая цепи провод —
земля, разомкнуты, т. е. находятся в режиме холостого ходя.
В области низких и средних частот, при которых дУ>/с.д/8 и
jZx.x с.д'|тр^> ^в|тР, магнитные влияния через третьи цепи в строи-
тельных длинах кабеля уменьшаются. Длина усилительного уча-
стка lyy^Kmin, поэтому зависимость |Zx.x уу|тр((Ж х) от частоты
и расстояния от концов линии х имеет на концах линии водно-
образный характер (см. рис. 6.5), а на большей части линии в
области высоких частот |Zx.x уу |тр—Ч/в|тр. Уменьшение
,|7х.хуу|тр приводит к дополнительному возрастанию на усили-
тельных участках влияний через третьи цепи по сравнению с
этими влияниями в строительных длинах.
Другой причиной дополнительного увеличения влияний через
третьи цепи в длинных линиях является взаимодействие между
токами помех через третьи цепи, наводимых на строительных
длинах кабеля. Это взаимодействие возникает потому, что токи
помех, наведенные в третьих цепях в ц-й строительной длине
кабеля /злм, протекают по третьим цепям соседних строительных
длин кабеля и наводят помехи в цепи, подверженной влиянию,
на протяжении ряда строительных длин кабельной магистрали,
а не только в р-й строительной длине. На рис. 6.20,в показаны
пути влияния токов помех через третьи цепи на дальний конец
усилительного участка линии, индуцируемых по закону ближнего
конца. Ток помех от этих влияний после разделения переменных
может быть представлен произведением двойных сумм:
п
Ып.тр (i w) = 0,25/1Z (i со) 2 X>3. (i <о) х
V — 1
П
X е(Тз+11)Т.д¥ /VI3^ (i со) е“(ь+т,}/с.д'Г (6.47)
Учитывая случайный характер значения связей и произволь-
ное их распределение по длине линии, после аналогичных пре-
дыдущих преобразований получим следующую формулу для
оценки среднего переходного затухания на дальнем конце усили-
тельного участка от влияния через третью ц-ю цепь:
АР. (®) = 2А, (а) - 101g [2 + а3) - 8,7 + е-0'46(а+о>)]
2Л0и(й))- 101gj2(a + «3)l,
(6.48)
где а — собственное затухание одной из рассматриваемых цепей,
дБ; а3 — собственное затухание третьей цепи; Лом(со)—среднее
переходное затухание на ближний конец между рассматривае-
мыми цепями и третьей ц-й цепью на частоте со, дБ.
Результирующее влияние через третьи цепи определяется урав-
нением:
тр.р
(w) = — 101g
(6.49)
Годографы влияния через третьи цепи /4тр(1со), индуцируемые
по законам двойного перехода помех на ближний конец и вклю-
274
Дающие влияния от ряда третьих цепей с различными постоян-
ными передачи, имеют весьма сложный характер.
По своей структуре они представляют собой эпициклоидаль-
ные кривые удлиненного типа, которые занимают обычно все че-
тыре квадранта комплексной плоскости и характеризуются край-
ней неравномерностью зависимости от частоты. В среднем эти
влияния возрастают пропорционально от f1/2 до /2 в зависимости
от конструкции кабеля и диапазона частот.
Годограф результирующего влияния на дальнем конце уси-
лительного (регенерационного) участка длиной I можно пред-
ставить [см. (6.39) и (6.40)] в виде суммы составляющих ре-
зультирующей комплексной связи ПФВП — /црез0(о) с идентич-
ными частотными характеристиками:
I рез (1Ц>) — FI рн (ico) 4^ I р.тр (ico) FI oTp.p(ici)),
(6.50)
где Fzpn(ico), Г/0тР.Р(ко), Fi р.Тр (ico) — результирующие ПФВП от
влияний: непосредственных от отражений и через третьи цепи со-
ответственно при длине линии /.
На рис. 6.21, а показаны соотношения между различными со-
ставляющими влияния на дальнем конце усилительного участка
в зависимости от параметра (/со). В области малых значений
(/св) параметр | Fi pe3 (ico) | определяется непосредственными влия-
ниями \Fi pil(ico) Здесь | Г/НР| |АОТР.Р| ввиду того, что |рВн[<^1
Лоуу(со) достаточно велико (см. рис. 6.12).
Влияние через третьи цепи увеличивается примерно пропорцио-
нально квадрату параметра (/to).
Из рис. 6.21, а видно, что в случае ослабления непосредствен-
ных влияний каким-либо из методов защиты от взаимных помех
остаточные годографы при любом значении параметра (/to) оп-
ределяются косвенными влияниями, что проявляется в усложне-
нии частотной зависимости годографов ПФВП после проведения
мероприятий по ослаблению взаимных влияний.
Рис. 6.21. Зависимость различных составляющих влияний на дальнем конце ли-
нии от параметра /to (а) и схема сложения помех от взаимных влияний на даль-
нем конце усилительных участков линии на участке ОУП—ОУП (б)
275
В области высоких частот графики Fpe3(/(o) имеют вид удли-
ненных эпициклоидальных кривых с резкой неравномерностью
частотной характеристики (рис. 6.18,6).
Влияния 1/2 и 2/1 сильно различаются как по модулю, так и
по фазе. При больших непосредственных составляющих влияний
и в случае yi^=y.2 в одной из комбинаций влияний могут наблю-
даться левые повороты годографов с ростом частоты.
В цифровых системах передачи суммирования взаимных помех
от различных регенерационных участков не происходит, так как
в каждом регенераторе входные сигналы восстанавливаются. Это
существенно снижает требования к защищенности от взаимных
влияний. Высокая помехоустойчивость ЦСП, определяемая зави-
симостью вероятности ошибки от отношения сигнал-шум, еще бо-
лее ослабляет вышеуказанные требования (см. § 6.8). В резуль-
тате создается возможность резкого расширения спектра сигналов
ЦСП, передаваемых по симметричным кабельным линиям связи,
по сравнению со спектром аналоговых систем.
Расчет и оценка взаимных влияний между трактами ЦСП на
регенерационном участке обычно осуществляются так же, как
и для аналоговых систем передачи [26]. Различие состоит в том,
что перед проведением оценки взаимных помех необходимо опре-
делить спектр сигналов ЦСП, затем оценить мощность помех на
дальнем конце регенерационного участка от различных (основ-
ных) составляющих спектра и просуммировать значения получен-
ных составляющих помехи по закону сложения случайных вели-
чин. Этот процесс крайне трудоемок. Поэтому на практике часто
ограничиваются исследованиями взаимных влияний между трак-
тами ЦСП на одной частоте, равной либо значению- полутактовой
частоты сигналов, либо на максимальной частоте рабочего спект-
ра сигналов ЦСП.
Влияния на участках ОУП — ОУП кабельных магистралей.
Исследование влияний на участках ОУП — ОУП симметричных
кабельных магистралей (КМ), оборудованных аналоговыми си-
стемами передачи, в которых накапливаются взаимные помехи на
всей длине линии (рис. 6.21, б) производят только на дальнем кон-
це участка ОУП — ОУП КМ. На длине КМ ОУП — ОУП разме-
щается в среднем 10...15 усилительных участков (УУ) в зависи-
мости от системы передачи. Основные особенности взаимных влия-
ний на участке ОУП — ОУП следующие:
взаимные влияния на участках ОУП — ОУП возникают и мо-
гут быть исследованы только после настройки трактов кабельной
магистрали на данном участке ОУП — ОУП;
усилительные участки КМ разделяются аппаратурой НУП, по-
этому взаимодействия токов помех с отдельных УУ не происходит
(или оно чрезвычайно мало);
при рассмотрении взаимных влияний между трактами кабель-
276
ных магистралей необходимо учитывать дополнительные влияния,
наводимые в станционных устройствах, а также воздействие неста-
бильности значений коэффициентов усиления усилителей НУП и
ОУП в параллельных трактах, обусловленных несовершенством
систем АРУ
Рассмотрим уравнение для передаточной функции взаимных
влияний на участке ОУП — ОУП, состоящем из пг НУП и (m-pi)
усилительных участков.
Анализ будем производить для работающих трактов кабельной
магистрали в предположении, что кабельные линии на усилитель-
ных участках отсимметрированы и между цепями включены проти-
восвязи с передаточными функциями /7np(i(o). Тогда в соответст-
вии с рис. 6.21,6 можно записать следующее уравнение для ре-
зультирующей связи на участке ОУП—ОУП:
для влияния 1/2
FрезОУП—ОУП 1/2 0 to) ~
^2/пОУп0
^Й/ОУП
w-И
2 1^*Рез й'2v (i to) —F F/ пр 1 /2 v (1 to) j -ф-
V==l
т
4“ 2 cti/2v (i to) -p Fpvi/2 (i to)]
V=1
m +1
»==l
“ m
(6.51)
где Пноуп Gw) —частотная характеристика комплексной амп-
литуды влияющего сигнала первой цепи на приемном конце уча-
стка ОУП; £Л/поуп (ito) —частотная характеристика помехи в
тракте 2, подверженном влиянию на приемном конце ОУП;
рез i/2v (i<3>)—частотная характеристика результирующего влия-
ния (ПФВП) на дальнем конце v-ro усилительного участка;
ЛлР1/2\-(Ьз) —передаточная частотная характеристика противо-
связи, включенной на v-м усилительном участке; FCT i/2v (ito) — ча-
стотная характеристика результирующей связи ПФВП между
станционными устройствами v-ro НУП; Frpvi/2 (ito)—то же, но
между цепями грунтовой АРУ; Slv и S2v — передаточные функции
усилителей 1 и 2 тракта v-ro НУП соответственно; Ayi2v— разности
постоянных передачи трактов / и 2 на v-м усилительном участке;
/yyV — длина v-ro усилительного участка; —коэффициент,
зависящий от оператора соединения цепей на v-м усилительном
пункте.
Аналогично (6.51) запишем выражение для результирующей
ПФВП на участке ОУП —ОУП:
277
для влияния 2/1
/•V ^1/пОУГВ140)
резОУП—ОУ! 2/1 0 — ут—------—- —
' д/оупО ш)
{т+ 1
2 рез Х'Ь О W) Ч" F/пр*2/1 (i W)1 Ф
v = l
m I
У SjK-rs/i. (i ®) -t- OP»2/i (i w)lh, > X
I
fill
2ДЬ~Ю 4
V“1
(6.52)
Задача анализа АЧХ и ФЧХ ПФВП на участках ОУП — ОУП
сводится к исследованию составляющих уравнений (6.51) и (6.52),
которые в основном являются случайными величинами. Частотные
характеристики rpc3V (ico) были рассмотрены выше. Комплексные
противосвязи, устанавливаемые между цепями, в процессе сим-
метрирования кабельных магистралей на участках НУП — НУП
обеспечивают в основном ослабление непосредственных влияний
между цепями. В результате на участке ОУП—ОУП происходит
усиление составляющих помех от косвенных влияний, что приводит
к усложнению частотной характеристики Урезоуп-оупi/g (М и
Урез ОУ П—С)УП2/1 0^)’
Составляющие помех, обусловленные связями Fcyv (io) и
F'} pv (io), по своим частотным характеристикам близки к харак-
теристикам непосредственных влияний коротких (5...10 м) отрез-
ков кабеля на ближнем конце.
Нестабильность коэффициентов усиления НУП, обусловленная
несовершенством систем АРУ, может приводить к заметным из-
менениям Урезоуп-оуп (ico). Возникнув в каком-либо v-м НУП,
разность коэффициента усиления (ASv1/2~Sv2— Svl) приводит
к изменению Урезоу.и^оуп (ico), что вызывает нестабильность
У'резоуп (ico) и ограничивает эффективность ослабления помех на
участках ОУП — ОУП. По существующим нормам колебания раз-
ности уровней в параллельных трактах систем К-60 не должна
превышать 1,7 дБ.
6.6. ВЛИЯНИЯ В МНОГОКОАКСИАЛЬНЫХ
КАБЕЛЯХ
Как известно, электромагнитное поле коаксиальных цепей яв-
ляется закрытым, т. е. вне коаксиального кабеля оно не сущест-
вует, что приводит к отсутствию непосредственных влияний меж-
ду коаксиальными цепями.
278
Рис. 6.22. Схема влияния
схема влияния (6)
между коаксиальными цепями
(а) и эквивалентная
Взаимные влияния между коаксиальными цепями обусловле-
ны продольной составляющей напряженности электрического поля
Ezc на внешней поверхности внешнего проводника влияющей коак-
сиальной цепи (рис. 6.22, а). Эта. составляющая цепи возникает
следующим образом. Протекающий по внешнему проводнику
влияющей коаксиальной пары (цепь 1) ток (/Вл) создает на внут-
ренней поверхности внешнего проводника продольную составляю-
щую напряженности поля Ег. Данная составляющая и составляю-
щая магнитного поля определяют вектор Пойнтинга электро-
магнитного поля, направленный внутрь внешнего проводника
коаксиальной цепи. Значение Ezb вследствие явления поверхност-
ного эффекта (см. гл. 5) убывает с ростом г, т. е. по мере
проникновения электромагнитной волны вглубь проводника.
В результате Ezc на внешней поверхности внешнего проводника
имеет минимальное значение. В соответствии с изменением £/из-
меняется и плотность тока б (г) = vEzr> где о — проводимость про-
водника.
Напряженность поля Егс, действуя в цепи 3, образованной
внешними проводниками цепей 1 и 2, вызывает ток на внутренней
поверхности внешнего проводника второй коаксиальной пары,
подверженной влиянию. В результате из двух внешних проводни-
ков кабелей создается промежуточная цепь тока с эквивалентным
сопротивлением, равным сумме продольных сопротивлений 1 и 2
внешних проводников и сопротивления третьей (промежуточной)
цепи. В этой промежуточной цепи действует ЭДС. равная Ег на
внешней поверхности внешнего проводника влияющего кабеля
б2 (рис. 6.22,6).
Таким образом, в коаксиальных кабелях влияющая цепь 1 со-
здает напряжение и ток в цепи 3, которая в свою очередь стано-
вится влияющей цепью по отношению к цепи 2 и вызывает в ней
ток помехи, убывающий с ростом частоты (рис. 6.23).
279
Рис. 6.23. Частотная зависимость то-
ка помех между коаксиальными па-
рами
Рис. 6.24. Зависимость Е: во внешнем
проводнике коаксиального кабеля
Степень взаимосвязи между коаксиальными цепями 1 и 2 ха-
рактеризуется сопротивлением связи или взаимным сопротивле-
нием Z12(o)), представляющим собой отношение напряжения
С'с(о)), возбуждаемого на внешней поверхности внешнего провод-
ника влияющей коаксиальной цепи (рис. 6.24) к току Ц (о.)), про-
текающему в этой цепи. Значение Uz (ю) численно равно Егс(оз),
поэтому
Zi2 (со) ~ Uс (ю) //i (со) =EZC (со)//] (св). (6.53)
Характер частотной зависимости сопротивления Z!2(co) пока-
зан на рис. 6.25. С увеличением частоты величина Z]2(co) падает
вследствие возрастания потерь энергии электромагнитного поля
при прохождении от внутренней поверхности внешнего проводни-
ка (г = Ь) до внешней его поверхности (г = с). На этом же ри-
сунке показан характер изменения полного продольного сопротив-
ления внешнего проводника Znp(co). Из рисунка видно, что при
постоянном токе сопротивления Z]2™Znp и равны сопротивлению
постоянного тока
С ростом частоты сопротивление Znp((o) вследствие поверхно-
стного эффекта возрастает. В результате аналогичных (§ 5.6)
преобразований получим, Ом/км,
7 / \ t k 1 | 7 \ Юб t
ZIS(©)= —-7=-—"ЛИ Z, ,(<>) = 77=’ СИ (Ьл4)
2л У be a sh kt |/ I 2л |/ Ьс
где /е — Усоцо—коэффициент вихревых токов; b и с — внутренний
и внешний радиусы внешнего проводника, мм; I — толщина внеш-
него проводника, мм; о — проводимость материала проводника,
N^k^i/oshkty i.
Значения |N [, необходимые для расчета сопротивления связи
Z12(o))t приведены в табл. 6.2.
На основании (6.54) можно получить уравнение для первично-
го параметра влияния между коаксиальными цепями
Zi2Z25/Z3=Zi2Z2i / (Zj i-yZoQ-T-icoZs), (6.55)
280
Рис. 6.25. Частотные зависимости сопротивления свя-
зи Z!2 и полного сопротивления Zn внешнего провод-
ника коаксиального кабеля
где^12 и Z2I —сопротивления связи влияю-
щей цепи и цепи, подверженной влиянию,
соответственно; 2з=2ц-4-/22-}~1(оЛз— полное
продольное сопротивление третьей цепи;
Zu и Z22 — собственные продольные сопро-
тивления внешних проводников влияющей
цепи и цепи, подверженной влиянию; <оЛз— сопротивление треть-
ей цепи, обусловленное внешней индуктивностью L3, создаваемой
магнитным полем между внешними проводниками коаксиальных
цепей.
Заметим, что если коаксиальные цепи соприкасаются, то внеш-
няя индуктивность равна нулю и
z.3—^ii~hZ22-—2Znp. (6.56)
Используя уравнения (6.20) и (6.23), нетрудно вывести сле-
дующие формулы для расчета тока помех на ближнем /2оп и
дальнем /Пп концах коаксиального кабеля:
Л»,. = — Ло (M^/ZJ (1 — е~(ь+ь)г)/2(Y1 4- уг), (6.57)
_ , -^кк 1 — е (О—ъИ
(6.58)
При равенстве электрических характеристик цепей (ZB1 =
—ZB2=ZB; Yi=:Y2=y) и после подстановки значения Мкк будем
иметь
/,оп = - (1 - e-2T')/ZsZB4b (6.59)
Z tin — I iZizl/yZsZ*. (6.60)
Таблица 6.2
, * — Часто- та, кГц Значения |Л Ом/км, при толщине внешнего проводника
0,1 0.15 0,2 0,25 о.з 0.1 0,15 0,2 0,25 0,3
Л1сдб А /поминай
10 181 120 87 69 56 297 197 147,5 117,9 98,2
60 177 116 86 68 55 295 196,5 147 117,3 97,2
100 176 115 85 66 53 294 196,4 146,6 116,1 95,2
200 175 114 81 56 44 293,9 194,3 144,7 111,4 87,5
300 174 ПО 73 50 34 293,2 193,2 139,8 104,1 77,7
500 168 99 59 35 19 292,2 187,5 128,1 87 Л 58,6
281
Соответственно переходное затухание, дБ, на ближнем и даль-
нем концах коаксиального кабеля
Локк (*>) = 201g |
! ^20п(®)
- 201g
(®) = 20ig| АКД.
। %2 я (&6
(6.61)
(6.62)
•*' / кк
Переходное затухание на ближнем конце, дБ, в случае длин-
ных линий, когда а/>ЗНп и e~2a-<j, определяется уравнением:
,4„кк(ш)~ 201g | 4Z,ZB y/Z,2 I . (6.63)
Индуктивность промежуточной цепи, Гн/км, в формуле для
расчета сопротивления связи (6.5!)
L3=41n[(a — r3)/r3] • 10-4 = 41g[(r3+Q/r3J -Kb4,
(6.64)
где а — расстояние между центрами коаксиальных пар; г3—
внешний радиус внешнего проводника; i—толщина изоляции
между коаксиальными парами.
Из формул (6.55) и (6.64) видно, что при отсутствии изоля-
ционного покрытия коаксиальных пар значение ь3 = 0, так как
я3 = 2г3 и /ИКк™22)2/22Пр. Обычно коаксиальные пары изолиру-
ются диэлектриком — бумажными или пластмассовыми лентами.
В этом случае ^0; &>2г3; Л3>0, а (оЛз^^и+^г-
В результате получаем 23~(о£з и Л1Кк —Z212/coA3.
Как следует из формул (6.61) и (6.63), переходные затухания
между коаксиальными парами на ближнем и дальнем концах ли-
нии с повышением частоты возрастают (рис. 6.26), что опреде-
ляется:
закрытым характером электромагнитного поля коаксиальных
шепей;
Рис. 6.26. Частотные характеристики
переходных затуханий между коакси-
альными цепями на ближнем и даль-
нем концах линии
Рис. 6.27. Зависимость Локк
И Лкк от длины линии
282
убыванием интенсивности возбуждающего электромагнитного
поля на внешней поверхности внешнего проводника вследствие
поверхностного эффекта.
> На рис. 6.27 представлены зависимости Локк и Л/кк от длины
линии. При малых значениях 2у/Л0кк претерпевают волнообраз-
ные колебания за счет изменения величины (1—е"2^) [см. (6.57)],
с увеличением 2у1 значение (1—е~2?/) стабилизируется и стре-
мится к 1, поскольку при больших значениях 2а/e~2vL>0.
Переходное затухание на дальнем конце с увеличением I
уменьшается по гиперболическому закону в соответствии с урав-
нением (6.62).
6.7. ВЛИЯНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЯХ
СВЯЗИ
Взаимные влияния между оптическими волокнами (световода-
ми) оптических кабелей связи вызываются следующими причи-
нами:
воздействием регулярного электромагнитного поля излучения
соседних оптических волокон;
отражением световых сигналов от неоднородностей в волокне
и излучением отраженных волн в окружающее пространство;
микро- и макроизгибами оптического волокна, которые также
вызывают излучение электромагнитных волн;
излучением энергии сигналов в местах сращивания оптиче-
ских волокон, их коммутации, разветвления и фильтрации;
рэлеевским рассеянием в оптических волокнах.
Электромагнитное поле световодов имеет в основном закры-
тый характер, т. е. почти вся энергия сигнала распространяется в
сердечнике оптического волокна. Лишь небольшая часть ее про-
ходит по оболочке оптического волокна (рис. 6.28). Функция рас-
пределения интенсивности поля в оболочке оптического волокна
в зависимости от радиуса оболочки имеет сходный характер с
функцией распределения энергии поля во внешнем проводнике
коаксиального кабеля при резко выраженном поверхностном эф-
фекте (когда х = гУ(вца.7>5). Таким образом, по аналогии с коак-
сиальным кабелем можно говорить о «поверхностном эффекте» в
оболочке оптического волокна.
Вследствие ограниченной когерентности оптических источни-
ков— полупроводниковых лазеров (ПЛ) и светодиодов (СД)
спектр несущего колебания Д/д чрезвычайно широк. Так, у полу-
проводниковых лазеров Д/т пл= (300 ... 1200) ГГц, что соответст-
вует отношению Д^}jпл//н(0,1 ... 0,4)%, у светодиодов Д/НСд=
— 10... 15 ТГц при Д/нсд//н= (3... 4) %. Если принять, что
спектр информационных сигналов АЕс<30 ГГц, то и при этом ус-
ловии спектр модулируемого излучения намного превышает
283
Рис. 6.28. Кривые распределения энергии све-
товых сигналов в поперечном сечении опти-
ческою кабеля
спектр сигнала, т. е. 1. По-
этому распределение интенсивности
поля в оболочке оптического волокна
практически определяется длиной вол-
ны несущего колебания и шириной
спектра излучателя. С увеличением
длины волны или с уменьшением ра-
диуса сердечника (г) глубина проник-
новения света в оболочку возрастает. В результате, если л>лкр
световод становится открытой системой, т. е. поле мод, распро-
страняющихся по OB I (рис. 6.28), захватывает сердцевину OB II
и наоборот.
Таким образом, в отличие от обычных линий связи, взаимные
влияния между волокнами ОК практически не зависят от спектра
информационных сигналов, а определяются конструкцией ОК и
ОВ, а также параметрами источников излучения. Наибольшие
влияния между ОВ имеют место в объектовых ОК, характеризу-
ющихся большим числом ОВ, плотным их расположением и ма-
лыми толщинами оболочек и защитных покровов, и в системах
передачи, использующих светодиоды, поскольку их полоса излу-
чения (Дл) в 15—20 раз шире, чем у полупроводниковых лазеров.
Для создания заметной связи частота мод должна быть близ-
ка к критической. Значительная часть их полной мощности рас-
пространяется в покрытии ОВ в виде поверхностной волны (при
либо вытекающей (при лз>/?2), поэтому коэффициент за-
тухания этих мод существенно выше, чем у остальных, и в уста-
новившемся модовом режиме они выбывают. В результате регу-
лярная связь между световодами практически отсутствует из-за
избирательного поглощения тех групп мод, между которыми она
могла бы осуществиться.
Нерегулярные связи между световодами оптического кабеля
возникают главным образом вследствие рассеяния на молекуляр-
ных неоднородностях (рассеяние Рэлея), нерегулярностях грани-
Рис. 6.29. Схема
образования вза-
имных влияний
между световодами
284
цы между сердечником и оболочкой и на микроизгибах. Эти поля
являются основной причиной возникновения взаимных помех.
Рассеянию Рэлея подвержены все распространяющиеся моды
примерно в одинаковой степени. Микроизгибы и микронеоднород-
ности приводят преимущественно к излучению мод с высшими
граничными частотами и одновременно создают связи между все-
W направляющими модами. Интенсивность каждого механизма
рассеяния определим величиной, соответствующей составляющей
коэффициента затухания ар/, а его характер—диаграммой на-
правленности рассеянного излучения по мощности /д(А)
'(рис. 6.29) на Рй неоднородности. Общий коэффициент затуха-
п
ния рассеяния ар =
i-1
Рассмотрим связь между световодами за счет Pro рассеяния
в первом ОВ и ц-го во втором (рис.. 6.29). Диаграмма направлен-
ности рассеяния описывает в соответствии с принципом взаим-
ности одновременно и диаграмму направленности приема. Диа-
граммы направленности Ф(А) излучений из оптических волокон
зависят от причины рассеяния.
Рассеяние на микроизгибах и микроскопических нерегулярно-
стях имеет выраженную направленность в сторону распростране-
ния волны и аппроксимируется уравнением [19]:
max’,
Чгн (fl) = {sinflsinpnn (1 — cosfl) ]/[шл (1 — cosfl) ]}2. (6.65)
Уравнение диаграммы направленности молекулярного рассеяния
Рэлея:
Фй (fl) = 0,5(14~cos2fl). (6.66)
В (6.65) т — число лепестков диаграммы направленности в
первом квадранте, fl — угол между осью оптического волокна и
максимумом главного лепестка диаграммы направленности, соот-
ветствует первому экстремуму (6.65) и flmax —arccos(l — l/2m).
Рассеяние Рэлея по диаграммам направленности наиболее опасно,
так как при нем рассеянная мощность проходит в покрытии оп-
тических волокон минимальный путь. Существенная доля взаим-
ных помех определяется и рассеянием на макро- и микроизгибах.
На рис. 6.30 для примера показаны суммарные диаграммы на-
правленности для рассеяния Рэлея (кривая а) и для рассеяния
микроскопических неоднородностей при т=6 (кривая б). Кри-
вая а во втором квадранте симметрична показанной в первом
квадранте, потому что рассеяние Рэлея в прямом и обратном на-
правлениях одинаковы.
< Процесс вычисления переходных затуханий на ближнем и
дальнем (До, At) концах ВОЛС весьма сложен и выполняется
285
Рис. 6.30. Диаграммы на-
правленности для:
а) рассеяния Рэлея; б) мак-
роскопических неоднород-
ностей m — Q
обычно с помощью ЭВМ. Переходные затухания вычисляются по
формулам, дБ,
Ао= 101g(Рю/Лоп); 101g(Pu/P2/n),
где Рю и Рц — мощность светового сигнала на ближнем и даль-
нем концах первой линии; Р2/п и Р2/п — мощность помехи на ближ-
нем и дальнем концах второй линии.
Влияние на ближнем конце создается обратным рассеянием,
интенсивность которого характеризуется так называемым коэф-
фициентом связи обратной волны влияющего световода с серд-
цевиной световода, подверженного влиянию. На дальнем конце
помехи создаются рассеянием, характеризующимся коэффициен-
том связи с прямой волной влияющего световода и сердцевиной
световода, подверженного влиянию.
Экспериментальные исследования показывают, что некачест-
венно выполненные стыки между строительными длинами опти-
ческих кабелей могут вносить заметный вклад в создание нежела-
тельных связей между световодами. Часто уровень помех, наво-
димых в стыках, значительно превышает помехи на регулярных
участках линии.
Таким образом, взаимные влияния в оптических кабелях свя-
зи представляют собой случайные величины и при необходимости
их значения должны определяться путем проведения измерения
переходных затуханий.
6.8. НОРМЫ НА ПАРАМЕТРЫ
ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ
Как указывалось выше, линии связи должны обеспечивать за-
данное качество передачи информационных сигналов как по уров-
ню допустимых искажений в линиях и трактах передачи, так и по
допустимому уровню взаимных помех.
Нормирование параметров взаимных влияний осуществляется
по технологическим и сдаточным параметрам. В число техноло-
гических параметров входят параметры, с помощью которых конт-
ролируются электрические параметры исходных компонентов
(диаметры проводов и геометрические размеры изолирующих по-
586
кровов; диэлектрическая проницаемость изоляции; неоднородность
цепей по длине, магнитная проницаемость стальных экранирую-
щих лент коаксиальных пар и т. д.), а также первичные пара-
метры влияний (коэффициенты связи ku ^2> скручен-
ных четверок симметричного кабеля, значения профильных и эле-
ментных неоднородностей воздушных линий связи и др.).
Нормы на сдаточные параметры определяют результирующие
значения уровня взаимных помех на строительных длинах кабель-
ных линий связи, на ретрансляционных (усилительных или регене-
рационных) участках кабельной или воздушной линии связи и на
различных отрезках линии. Основными сдаточными параметрами
взаимных влияний являются требуемые значения переходных за-
туханий на ближнем и дальнем концах линии. В аналоговых
системах передачи помехи, наводимые на усилительных
участках, суммируются на длине линии переприемный пункт —
переприемный пункт (ПП-—ПП). Поэтому уровень шума обычно
нормируется для этой длины линии. Далее допустимое значение
шума распределяется между различными источниками шумов
(термическими, нелинейными, внешними и взаимными). Затем по
допустимому уровню взаимных помех на участке ПП — ПП опре-
деляют, пользуясь известными законами сложения шумов, требо-
вания к параметрам взаимных влияний на усилительных участ-
ках. Например, для коаксиальных магистралей длина участка
ПП — ПП принимается равной 2500 км. Требуемая защищенность
от взаимных помех на этом участке должна быть не менее 58,2 дБ
для 90 % комбинаций влияния и не менее 54,7 дБ для 100 %. За-
щищенность между цветными цепями воздушных линий связи
должна быть не менее 50,4 дБ, а между стальными — 46,9 дБ.
Соответственно этим величинам нормируются значения за-
щищенности и переходных затуханий на усилительных участках
линии и на строительных длинах кабеля. Поскольку токи помех с
усилительных участков линии складываются как случайные век-
торы (см. § 6.5), норма на защищенность между цепями на уси-
лительном участке определяется из уравнения:
<У - + 101g (2500//уу) - <3 + 101g
(6.67)
где N — число усилительных участков на эталонной магистрали
длиной 2500 км; /уу— длина усилительного участка, км; —
требуемая защищенность между цепями эталонной линии (ПП —
ПП).
Нормы переходных затуханий на дальнем и ближнем концах
симметричных кабельных линий связи для случая на длине уси-
лительного участка приведены в табл. 6.3. В этой же таблице
приведены нормы переходных затуханий между коаксиальными
парами строительных длин кабеля КМ-4, КМ-8/6 и МКП-4. По-
следнее обстоятельство вызвано тем, что в процессе строительст-
287
Таблица 6.3. Норма переходного затухания, дБ, для различных систем связи
Тип линии Дв ухпроводп а я Четы рехпроводная F
Низкочастотные симметричные ка- бели Л с Л? 60,8Ц-а/ 60,84-aZ 65Д 4-aZ 65,1 4- а/
Высокочастотные симметричные кабели А р At Двухкабельная 60,8 73,< 71,0 Однокабельная 73,8 -г (11 В для 90% для 100%
Коаксиальные кабели Ло, Л/ КМ-4 КМ-8/6 МКТ-4 1 140 123,3(2,6/9,5); 104,2(1,2/4,6) 108,6
ва, монтажа и эксплуатации коаксиальных кабелей никаких до-
полнительных мероприятий по защите трактов от взаимных влия-
ний не осуществляют.
Нормирование взаимных влияний для цифро-
вых систем передачи осуществляется на длине регенера-
ционного участка (РУ) на полутактовой частоте. За основу при
нимается требуемое значение защищенности, характеризующее
отношение сигнал-шум на полутактовой частоте, которое обеспе-
чивает заданную вероятность ошибки ре для квазитроичного кода.
Эта величина в зависимости от типа ЦСП принимается равной
23 ... 26 дБ. Требуемое значение переходного затухания, дБ, меж-
ду трактами ЦСП на длине регенерационного участка двухка-
бельной магистрали [26]:
(солт) гы 26 -Ц 101g (п - 1), (6.68)
где п—число трактов в кабеле; юПт—значение полутактовой ча-
стоты ЦСП. В случае однокабельной системы передачи нормиру-
ется переходное затухание на ближнем конце Аору(о>пт) — Л^у(со|!Т)+
-н a ((OnT)^pv-
В процессе проектирования и реконструкции КМ часто возни-
кает необходимость априорной оценки возможности установки
той или иной аппаратуры ЦСП по известным статистическим па-
раметрам взаимных влияний на частоте 250 кГц, являющейся
верхней границей АСП типа К-60П.
В [26] на основании статистических исследований доказыва-
ется возможность подобной оценки не только по длинам регене-
рационных участков, но и по нормируемым значениям переходных
288
Т а блица 6.4
Цифровая система передачи Длина РУ, км AjPy(0,25 МГц), дБ, при р/ру а1с.д(0,25МГц) ' для ЦСП, дБ Для К-60П ’ дБ
10’» 10*1 10'’’
ИКМ-30 ИКМ-120 ИКМ-480 ИКМ-1920 10 5 2,5 1,2 35,1 51 ,5 67,7 31,3 35,5 51,9 68,1 81,7 36,0 52,3 68,6 82,2 54,6 68,0 81,2 : 91,5 68
затуханий между цепями на строительных длинах высокочастот-
ных симметричных кабелей связи.
В табл. 6.4 приведены определенные в [26] требуемые мини-
мальные значения переходных затуханий на дальнем конце РУ
и между цепями на частоте 250 кГц от всех влияющих пар для
различных значений. Как видно из сопоставления данных табли-
цы для ^сд^цеп с существующими нормами переходного за-
тухания для строительных длин высокочастотных симметричных
кабелей А^д(о), К-60П все цепи этих кабелей можно оборудо-
вать аппаратурой ИКМ-120, так как требования к защищенности
цепей кабеля в К-60П и ИКМ-120 совпадают.
6.9. МЕРЫ ЗАЩИТЫ ЦЕПЕЙ И ТРАКТОВ
ЛИНИИ СВЯЗИ ОТ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИИ
Различают следующие основные меры защиты цепей и трактов
линий связи от взаимных влияний.
1. Применение систем передачи и типов линий связи, обеспе-
чивающих малые значения взаимных влияний. Этот способ реа-
лизуется на практике в очень широких масштабах. Так, примене-
ние коаксиальных кабелей или волоконно-оптических линий прак-
тически полностью решают проблему защиты цепей и трактов
линий связи от взаимных влияний. К этому способу можно отне-
сти также мероприятия, связанные с повышением однородности
линий связи, улучшением качества строительства линий, рацио-
нальным выбором цепей для различных систем передачи.
2. Взаимная компенсация помех между цепями симметричных
линий связи, наводимых на различных участках линии. Этот спо-
соб используется в воздушных и симметричных кабельных линиях
связи путем скрещивания цепей ВЛС и соответствующего подбо-
ра шагов скрутки цепей симметричного кабеля. В процессе монта-
жа кабеля в симметрирующих муфтах производят скрещивание
цепей по критерию максимального ослабления взаимных влияний.
3. Способы сосредоточенной компенсации взаимных помех реа-
лизуются на усилительных участках линии, а также на участках
289
10—(3136
ОУП — ОУП. Принцип этого способа основан на включении спе-
циальных компенсирующих схем, называемых противосвязями.
Противосвязи синтезируются таким образом, чтобы токи (напря-
жения), проходящие через них в цепь, подверженную влиянию,
ослабляли токи (и напряжения) помехи.
Данные методы применяются при строительстве низкочастот-
ных и высокочастотных линий связи.
4. Экранирование цепей кабельных линий связи используется
в коаксиальных, симметричных и оптических кабелях и осуществ-
ляется в процессе их изготовления (на заводах). Защита от
взаимных влияний в этом случае достигается путем ослабления
интенсивности влияющего электромагнитного поля в экране.
5. Отбор цепей многопарных телефонных кабелей, взаимная
защищенность между которыми равна или превышает требуемые
нормали значения. Этот метод применяется на кабельных линиях
городских телефонных сетей при уплотнении цепей кабелей циф-
ровыми или аналоговыми системами передачи.
Каждый из перечисленных способов защиты цепей от взаим-
ных влияний характеризуется своей технологией реализации, эф-
фективностью защиты от взаимных помех, стабильностью, стои-
мостью, надежностью, рабочим диапазоном частот, эксплуата-
ционными характеристиками — ремонтноспособностью, эксплуата-
ционными расходами, технологией эксплуатации, методикой
контроля исправности и стабильностью значения эффективности
подавления помех. В зависимости от типа линии связи и системы
передачи в широких пределах изменяются эффективность каждого
из указанных выше способов защиты от взаимных влияний, а так-
же конструктивная и технологическая его реализация. В связи с
этим рассмотрение методов защиты от взаимных влияний осуще-
ствляется раздельно для каждого типа линии связи.
6.10. ЗАЩИТА ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
СВЯЗИ ОТ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ
Принципы скрещивания цепей воздушных линий связи. Для уменьшения
взаимных (и внешних) влияний на воздушных линиях связи осуществляют скре-
щивание цепей, т. е. меняют через определенные интервалы линии расположение
проводов цепей. При скрещивании цепей емкостная /г и индуктивная т связи,
оставаясь неизменными по величине, меняют свой знак в соответствии с урав-
нениями (6.30) и (6.31) на противоположный.
Процесс суммирования токов от непосредственных влияний на ближний и
дальний концы между цепями короткой линии (/<л/8), состоящей из четырех
отрезков, в случае соединения этих отрезков линии без скрещивания цепей иллю-
стрируется рис. 6.31,ч и при их скрещивании рис. 6.31,6. При этом фазовыми
сдвигами токов помех на ближнем конце и их затуханием в линии можно не
считаться. Тогда, как показано на рис. 6.31,4, токи помех, поступающие с. отдель-
290
Рис. 6.31. Результирующий ток помех между цепями:
а) без скрещивания; б) при скрещивании
ных участков нескрещенных цепей, имеют одинаковые знаки, а результирую-
щий ток определяется примерно их арифметической суммой |/2on(ico)| = |/i(i(o)4-
| (со)—р/3(<х>)~|~/4(со). В случае скрещивания
одной из цепей (рис. 6.31,6) токи помех с соседних участков имеют разные зна-
ки и их сумма (со)—h(ш)4-Л(со)—/4(<о). В случае скрещивания одной из
цепей (рис. 6.31,6) токи помех с соседних участков имеют разные знаки и их
сумма /2опС^Л (со)—/2(<о)-ф-/3(со) —/4(со).
Из приведенного простейшего примера суммирования токов помех следует
общий и важный вывод о том, что для обеспечения высокой эффективности
ослабления помех методом скрещивания цепей воздушных линий связи необхо-
димо участки линии разбивать на четное число элементарных отрезков, которые
могут соединяться со скрещиванием цепей. Такие отрезки называют элементами
скрещивания.
Эффект от скрещивания цепей для непосредственных влияний на дальнем
конце линии оказывается еще более существенным, так как токи помех от не-
посредственного влияния проходят одинаковый путь и относительные их изме-
нения в линии по фазовому сдвигу и амплитуде определяются не суммой по-
стоянных передач цепей (yi—[—Y2), а их разностью (yi—уг) [см. (6.21) и (6.22)].
При рассмотрении взаимных влияний между цепями воздушных линий свя-
зи (см. § 6.4) отмечалось, что фазовые сдвиги в цепях приводят к явлению
электрического скрещивания цепей, при котором помехи изменяют свой знак на
291
Рис. 6.32. Принцип электрического
скрещивания
Рис. 6.33. Частотная характеристика
затухания влияющей цепи при нали-
чии абсорбции
180°, что соответствует эффекту физического скрещивания цепей (рис. 6.32).
Чем выше диапазон частот, передаваемых по линии, тем короче шаг электриче-
ского скрещивания.
Если производить скрещивание цепей с шагом S, равным электриче-
скому шагу скрещивания /Эс=Х/4, то эффект электрического скрещи-
вания будет скомпенсирован физическим скрещиванием цепей, и результирую-
щий ток помехи при частоте /— 4пД, где о — скорость распространения сигнала
в ВЛ С, на ближнем конце будет возрастать. В этом случае влияния между
скрещенными цепями станут больше влияний в линии с нескрещенными цепями.
Отрицательный эффект от такого режима работы цепей может быть настолько
большим, что значительная часть энергии влияющей цепи перейдет в цепь, под-
верженную влиянию. В результате происходит заметное возрастание затухания
влияющей цепи на частотах, близких значению [гб^и/к, соответствующему ра-
венству S=Z/4 —/эс. Это явление поглощения энергии сигнала в соседней цепи
называется абсорбцией (рис. 6.33).
Очевидно, что такой режим работы цепей воздушных линий связи неприем-
лем, поэтому во всех случаях необходимо, чтобы S<Z/4. На практике макси-
мальный шаг скрещивания цепей воздушных линий связи выбирается меньше
л/8 (S^ux^X/8), что обеспечивает положительный эффект от скрещивания цепей.
Кроме скрещивания цепей на воздушных линиях связи применяется еще спо-
соб уменьшения взаимных влияний, основанный на снижении величин электри-
ческих и магнитных связей и тх путем рационального размещения цепей на
опорах воздушных линий связи. Обеспечение защиты от влияний между цвет-
ными цепями воздушных линий связи сопряжено с наибольшими трудностями.
Поэтому их размещают 3 на типовых профилях ВЛ С так, чтобы уменьшить зна-
чения электромагнитных связей Ar12 и [см. (6.32)], определяемых соотноше-
нием Qc — In (а1Эа24/ала23) [см. (6.30) и (6.31)].
Пример 6.2. Определить значение параметра Qc воздушной линии связи
с профилем № 3 (см. рис. 6.35) между цепями, расположенными на местах 1 и
2 траверсного профиля — Q12c и на местах 1 и 4 — Q!4c.
1 Этот метод защиты от взаимных влияний часто называют «простран-
ственным разделением цепей».
292
Решение. Из чертежа профиля № 3 определяем значения а]3, д2з, Qu, а2*
ря первого случая размещения цепей — Qi2c: Qi2c = ln = 1п (70Х
Х70/50-90) =0,0852.
Для второго случая размещения цепей получим
QI4C = In (190d90/170-240) = 0,01114.
Таким образом, защищенность от непосредственных влияний между цепями,
расположенными на местах 1 и 4 профиля № 3 ВЛС, на 17,7 дБ выше защи-
щенности между цепями, находящимися на местах / и 2 этого профиля.
Основные правила составления схем скрещивания. При
составлении схем скрещивания линию разбивают на четное число отрезков оди-
наковой длины (см. рис. 6.31), равной расстоянию между двумя пролетами воз-
душной линии и называемых элементом скрещивания. Элемент скрещивания
определяет наименьшее расстояние между двумя соседними скрещиваниями
цепей.
Каждый элемент линии нумеруется, а затем линия разбивается на основ-
ные и укороченные секции скрещивания. Основные секции скрещивания состоят
из 128 или 256 элементов скрещивания, а укороченные секции могут содержать
64,32, 16 и 8 элементов. Таким образом, каждая секция скрещивания содержит
2П элементов, где п принимает значения 3, 4, 5, 6, 7, 8. Чем больше значение п,
тем большее число различных комбинаций скрещивания можно осуществить на
данной секции. Закономерность распределения скрещивания каждой цени внутри
секции называют схемой скрещивания. Схемы скрещивания обозначаются
индексами скрещивания, которые показывают, через какое число элементов линии
производится скрещивание цепей. Практически находят применение следующие
основные индексы скрещивания 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128.
Схемы скрещивания, выполняемые по одному индексу скрещивания, назы-
ваются простыми, Кроме простых схем скрещивания применяются сложные схе-
мы скрещивания, характеризуемые двумя и более индексами. При сложных схе-
мах скрещивание цепей осуществляется по каждому из индексов скрещивания.
Если на данном элементе при сложной схеме скрещивания необходимо произве-
сти четное число скрещиваний, то физическое скрещивание цепей не выполняет-
ся, так как при четном числе скрещиваний каждое четное скрещивание компен-
сирует каждое нечетное, т. е. проводники местами на данном элементе скрещи-
вания не меняются. При нечетном числе скрещивания взаимной компенсации
скрещиваний не происходит и на этом элементе осуществляется физическое
скрещивание цепей.
На рис. 6.34 для примера изображены схемы 16-элементной секции. На сек-
ции скрещивания, содержащей 2п элементов, можно получить (2п— 1) различ-
ных схем. Так, при 16-элементной секции можно составить 15 схем скрещивания,
указанных на рис. 6.34. В последней колонке табл. рис. 6,34 указано суммарное
число скрещиваний для каждой схемы скрещивания 16-элементной секции. Эти
числа определяют стоимость производства каждой схемы скрещивания.
Степень защищенности цепей, обеспечиваемая их скрещиванием, определяет-
ся несовпадающими индексами их скрещивания. Например, индекс защищенности
Цепей с индексами скрещивания 1—2—8 и с индексами 1—2—4—8 (схемы № 12
и 15, рис. 6.34) равен 4.
293
Рис. 6.34. Шестнадцатиэлементная схема скрещивания
Схемы скрещивания линии составляют для каждого усилительного участка.
Усилительный участок разбивают вначале на основные секции. Если на длине
усилительного участка не укладывается целое число основных секций, то при-
меняют укороченные. Разбивка линии на секции скрещивания должна произво-
диться таким образом, чтобы на линии не оставалась неуравновешенная длина.
Типовые схемы скрещивания на основных, секциях для линий крюкового,
смешанного и траверсного профилей приведены на рис. 6.35. На этих рисунках
схемы скрещивания цветных цепей указаны в числителе. Все остальные индексы
относятся только к стальным цепям, в скобках даны индексы для высокочастот-
ных цепей.
Эффективность скрещивания цепей. Влияние между скрещенными цепями
определяют, полагая, что при скрещивании проводов знак у электромагнитной
связи меняется на обратный, а абсолютная величина остается неизменной. Это
означает, что при оценке эффективности скрещивания не учитываются влияния
от конструктивных неоднородностей, а также косвенные влияния (через третьи
цепи и отражений).
Эффективность скрещивания на ближнем конце линии определяется следую-
щим образом. Допустим, что индекс взаимной защищенности между цепями ра-
вен 1, тогда эквивалентная схема взаимных влияний представляется схемой
294
3
7-7Z?
16- 32
(Г-/28)
1/2-}-32
8-1Б-6Ь
(Ь-в)
I 1-2~32-бЗ\
16-64 I
| (1~2-32~64\
8~32~64
8-16-32
(1-2-4-16)
Рис. 6.35. Типовые схемы
скрещивания для линий:
а) крюкового; б) смешанно-
го; н) траверсного профилен
-----------?-----------------------j------------j
2-4 1-128 1/2-1-32 \l-2-32-64
8~16~32’64 16-32 8-16-64 36'64
(2-4) (1-128) (4-8) \ (1-2-32-64)
16 I 8-64 ~ 4 j 8-16-32
1-4-16-32 I 2 |
8-16 16-64 8-32 8-32-64
(1-4-16-32) \ \(1-2-4-16) [(2-4'8-64) [
। 8-32 15-32-64 8-16 16~64
\(4-§-32) (1-4) (1-2) (4-16)
в)
рис. 6.36, где одна цепь скрещена по индексу I, а вторая не скрещена. Полагая
значение электромагнитной связи на ближнем конце Л;12 постоянным и одина-
ковым для каждого элемента скрещивания п длиной S, получим из (6.21) для
влияния между однородными цепями (см. § 6.3) следующее уравнение для тока
помех между скрещенными цепями, наводимого на ближнем конце цепи, подвер-
женной влиянию
(6.69)
где a=Yi+V2-
Так как J ---(1 — e“u5) то сумму (6.69) можно
(9-1) 5
295
Рис. 6.36. К расчету влияний на ближнем конце
линии между скрещенными цепями
представить:
W = - утр Но («) Л'г (<>)!(! - ^s) [ 1 - e^s +
Q~?aS _ _ в е“(«-2) е~( ) f.’Sj
(6,70)
Ряд в квадратных скобках (6.70) является знакопеременной геометрической
прогрессией, число членов которой четно и равно п—числу элементов скрещи-
вания, а ее знаменатель равен (— с~';5). Сумма членов этой прогрессии опреде-
ляется по известной формуле:
$„= (1—e-ff7:S)/( (1 • -с-''s) - (1—e-fi;)/(bCe-fiS).
Здесь / — «S —длина линии.
Подставляя значение Sri в (6.70), получим
0,5
20пД
= — 0,5 /10 (to)
(6.71)
или
(w) .V.2(w)
th
— ^2071 (W) th
(6.72)
где
НИЙ
^2073 ( W) — 6,5 Ло (^1 12 (W)
— ток помех от взаимных влия-
между однородными нескрешенны.ми цепями на ближнем конце линии [см. (6.21)].
Переходное затухание на ближнем конце линии между скрещенными цепя-
ми, дБ, определяется уравнением:
ДозМ W -г 20 ]g
— [Ло (ы) -р Хдз(,
(6.73)
• а
О
9
т
1 — е
где Л0(со)—переходное затухание между нескрещенными цепями; Лд5(со)—до-
полнительное переходное затухание, дБ, характеризующее эффективность скре-
щивания цепей по индексу 1.
296
Если индекс скрещивания равен т, то аналогично (6.73) получим
ЛОш5((0) =Д0(со)4 Ддгн5(ш)=До((в)-Ь20 1g 11 /th [(Ys+Ys)wS/2] I. (6.74)
При сложных индексах взаимной защищенности — т>, т2, .,переход-
ное затухание
(6.75)
где т2, . .т
При одинаковых цепях, когда у;~-у2~?, формула для расчета Дохпез(<’>), ДЬ,
принимает вид:
Л05рез<“) вЛо(ад) + S 20 lg i !- tg ';<!$ К (6.76)
Значение /4,v?!.s определяет эффективность скрещивания по индексу т.
Частотная характеристика эффективности скрещивания на ближнем конце
линии Линз является функцией параметра Т (6.76):
_ « / сh 2а mS — cos 2$mS
T = Xh’{mS— у —------ь . ;~Ко—(6.77)
* г сп 'amS -J- cos 2р//2о v
Из (6.77) следует, что эффективность скрещивания Д.-^s определяется
удвоенными значениями фазовых сдвигов сигналов в линии на максимальной
частоте — 2(LUI.v/nS.
При 2p„!dXfnS<n/2 значения cos2 7<1, 1 /7> I и Дд,пз>0, т. е.
эффект от скрещивания испей положительный.
В случае 2р.7Ш.>щЗ = п/2, когда cos 2f4j.r/nS~0, 7 = 1, эффект от скрещивания
цепей на максимальной частоте равен нулю.
Если 2р?П(,Л77/5>л/2, когда cos 2(3™.^$<0, 7>1, 1 /7< 1 т то эффект от скре-
щивания становится отрицательным, так как 4.Vns<0.
На основании полученных результатов можно определить максимально до-
пустимый индекс скрещивания при заданной максимальной частоте (длине вол-
ны KnitiV/im-ix) и значении S, при котором обеспечивается положительный эффект
от скрещивания цепей. Учитывая, что р = 2л/л и при условии 2B/hS>
>п/2, получим, что при
/??<X/8S (6.78)
обеспечивается положительный эффект от скрещивания цепей. Для удовлетворе-
ния условию (6.78) иногда применяют индекс скрещивания, равный 1 /2 (см.
рис. 6.35), что соответствует укорочению длины элемента скрещивания с двух
до одного пролета ВЛС.
Эффективность скрещивания на дальнем конце линии определяется анало-
гичными (6.74) — (6.76) формулами, поэтому вместо суммы (УгтТг) необходи-
мо подставить в них разность (у{—у2):
&1 резз(“) ~ 4~ - •• + (<*)’ (6.79)
297
где //г,. т2, ,,т„ — индексы взаимной защищенности цепей;
' и
л=20 Je
г*
(6.80)
случае влияния
*
скрещивания идеальных
J
Из (6.80) следует, что эффективность скрещивания цепей на дальнем конце
линии во много раз больше, чем на ближнем, так как (yi—Уг) (УгЦУг) •
между одинаковыми цепями (Yi—значение
а величина 5 ->оо. Это означает, что с помощью
?
одинаковых цепей можно устранить непосредственные
взаимные влияния, поэтому при определении результирующей помехи на даль-
нем конце линии составляющие этого влияния можно нс учитывать.
Результирующие переходные затухания на ближнем и дальнем концах ли-
нии. Эти влияния определяются с учетом всех составляющих: от непосредствен-
ных влияний между скрещенными однородными цепями, влияний от конструк-
тивных неоднородностей и косвенных влияний от отражений и через третьи
цепи. Суммирование этих влияний вследствие их случайного характера осуществ-
ляется по закону геометрического сложения.
Среднее значение результирующего переходного затухания на ближнем кон-
це воздушных линий связи между скрещенными цепями
Лрез(а) = — 10 1g [ю-0-1 л°₽ез s <w) + 10~0,1 Л«к("У (6.81)
где Aopeas (о)—среднее значение результирующего переходного затухания меж-
ду скрещенными цепями на ближнем конце однородной линии (см. ур-ние 6.75)
на частоте ш, дБ; ДОк(ш)—переходное затухание вследствие конструктивных
неоднородностей на частоте ю, дБ.
В (6.81) в отличие от результатов, полученных в § 6.4 при анализе влияний
между однородными нескрещенными цепями, учитывается составляющая влияний
от конструктивных неоднородностей. Это объясняется тем, что при увеличении
переходного затухания Л0ре35(щ) по сравнению с величиной Дс(ю) (см. ур-ние
6.75) возрастает относительная доля помех, обусловленных конструктивными
неоднородностями.
Для расчета Д0рез(й)) более удобно представить в виде
^ок (W) — ^0 "Ь -40кд (W) ?
где ,40((в) —переходное затухание между нескрещенными цепями, Докд(ш)—до-
бавочное к .40(со) переходное затухание, учитывающее влияние от конструктив-
ных неоднородностей. В этом случае окончательно получим:
J0pC3 (ы) = Л0(ш)~ 101g [10 0'1ЯДрез5(“>+ 10 «•Лжд’-Ц (6.82)
здесь Ло(<д) — переходное затухание на ближнем конце между нескрещенными
цепями, дБ; ЛдР€3з(<о)—добавочное результирующее переходное затухание за
счет скрещивания, дБ.
В (6.8!) значения Ло(«), ДДРе3з(со) и ДОхд(со) зависят от частоты, профиля
линии и взаимного расположения цепей. Добавочные затухания ЛДРезз((о) и
298
докд(<1>) могут изменяться в зависимости от указанных факторов не только по
величине, но и по знаку, т. е. принимать как положительные, так и отрицатель-
ные значения. В последнем случае результирующее переходное затухание между
скрещенными цепями становится меньше величины Д0(ю).
\ Из (6.82) следует также, что эффективность скрещивания цепей, оценивае-
мая по степени возрастания результирующего переходного затухания на ближ-
нем конце линии, ограничивается величиной дополнительного влияния от кон-
структивных неоднородностей ДОкд- Поэтому нецелесообразно выбирать чрезмер-
но сложные схемы скрещивания с малыми индексами, что приводит к удорожа-
нию стоимости строительства линии, так как уже при Дд Рез5>Докд-ф-(Ю ...
... 12) дБ результирующее переходное затухание практически определяется
только значениями Д0(оэ) и Докд(со).
При определении результирующего переходного затухания на дальнем кон-
це скрещенных цепей, дБ, необходимо в общем случае учитывать все состав-
ляющие влияния:
Рис. 6.37. Конструкции скрещиваний цепей:
а) пролетное при крюковом профиле; б) точечное при крюковом профиле; в) пролетное при
траверсном профиле; г) точечное скрещивание при траверсном профиле
299
где Л/тр.с((о)—защищенность от влияния через скрещенные третьи цепи;
А/Тр.н(со)—защищенность от влияния через третьи нескрещенные цепи.
При расчетах влияний между одинаковыми цепями Д/рез$((в) обычно на
несколько порядков превышает другие составляющие переходных затуханий и
первым членом суммы (6.83), как правило, пренебрегают.
Формулы для расчета значений составляющих влияний (6.82) и (6.83) для
типовых профилей цепей приведены в [5].
Скрещивание проводов осуществляется либо в пролете воздушной линии
(на длине двух пролетов), либо на ее опоре (на длине 18 ... 25 см). Первый
способ называется пролетным скрещиванием, второй — точечным.
В зависимости от того, как подвешены провода — на крюках или травер-
сах,— пролетное точечное скрещивание цепей конструктивно выполняется по-
разному. При крюковом профиле скрещивание цепей в пролетах производится
на Г-образных кронштейнах (рис. 6.37,о), а точечное — с помощью дугообраз-
ных кронштейнов (рис. 6.37,6). При траверсном профиле скрещивание в проле-
тах осуществляется с помощью подвесных крюков (рис. 6.37,8), а точечное
скрещивание — на накладных (рис. 6.37,г). Точечное скрещивание дает несколь-
ко более высокую эффективность скрещивания, так как не вызывает дополни-
тельного увеличения конструктивных неоднородностей. Пролетное скрещивание
приводит к заметному увеличению конструктивных неоднородностей, обычно
оно более экономично. Для снижения дополнительных неоднородностей направ-
ление вращения проводов при скрещивании в пролете должно производиться на
длине секции в одну и ту же сторону, что способствует выравниванию средних
расстояний между проводами цепей ВЛС.
Таким образом, вследствие того, что скрещивание цепей ВЛС практически
не снижает влияний от конструктивных неоднородностей (непосредственные слу-
чайные влияния) и через третьи цепи, диапазон рабочих частот ВЛС не превы-
шает 150 кГц.
6.11. ЗАЩИТА ЦЕПЕЙ СИММЕТРИЧНЫХ
КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ ОТ ВЗАИМНЫХ
ВЛИЯНИЙ МЕТОДОМ СКРУТКИ ЦЕПЕЙ
Провода цепей симметричных кабелей скручиваются, как из-
вестно, (см. § 3.4) в парную, двойную парную (ДП) или звезд-
ную скрутку. При парной скрутке возникает задача уменьшения
межгрупповых связей, а при звездной — внутригрупповых и меж-
групповых связей.
Основные мероприятия по уменьшению внутригрупповых влия-
ний, осуществляемые в процессе изготовления кабеля, состоят в
повышении качества и однородности изоляционных покрытий, а
также в выборе оптимальных значений шагов скрутки цепей. По-
вышение однородности изоляционных покрытий и их механической
жесткости позволяет уменьшить конструктивные неоднородности
в кабеле, а выбор оптимальных значений шагов скрутки обеспе-
чивает расположение проводников 1 и 2 цепей в звездной скрут-
300
Рис. 6.38. Правильное
расположение проводни-
ков цепей в звездной
скрутке
Рис. 6.39. Скрутка повивов
ке по вершинам квадрата (рис. 6.38). В этом случае системати-
ческие составляющие взаимных влияний в существенной мере ос-
лабляются, так как расстояния ^24 и величина
параметра Qc=ln (^13^24/^23^14)-^^ 1->0 (уравнения (6.30) и
(6.31)). Случайные составляющие электромагнитных связей меж-
ду цепями звездной скрутки обусловливаются конструктивными
неоднородностями производственного характера, а также косвен-
ными влияниями от отражений и через третьи цепи. В результате
внутригрупповые связи становятся зависимыми и от величины
шага скрутки, так как связи через третьи цепи в существенной
мере определяются расстояниями жил кабеля от экранов, метал-
лической оболочки, а также расположением соседних цепей.
Принцип ослабления межгрупповых электромагнитных связей
путем скрутки цепей аналогичен скрещиванию цепей воздушных
линий, но кабельная скрутка представляет собой равномерно рас-
пределенное скрещивание проводов по длине кабеля. При этом
для получения эффекта ослабления взаимных помех каждая ка-
бельная цепь должна скрещиваться с различным шагом скрутки.
Под шагом скрутки — h понимается длина, на которой изолиро-
ванная жила цепи (или группа) описывает полный круг по оси
скручивания. При малых шагах скрутки увеличивается физичес-
кая длина цепей, возрастают расходы материалов и диаметр ка-
беля. При больших шагах скрутки получается неустойчивая
(«рыхлая») конструкция кабеля. Для магистральных симметрич-
ных кабелей связи с диаметром жил 0,9... 1,2 мм оптимальный
диапазон шагов скрутки в группы составляет 100...300 мм, а
в повивы 400. ..500 мм. Каждый последующий повив скручива-
ется в обратную сторону по сравнению с предыдущим повивом
(рис. 6.39).
Шаги парной и звездной скрутки телефонных кабелей с диа-
метром жил 0,3 ... 0,9 мм и полиэтиленовой изоляцией выбираются
обычно в пределах 40... 100 мм. Жилы с воздушно-бумажной изо-
301
Рис. 6.40. Изменение расстояний между;
проводниками двух цепей на отрезке ка/
беля
ляцией имеют шаги примерно в
пределах 80 ... 250 мм. Цепи этих
кабелей скручиваются в повивы
в различную сторону. Изменение
направлений скрутки отдельных
повивов не только уплотняет
сердечник кабеля, но и уменьшает взаимные влияния между це-
пями различных повивов за счет увеличения средних расстояний
(а13, ^23, Й24), что приводит к приближению
к единице.
Подбор и согласование шагов скрутки кабельных групп в вы-
сокочастотных магистральных симметричных кабелях, в которых
число цепей и групп невелико (обычно 2, 8, 14) производится по
участкам, называемым секциями симметрии. На этом участке (Is)
осуществляется согласование шагов скрутки каждой группы кабе-
ля со всеми остальными группами.
На рис. 6.40 показано, как совершается полный цикл защиты
от систематических непосредственных влияний между двумя из-
ображенными на рисунке цепями на отрезке линии ls. В пределах
этой длины кабеля положение жил в парах по отношению друг к
другу, а вместе с тем и расстояния между жилами а^, а23, ^14, а24
постоянно меняются, причем в конце отрезка кабеля получается
такое же положение жил, как и в его начале. На втором и всех
последующих отрезках кабеля длиной /5 эта картина повторяется,
поэтому достаточно рассмотреть лишь одну секцию симметрии.
Из рис. 6.40 видно, что расстояния между цепями являются
функцией длины кабеля L При этом функция ai3(/z), взятая на
отрезке обнаруживает такие же изменения, как функция а2з(0
на отрезке Функция а}4(1) в интервале Г равна функции a24(/')
в интервале /л/. В середине секции защиты ls в точке А происхо-
дит взаимное изменение расстояний между жилами. Следова-
тельно, на участке кабеля длиной ls выполняется соотношение
между двумя функциями а13(1) а2^(1) ~а23(/) ФИО, в результате
чего систематические составляющие емкостных (/?.) и магнитных
(т) связей уменьшаются, особенно для непосредственных влия-
ний на дальнем конце кабеля.
Согласованные шаги скрутки групп, находящихся в любых по-
вивах, определяются из следующих выражений:
где //1 и Н-2 — шаги скрутки первого и второго повивов; /о — шаг
скрутки первой группы, расположенной в первом повиве; h2— шаг
302
скрутки второй группы второго повива; — число жил во второй
труппе; fci и fC2—коэффициенты скрутки первого и второго по-
Ъивов соответственно; V, U, W — любые целые числа.
\ Обозначая
\ =L; -----"Ы— =/г ; —------------= Ллг, (6.85)
\ Нл±Нг H^±hx д’ tf2fc2±»2
г
можно получить выражение для частичного периода скрутки:
lri^VL--^Uh^(W±l/N2)h^ ' (6.86)
Здесь /хд1 и йд2— действительные шаги скрутки. При расположе-
нии групп в одном повиве выражений (6.79) упрощается:
/л=.П/1д;===(Ж¥2±1)М^
(6.87)
Для получения оптимальной скрутки нужно правильно вы-
брать длину шага первой группы /тД1 и подобрать значения Ui и
Wi так, чтобы общая секция симметрии кабеля была равна за-
данной величине. Обычно стремятся выбрать секцию симметрии
кратную строительной длине кабеля или минимальной величине.
При этом неуравновешенная длина на каждой строительной дли-
не кабеля оказывается наименьшей, а эффект ослабления систе-
матических составляющих влияний наибольшим.
Длина секции симметрирования
k
ls = — TT Uh (6.88)
i=2
где n — число групп парной скрутки; m — число групп четвероч-
ной скрутки; Ui — нечетные целые числа, выбираемые так, чтобы
значения всех шагов скрутки находились бы в заданных пределах;
ан — общий наибольший делитель чисел
k k
в=ПЦ;.^. ±1).
i-2 i-2
Шаг симметрии будет минимальным при =
~alimax и Ui~Uimiri. Значение Ni задается конструкцией кабеля.
k
Таким образом, /с будет минимальным, когда—-—ТТ(7г- "1 и
i=2
^д! Йд1 mini т. е.
/crnin==/rA^n2(^2-). (6.89)
Определим, например, lSmin для семичетверочного кабеля при
т~\-1=7 и п = 0 Согласно (6.89):
U тпгп=:=Лд min2I2= 4096/l„ min-
303
На первый взгляд может показаться, что для обеспечения ми-
нимальной секции симметрии достаточно принять все числа
Однако при этом шаги отдельных групп будут либо постоянно
возрастать, либо уменьшаться с увеличением номера группы. При
значительном числе групп в кабеле это приведет к тому, что дли-
на шага скрутки выйдет за допустимые пределы. Для получения
наименьшей секции симметрии необходимо, как следует из (6.88),
значения VL брать нечетными, чтобы удовлетворить (6.89), так как
— число также нечетное.
Пользуясь полученными соотношениями, рассчитывают согла-
сованные шаги скрутки кабелей МКС 4X4 и МКС 7X4. При
этом для кабеля МКС 4X4 ограничиваются минимальным шагом
симметрии, а для кабеля МКС 7X4 — значением, кратным /сд.
При большом числе групп минимальная секция симметрии мо-
жет стать больше строительной длины кабеля. В этом случае под-
бор согласованных шагов скрутки для всех групп кабеля стано-
вится невозможен. Данная ситуация характерна для телефонных
кабелей. Например, при числе пар п = 20 и /?д — 0,1 и мини-
мальная длина секции симметрии Sm/7l = 220 и 7тп ж 106 • 0,1 = 105
и >/с.д. Поэтому при разработке конструкций телефонных кабе-
лей ограничиваются подбором шагов скрутки только для сосед-
них или близко расположенных цепей. Защищенность от взаимных
влияний между удаленными друг от друга цепями обеспечивается
за счет увеличения среднего расстояния между ними. Величина
переходного затухания между цепями при этом возрастает вслед-
ствие уменьшения параметра удаленности Q/ =In (^13^24/^23^)4)
(см. уравнение 6.31), увеличения экранирующего действия про-
межуточных цепей.
В настоящее время кроме классической равномерной скрутки
групп широко используется скрутка с переменным случайным ша-
гом, а также скрутка с так называемым SZ шагом (см. § 3.4).
Совокупность рассмотренных мероприятий по защите от
взаимных влияний между цепями телефонных кабелей, основан-
ных на целесообразном выборе шагов скрутки групп и систем
скрутки в повнвы, как правило, обеспечивает в тональном диапа-
зоне частот (до 4 кГц) требуемую нормами защищенность между
цепями, расположенными в различных группах, а также создает
возможность использования значительного количества цепей для
высокочастотного уплотнения (ем. § 6.13).
6.12. СИММЕТРИРОВАНИЕ
НИЗКОЧАСТОТНЫХ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
Симметрированием называется комплекс мероприятий, прово-
димых в процессе монтажа симметричных кабелей связи с целью
уменьшения взаимных влияний между цепями кабеля. В этот
304
комплекс входят методы взаимной компенсации влияний с от-
дельных участков линии (метод скрещивания цепей) и метод ос-
лабления влияния с помощью контуров противосвязей.
\ В кабелях низкой частоты (НЧ), используемых в тональном
диапазоне частот (до 4 кГц), преобладают, как было показано в
6.5, электрические (емкостные) связи, а магнитными связями
можно в первом приближении не считаться. Поэтому па коротких
участках кабеля взаимные влияния на ближнем и дальнем кон-
цах становятся одинаковыми и на первом этапе симметрирования
их ослабление осуществляется путем уменьшения только емкост-
ных связей.
Участки кабельной линии, на которых выполняется первый
эчап симметрирования НЧ кабелей, называется шагом симмет-
рирования. Длина шага симметрирования обычно не превышает
1,7 ... 2,0 км (для пупинизированных цепей кабеля он равен шагу
пупинизации, т. е. 1,7 км). Основной задачей ,симметрирования
низкочастотных кабелей является уменьшение взаимных влияний
между цепями, расположенными внутри четверки. Влияние между
цепями различных четверок (межгрупповые связи), как правило,
не превышает допустимых нормами значений (см. § 6.8). В от-
дельных случаях, когда значения емкостных связей между цепя-
ми различных групп оказываются выше допустимых нормами ве-
личин их уменьшают путем включения контуров противосвязи
между соответствующими цепями. Конечной целью симметрирова-
ния НЧ кабеля является обеспечение требуемой защищенности
от взаимных помех на ближнем и дальнем концах линии.
Симметрирование низкочастотных кабелей производится в три
этапа: внутри шагов симметрирования, при соединении шагов и
на смонтированном (усилительном) участке.
Основным способом уменьшения взаимных влияний между це-
пями низкочастотных кабелей на первом и втором этапах сим-
метрирования является скрещивание цепей. Как указывалось вы-
ше, при скрещивании цепей стремятся осуществить компенсацию
электромагнитных связей одного участка кабеля (Л) связями
другого участка кабеля (5) путем соответствующего соединения
жил цепей заданной четверки. Возможны восемь различных схем
соединения жил, представленных в табл. 6.5. Каждая из этих схем
условно обозначается оператором скрещивания, содержащим три
индекса. Первый индекс определяет способ соединения первой
цепи четверки (нумерация цепей производится со стороны /1), вто-
рой индекс — второй четверки и третий индекс — фантомной (ис-
кусственной) цепи, образованной из цепей 1 и 2. Индекс (•) со-
ответствует соединению цепей «напрямое», индекс (х) —соедине-
нию цепей со скрещиванием.
Значения коэффициентов связи и емкостной асимметрии свя-
заны с частичными емкостями между жилами кабеля (рис. 6.41)
следу ю щ и м и соот ношениями:
305
Таблица 6.5
Л Схема соеди- ! нения жил СХ i 0 X 1 н * Емкостные связи Емкостная асимметрия
ы» Si S с кабеля а х х {
Zb £ А Б CJ Q, 2? 8 с 5 ” | et
Связи
~ (Ci3-|-C2$)—• (ы4~гс2з)—между основными цепями в четверке;
(cu-f-Cn) — (£23-^24) —между первой основной и фантомной цепями;
^з= — (Ci4-j- c24) — между второй основной и фантомной цепями
Асимметрия
£i“(£io—£20) —первой цепи относительно оболочки;
£2= (£зо—£40) — второй цепи относительно оболочки;
£3= (£ю-ф£2о) — (£зо4~£4о)—фантомной цепи относительно оболочки
О - прямая муфта
Рис. 6.42. Схемы симметрирования НЧ
кабеля:
а) семиточечная; б) трехточечная; в) одно-
точечная
Рис. 6.41. Эквивалентная
схема образования емкост-
ных связей и асимметрии
внутри четверки
Из этих соотношений нетрудно установить закономерности ал-
гебраического суммирования емкостных связей и асимметрии для
различных операторов скрещивания, представленных в табл. 6.5.
Выбор оптимального оператора скрещивания при уменьшении
емкостных связей и асимметрии внутри секции симметрирования
осуществляется обычно* по критерию получения наименьшего
максимального значения связи и асимметрии в каждой симметри-
рующей муфте.
Скрещивание цепей внутри секции симметрирования (первый
этап) может осуществляться по семиточечной, трехточечной и од*
поточечной схемам (рис. 6.42). Схема скрещивания цепей обычно
задается проектом строительства линий. Выбор той или иной схе-
мы зависит от средних арифметических значений емкостных свя-
зей и асимметрий в отдельных строительных длинах, которые оп-
ределяются из паспортных данных. Семиточечная схема дает са-
мый большой эффект ослабления связей, но она является наибо-
лее трудоемкой.
Муфты, в которых производится симметрирование скрещива-
нием, называются симметрирующими; муфты, в которых осущест-
вляется симметрирование с помощью скрещивания и включения
компенсирующих конденсаторов, называются конденсаторными.
Муфты, в которых все жилы соединяются «напрямое», т. е. без
симметрирования, называются «прямыми».
При симметрировании по семиточечной схеме (рис. 6.42, а)
сначала монтируются симметрирующие муфты Д, затем симмет-
рирующие муфты Б и, наконец, конденсаторная муфта К, в ко-
торой симметрирование производится скрещиванием цепей. Оста-
* Возможны и другие критерии, например получение минимального зна-
чения остаточной связи на всей секции симметрирования.
306
307
точные связи компенсируются конденсаторами. В этой же муфте
с помощью конденсаторов осуществляется симметрирование смеж-
ных четверок.
По трехточечной схеме (рис. 6.42,6) вначале монтируются пря-
мые муфты а, 6, в, г, потом симметрирующие муфты Б и в конце
конденсаторная муфта К.
В случае одноточечной схемы симметрирования (рис. 6.42, в)
после монтажа всех прямых муфт осуществляется симметрирова-
ние скрещиванием и с помощью конденсаторов в муфте К.
Для обеспечения высокой эффективности симметрирования со-
единяемые в муфтах А, Б, В и К отрезки линии должны быть
примерно одинаковой длины.
Симметрирование цепей в каждой секции симметрирования
осуществляется в следующей последовательности.
1. Производят монтаж прямых муфт.
2. Измеряют прибором ЙЕА (см. § 10.6) в муфтах А семито-
чечной схемы скрещивания или Б и К значения связей и асиммет-
рий k2, k3 между цепями, расположенными внутри четверок,
соединяемых отрезков кабеля.
3. Измеренные значения связей и асимметрии записывают в
табл. 6.6 (с примером заполнения).
4. Пользуясь приведенными в табл. 6.5 формулами для опре-
деления результирующих связей, определяют значения результи-
рующих связей и асимметрии для каждого оператора скрещи-
вания.
5. В соответствующие графы табл. 6.6 заносят максимальные
значения остаточных связей для каждого оператора скрещивания
Таблица 6.6
Измеряе- мый пара- метр Результат изме- рения на стороне Результирующие связи при различных операторах
А « • е х^ XX , . X . х | X .X XXX X . X
Ся СО AJ луч *Qi J -30 60 45 —85 67 — 130 45 50 28 —70 83 200 15 110 73 —155 150 70 -75 10 73 — 15 150 70 15 10 17 -15 — 16 70 —75 110 17 — 155 -16 70 15 88 95 9 —3 —370 —75 32 95 — 168 —3 —370 15 32 г* - D — 168 137 —370 —75 88 —5 _9 137 —370
Максимальное значение остаточной связи и асим- метрии 110 150 75 150 17 70 110 155 15 370 95 370 32 370 88 370
Выбранный оператор сое- динения цепей XX.
308
и выбирают оператор скрещивания, при котором эти значения
минимальны.
Возможны случаи, когда этот критерий для значений k и е не
совпадает, т. е. по наименьшей максимальной величине емкостной
связи (/г(, /г3) следует выбрать один оператор скрещивания, а
по значению остаточной асимметрии (ei, ез) — другой. В этом
случае, как правило, предпочтение отдается критерию уменьше-
ния емкостных связей.
6. В соответствии с выбранным оператором соединяют провод-
ники, затем измеряют остаточные связи и асимметрию смонтиро-
ванных цепей.
7. Производят симметрирование скрещиванием цепей в данной
муфте остальных четверок кабеля.
8 Аналогичным образом уменьшают емкостные связи и асим-
метрию в других муфтах секции шага симметрирования.
9. В конденсаторной муфте вначале производят скрещивание
цепей соединяемых участков секции симметрирования. В случае
достижения допустимых значений емкостных связей и асиммет-
рии (табл. 6.7) симметрирование внутри секции заканчивается.
Таблица 6.7
Емкостная связь и асим- метрия fe5-fes fes~ fen е t— е в
Допустимое значение на секции скрещи- вания, пФ среднее 10 10 30 20 10 100 130
максималь- ное 20 20 80 60 30 300 400
Прим с ч а я и е. fe< — емкостная связь между искусственными цепями разных четве-
рок; k:> — fe.« — между основными и искусственными цепями разных четверок; fe.J—fei2—между
основными цепями разных четверок.
Таблица 6.8
Измеренные значения остаточных емкостных связей Емкости симметрирующих конденсаторов, пФ, которые необходимо включить между жилами
1—3 1—4 2—3 2—4
= —30 &2=4-20 — + 30 Суммарное значение Вычитаемая наименьшая величина ем- кости Величина емкости включаемых конден- саторов 15 15 10 5 15 15 10 5 10 Ю 10 0 15 10 15 40 10 30
309
Рис. 6.43. Схема включения симметрирующих
конденсаторов в кабельную четверку (к примеру
табл. 6.7)
10. Если остаточные связи превыша-
ют эти значения, их уменьшают путем
включения симметрирующих конденса-
торов. Симметрирование конденсаторами
осуществляется раздельно для емкост-
ных связей и асимметрии.
Пример симметрирования остаточных емкостных связей ка-
бельной четверки по результатам измерений k\, k2, приведен в
табл. 6.8.
Подбор симметрирующих конденсаторов выполняется следую-
щим образом. Из измерений (см. табл. 6.8) известно, что k\ —
=—30 пФ. Это означает (см. 6.93), что сумма частичных емко-
стей (щз+оО меньше Ди+Оз) ва 30 пФ. Включив между жи-
лами 1—3 или 2—4 конденсатор емкостью 30 пФ, доведем значе-
ние k\ до нуля. Однако, если конденсатор подключить лишь к од-
ной паре жил (/—3) или (2—4), то при этом изменятся величины
k2 и &з- Поэтому при симметрировании конденсаторы подключа-
ются к обеим парам жил (/—3) и (2—4) емкостью по 15 пФ.
Аналогично определяются значения и схемы включения конденса-
торов для ослабления &2 и д3. Далее вычисляют суммарные зна-
чения емкостей дополнительных конденсаторов. Поскольку сим-
метрия цепей не изменится при уменьшении емкости всех допол-
нительно включаемых конденсаторов на одинаковую наименьшую
величину, из суммарных значений емкостей' производится вы-
читание этого значения (в нашем примере 10 пФ).
На рис. 6.43 показана схема включения симметрирующих кон-
денсаторов для нашего примера. Такое уменьшение емкостей сни-
жает число включаемых конденсаторов.
Для симметрирования применяют специальные влагостойкие и
теплостойкие малогабаритные конденсаторы типа КТН-1 и КТН-2.
Конденсаторное симметрирование используется также для
уменьшения емкостных связей между четверками.
Второй этап симметрирования состоит в соединении секций
симметрирования между собой путем скрещивания цепей по кри-
терию достижения максимального значения переходного затуха-
ния. Двенадцать ближайших к станции секций скрещивания цепей
соединяются по результатам измерения переходного затухания на
ближнем конце линии. Остальные секции симметрирования соеди-
няют по результатам измерения на дальнем конце линии. Изме-
рения затуханий производятся на частоте 800 Гц.
В случае достижения заданных норм для усилительного уча-
стка переходных затуханий процесс симметрирования заканчива-
ется. Если значения переходных затуханий оказались ниже нормы,
о 1 О
о 1 О
Таблица 6.9
Этап симметриро- вания Измеряемый Параметр Способ симметрии рования Норма Место симмет- рирования
Внутри секции симметрирова- ния 1 сч СО •* 1 -Л 1 -се qj । Скрещивание Наименьшая величина Симметри- рующая муфта
/г,—£3) kf—й|2 «1, «2, вз Скрещивание и включение кон-: денсаторов См. табл. 6.7 Конденса- торная муфта
Соединение ша- гов симметри- рования Переходное за- тухание на ближнем кон- це Ас Скрещивание Наибольшее 12 муфт ближайших к станции
Переходное за- тухание на дальнем конце i (А) Скрещивание Наибольшее Все осталь- ные муфты
На смонтиро- ванном участке Переходное за- тухание на дальнем конце (Л/) Включение контуров про- тивосвязи Защищенность 61 дБ для двух проводных и 65 дБ для четы- рехпроводных си- стем передачи Усилитель- ная станция
то производится ослабление взаимных помех с помощью конту-
ров противосвязей, включаемых по концам усилительного участка
(см. § 6.15).
В табл. 6.9 приведены этапы симметрирования низкочастотных
кабелей.
6.13. МЕТОДИКА ОТБОРА ЦЕПЕЙ
ТЕЛЕФОННЫХ КАБЕЛЕЙ ГТС
ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ
ПЕРЕДАЧИ
Одним из главных направлений развития ГТС является обес-
печение высоких темпов роста числа телефонов, устанавливаемых
на сетях ГТС различного назначения. Решение этой задачи тре-
бует не только резкого увеличения емкости РАТС и их числа, но
и быстрого повышения пропускной способности сети ГТС. Эта
сеть объединяет между собой РАТС, МТС и узлы входящих и ис-
ходящих сообщений.. На ней в основном проложены низкочастот-
311
ные телефонные кабели типа Т и ТП емкостью 100... 1200 пар.
Основным средством повышения пропускной способности этих ка-
белей является организация по ним цифровых систем передачи.
В настоящее время для этой цели используется первичная система
ЦСП ИКМ-30, рабочий спектр которой составляет 2,05 МГн.
В перспективе на этих цепях могут использоваться и ЦСП типа
ИКМ-120 с шириной спектра 8 МГц.
Очевидно, что задачу отбора цепей для ЦСП нельзя решать
путем прямого измерения переходного затухания между всеми
цепями кабеля и выбора комбинаций цепей, взаимные влияния
между которыми удовлетворяют требуемой величине, вследствие
большого объема измерительных работ и трудностей, возникаю-
щих при определении оптимальной комбинации цепей, при кото-
рой их число будет максимально. Так, при емкости кабеля Л4 =
= 500 пар число необходимых измерений переходного затухания
0 = M(M—1) ~/И2=25 -10+ Поэтому методика отбора цепей для
ЦСП в телефонных кабелях должна обеспечивать получение не-
обходимого (или максимального возможного) количества уплот-
ненных пар при минимальном объеме измерительных работ.
Рассмотрим задачу ограничения объема измерительных работ.
Несмотря на случайный характер величин переходных затуха-
ний между парами телефонных кабелей в области высоких частот,
их значения группируются в зависимости от взаимного располо-
жения цепей в кабеле (параметра Qc, характеризующего прост-
ранственное разделение цепей). В качестве основного аргумента
переходных затуханий для этих кабелей принимается фактор
взаимного расположения цепей (пар). По данным измерений пе-
реходных затуханий между цепями кабелей Т и ТП на полутакто-
вой частоте ЦСП определяются средние значения переходных за-
туханий и среднеквадратические отклонения для различных
случаев расположения пар.
В табл. 6.10 приведены вышеуказанные параметры влияния
для кабелей типа Т и ТП различной конструкции на частотах
1 МГц (для ЦСП ИКМ-30) и 4 МГц (для ЦСП ИКМ-120). Для
всех случаев влияний значения Ло распределялись по нормально-
му закону. Полученные данные используются в качестве исход-
ных значений на первом этапе отбора пар для ЦСП.
Отбор цепей для высокочастотного уплотнения начинают с оп-
ределения требуемых переходных затуханий Лотр или Л/тр. Если
между рассматриваемыми РАТС проложен один' соединительный
кабель, то ЦСП организуется по однокабельной системе с встреч-
ным направлением передачи. В этом случае Лотр^ (24,7+101gAz +
+а/), дБ, где 24,7 — требуемая защищенность между трактами
ЦСП, /V — число цепей, уплотненных ЦСП, al—номинальное за-'
тухание регенерационного участка, равное 32 дБ для ИКМ-30 и
45 дБ для ИКМ-120. При наличии между РАТС двух кабелей
ЦСП организуется по двухкабельной системе передачи. При этом
312
Таблица 6.10
Расположение взаимовлнякяких пар, р>
Среднее значение переходного затухания
/1 дГ>, на частоте, МГц
Or*
1 4 Среднеквадра тнческое от- клонение + г* дБ
Кабель типа Т повивной скрутки
Смежные в одном повиве | Через одну пару в повиве | Через две пары в повиве Через три пары в повиве ' В смежных повивах 54 65 71 73 72 45 1 56 62 64 63 5,4 8,3 6,5 6,7 9,8
Через один повив Через два повива Через три повива /3 75 79 64 60 70 8,2 9 2 8,3
Кабель ТП пучковой скрутки
Внутри элементарного пучка (ЭП) В смежных ЭП Через один ЭП Через два ЭП В ЭП смежных повивов 65 69 84 88 /о 56 60 75 79 66 — С ! US CN Г- GC о ю Н-
В смежных главных пучках
Внутренний ЭП на внутренний Внешний ЭП на внутренний ЭП Внешний ЭП на внешний ЭП ЭП 96 92 79 87 83 70 5,5 5,1 5,6
Кабель ТП повивной скрутки
Смежные в одном повиве Через‘одну пару в повиве Через две пары в повиве Через три пары в повиве Смежные повивы Через один повив ! 53 65 73 74 68 75 48 54 64 65 59 64 4,7 г— f D 11J 7,4 7,2 5,2 5,6
нормируется переходное затухание на дальнем конце линии:
Д+ +24,7+101 gA'' дБ.
После определения Лотр (в дальнейшем будем рассматривать
методику отбора пар для случая встречного направления переда*
чи) осуществляют предварительный отбор пар для^ЦСП путем
сопоставления значений т|ц= (Доц — Дотр)/ом, где АОц и — со-
ответственно (среднее значение переходного затухания и средне-
квадратическое его отклонение для р-го варианта расположения
цепей (см. табл. 6.10).
Если значение т]м>2...2,5, то вероятность того, что измерен-
ное значение Доизм>Дотр, составляет 0,95... 0,99, т. е. она близ-
ка к единице. Это означает, что измерение До и отбор пар для
ЦСП в данном случае производить не надо, так как вероятность
313
Таблица б/7
15 10 15 *20 25 <7/7 55 4<7
того, что все пары при ц-м варианте их расположения в кабеле
будут пригодны для ЦСП, весьма велика. При этом возникает
лишь необходимость проверки числа этих пар в кабеле /\Д, кото-
рое должно быть больше или равно заданному значению yV.
Если т|м<2, то в случае невозможности увеличения ЛОц путем
изменения параметра ц (см. табл. 6.10), измеряют Ло между вы-
бранными парами и по измеренным данным определяют оптималь-
ную комбинацию пар, при которой число цепей для ЦСП будет
максимальным. Для этого данные измерений Ло (или Л/) пред-
ставляются в виде шахматной табл.-6.11 (таблица заполнена при-
мерными данными). Комбинации влияний, для которых защищен-
ность оказалась ниже нормы, отмечаются крестом. Номер
влияющей цепи измерений Ло из станции А (в случае однокабель-
ной системы связи) отмечается л о вертикальной стороне
табл. 6.11, а при измерении на станции Б — по горизонтальной.
При двухкабельной системе связи, когда отбор пар осуществляет-
ся по значению Л/, на вертикальной стороне таблицы отмечаются
314
Таблица 6.12
Шаг от- бора Цепь 1 Шаг от- । бора I Цепь
включен- ная в ком- бинацию для уплот- нения исключенная из ко- бинациия для уплот* нения | включен- ная в ком- бинацию для уплот- нения исключенная бинации для нения из ком уплот-
1 26 2, 6. 27, 31, 35 1 **? / 24 1 18, 37. 9
2 39 10, 34, 40 8 19 14
3 28 7, И, 25, 36 9 38 —
4 30 I 5, 8, 21, 29 10 20 16
5 22 4, 12, 15, 17 11 13
6 32 1, 3, 23, 33
значения влияний Ап/2, а по горизонтальной — влияния Л/2/i-
Число цепей, между которыми измерялось переходное затухание,
в примере табл. 6.11 равно 40. Значение параметра тщ для приве-
денного в табл. 6.11 распределения значений переходного затуха-
ния составляет примерно 0,75.
Поиск оптимальной комбинации уплотнения цепей производит-
ся по данным табл. 6.11, начиная с цепи, имеющей наименьшее
число «крестов» — т}. После выбора первой цепи из дальнейшего
рассмотрения исключаются (mj-pl) цепей, т. е. после первого шага
отбора цепей остается q\ = n—цепей. Затем выбирается
вторая и последующие цепи по критерию минимального числа,
исключаемые из дальнейшего рассмотрения цепей. После i-го ша-
га отбора число оставшихся цепей q, станет равным:
qx = n — I — •
Очевидно, что максимальное число цепей в выбранной комби-
нации уплотнения окажется в том случае, если при каждом шаге
отбора значения ггц, т2,...,/щ будут минимальны.
В табл, 6.12 показана последовательность отбора цепей, опре-
деленная для данных табл. 6.11, и найдена оптимальная комбина-
ция уплотнения кабеля, состоящая из 11 цепей.
Другим способом увеличения числа уплотняемых цепей явля-
ется уменьшение длины регенерационного участка, что приводит к
снижению требуемого значения переходного затухания Аотр или
А/тр и увеличению параметра тщ и числа уплотняемых цепей
[14, 26].
6.14. СИММЕТРИРОВАНИЕ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ
КАБЕЛЕЙ
Высокочастотные симметричные кабельные линии связи ис-
пользуются обычно по двухкабельной однополосной системе пе-
редачи. На этих линиях оборудуются аналоговые и цифровые си-
315
стемы передачи. Из АСП наиболее часто применяются системы
К-60 и К-60П, КАМА, К-120, работающие в диапазонах 12... 252
;И 12 ... 552 кГц. В настоящее время быстрыми темпами внедря-
ются ЦСП типа ИКМ-120 (диапазон частот 8,5 МГц) и ИКМ-480
(17,5 МГц).
Симметрирование высокочастотных кабельных линий осуще-
ствляется в основном для АСП. Для ослабления взаимных влия-
ний на усилительном участке используются: на ближнем конце
УУ — метод подбора строительных длин кабеля со значениями
А0(со) ^Ао1р для прокладки на концах УУ и концентрированного
симметрирования; на дальнем конце УУ — метод систематического
скрещивания цепей, скрещивания цепей с выбором оператора
скрещивания и концентрированного симметрирования. В необхо-
димых случаях в процессе строительства и эксплуатации кабель-
ных магистралей применяется компенсационный метод ослабле-
ния взаимных помех между линейными трактами кабельных ма-
гистралей на участках ОУП —ОУП.
Рассмотрим методику симметрирования ВЧ кабелей на даль-
нем конце УУ.
Для уменьшения влияний через третьи цепи кабеля при мон-
таже строительных длин в каждой муфте производят системати-
ческое скрещивание первой цепи четверки (оператор соединения
жил кабеля х..).
Скрещивание цепей с выбором оператора соединения жил ка-
беля осуществляется на смонтированном усилительном участке в
одной, двух или трех точках УУ (рис. 6.44) по критерию дости-
жения максимального или нормированного значения переходного
затухания на дальнем конце А/(со) между цепями каждой* четвер-
ки кабеля во всем диапазоне частот. Число точек скрещивания
цепей определяется проектом строительства и зависит от качест-
ва кабеля и системы передачи кабельной магистрали.
Эффективность метода скрещивания цепей определяется слож-
ностью частотных характеристик результирующих электромагнит-
ных связей симметрируемых участков линии, диапазонОхМ частот,
методикой проведения скрещивания и числом точек скрещивания.
Количественно эффективность скрещивания оценивается разно-
стью между значением А/((о)пр, соединяемых «напрямое» (опера-
тор...)— и значением АЦсо)Скр, полученным в результате скрещи-
вания цепей в заданном диапазоне частот или на одной частоте:
А/ (св) эфф — А/ (cd) скр—* А / (to) чр. (6.90)
Переходное затухание на дальнем конце УУ при выборе опе-
ратора скрещивания измеряется обычно прибором ВИЗ-300 или
ВИЗ-600 [38].
Возможны два основных способа проведения скрещивания.
Первый способ состоит в последовательном (поэтапном)
уменьшении влияний в каждой точке скрещивания линии. Напрн-
316
Рис. 6.44
Рис. 6.45
рис. 6.44. Схемы симметрирования ВЧ кабелей на усилительном участке:
а) трехточечная; б) двухточечная; о) одноточечная
Рис. 6.45. Частотные характеристики переходных затуханий на дальнем конце при
различных операторах скрещивания:
д) до скрещивания цепей; б) после скрещивания цепей при слабых косвенных влияниях;
я) после скрещивания цепей при сильных косвенных влияниях
мер, (см. рис. 6.44) при трехточечной схеме в точках /, 3, а за-
тем в точке 2. В каждой точке оператор скрещивания выбирает-
ся по критерию получения максимального значения ЛДщ) во всем
диапазоне частот для влияний 1/2 и 2/1. Число возможных ком-
бинаций соединения жил в кабеле, содержащем Nn четверок, со-
ставляет:
;Vn = 8(n— l)m, (6.91)
где п — число симметрируемых отрезков линии.
Например, при п = 2 и m—1 Л/п = 8, а при л = 4 и т = 4 —
= 96.
Второй способ симметрирования состоит в одновременном под-
боре операторов скрещивания во всех (гг—1) симметрирующих
муфтах. В этом случае число возможных комбинаций соединения
цепей определяется из уравнения
(6.92)
Например, при п=2 и m=l Nq—8, а при п = 4 и т—4 Л'0~
= 83-4 = 2048.
Из (6.90) и (6.91) видно, что' метод одновременного подбора
операторов потенциально обеспечивает более высокую эффектив-
ность ослабления взаимных помех вследствие большего числа
возможных комбинаций соединения жил кабеля, что увеличива-
ет вероятность нахождения оптимальной комбинации, т. е. ком-
бинации, дающей наибольший эффект ослабления помех. Однако
при этом существенно возрастает трудоемкость симметрирования
[см. (6.91), (6.92)].
Обычно на практике не ищут оптимальной комбинации соеди-
нения цепей, а ограничиваются достижением требуемой нормами
величины переходного затухания на дальнем конце, равного для
317
АСП ^4/(«)„р^73,8 дБ. В случае отрицательного результата пере-
бора всех комбинаций скрещивания, т. е. когда Аскр((о)<
<73,8 дБ, возникает вопрос о причине невозможности добиться
необходимой защищенности между цепями. Одна из этих причин
заключается в неправильно выбранной методике скрещивания це-
пей. Например, при малом п число опробованных комбинаций
скрещивания может оказаться недостаточным.
Другая причина связана с ограниченной эффективностью ме-
тода скрещивания цепей' уровнем косвенных влияний, которые,
как было показано в § 6.5, возрастают с увеличением длины ли-
нии и частоты значительно быстрее, чем непосредственные влия-
ния. Низкая эффективность ослабления косвенных составляющих
взаимных помех методом скрещивания цепей определяется
высокой скоростью изменения фазы токов помех косвенных
влияний с ростом (изменением) частоты (§ 6.5) и длины ли-
нии. В результате на длине усилительного участка эти составля-
ющие образуют через каждые 100... 120 кГц практически незави-
симые друг от друга случайные токи помех от косвенных влия-
ний. Поэтому становится невозможным подобрать комбинацию
операторов скрещивания цепей, которая обеспечивала бы ослаб-
ление косвенных влияний во всем рабочем диапазоне частот.
При этом АЧХ переходного затухания на дальнем конце ли-
нии принимает вид кривой с характерными узкополосными всплес-
ками значений А/(со).
На рис. 6.45 показаны типичные зависимости Аг(со), наблюдае-
мые при измерении защищенности в процессе скрещивания цепей
на УУ кабеля. Защищенность измеряется для каждой комбинации
скрещивания цепей. Цепи соединяются по заданной программе че-
редования операторов скрещивания с помощью специальных уст-
ройств — переключателей скрещивания монтажниками кабельной
линии, находящимися в котлованах, где расположены симметри-
рующие муфты.
Вначале обычно апробируется оператор соединения «напря-
мое». Если в этом случае непосредственные влияния между це-
пями достаточно велики, то кривая зависимости А/(со) имеет плав-
ный, убывающий с увеличением частоты характер (рис. 6.45,а).
Изменяя операторы скрещивания цепей, получают различные за-
висимости Л(ш), значения которых сопоставляют с А/((о)тр.
При операторах скрещивания, обеспечивающих ослабление
уровня непосредственных влияний до значений, сопоставимых с
уровнем косвенных помех, кривая зависимости Л(со) начинает
принимать волнообразный характер (рис. 6.45,6), что свидетель-
ствует об усилении доли косвенных влияний в результирующем
токе помех.
Наконец, в случае весьма сильного ослабления непосредствен-
ных влияний, когда результирующее значение А/((о)рез определя-
318
ётся в основном косвенными влияниями, кривая зависимости
ЙДсо) имеет вид, представленный на рис. 6.45,в. Уровень помех
при этом А(ю)скр определяет в основном верхнюю границу эф-
фективности метода скрещивания цепей.
Таким образом, при оценке причин недостаточной эффективно-
сти ослабления влияний методом скрещивания цепей следует ру-
ководствоваться оценкой частотной характеристики Аскр(&>) при
апробированных комбинациях скрещивания цепей.
Концентрированное симметрирование взаимных влияний меж-
ду цепями ВЧ кабеля осуществляется с целью ослабления взаим-
ных влияний на ближнем и дальнем концах усилительного участ-
ка, в случае если методом скрещивания цепей не удалось обеспе-
чить заданную защищенность между цепями, расположенными
внутри четверки, а также если значения защищенности между
цепями различных четверок не удовлетворяют заданным нормам.
Метод концентрированного симметрирования состоит в ком-
пенсации результирующих помех от взаимных влияний между за-
данными цепями с помощью включаемых между этими цепями
компенсирующих контуров (противосвязей).
Для получения максимального эффекта компенсации частот-
ная характеристика компенсирующего тока должна быть полно-
стью идентична частотной характеристике тока помех во всем ра-
бочем диапазоне частот.
Учитывая обычно весьма сложный характер АЧХ и ФЧХ
ПФВП (см. § 6.5), на практике ограничиваются более или менее
близкой аппроксимацией реальной характеристики взаимных
помех.
Рис. 6.46. Схемы вклю-
чения противосвязей при
концентрированном сим-
метрировании:
а) на ближнем конце и на
дальнем конце в одной точ-
ке; б) на дальнем конце в
двух точках
319
На рис. 6.46 показаны схемы включения противосвязей при
концентрированном симметрировании на ближнем и дальнем кон-
цах усилительного участка (рис. 6.46,а) при включении одной
противосвязи для компенсации влияния на дальнем конце
Лф(1й)). Данная схема применяется, когда влияния An/2(io))
, т. е. когда ПФВП на дальний конец определяются не-
посредственными влияниями и постоянные распространения цепей
71 —72- Включение двух противосвязей для компенсации влияний
на дальнем конце осуществляется при заметных различиях (yi^
^у2) постоянных распространения цепей. Противосвязи включа-
ются в муфтах, отстоящих от концов усилительного участка на
расстояниях /пр — -™“/уу (рис, 6.46, б).
3
Противосвязи для компенсации влияния на ближнем конце
включается обычно или в первой муфте от ближнего конца уси-
лительного участка, или в специально определенной по данным
измерений точке линии (х).
Вначале компенсируются влияния на ближнем конце, что по-
зволяет обеспечить независимую настройку противосвязей на
ближнем—[/Vnp(io))] и дальнем—[fnp(ito)] концах усилитель-
ного участка. Включение противосвязи frip(ico) в середине (или
на 1/3) усилительного участка не будет заметным образом изме-
нять ток помех на ближнем конце, поскольку возникающий при
этом паразитный ток ослаоляется на величину Ио << 1,
где I — длина усилительного участка, со и ct2 — километрическое
затухание 1 и 2 цепей соответственно.
В качестве противосвязей при концентрированном симметри-
ровании используются /?С-контуры, составленные из последова-
тельно соединенных емкостей и сопротивлений. В табл, 6.13 прим
ведены эквивалентные схемы противосвязей, их передаточные
характеристики, .годографы, а также область применения при
синтезе схем противосвязей.
Условие ослабления помех при концентрированном симметри-
ровании влияний на ближнем конце линии имеет следующий вид
(см. рис, 6.46):
?/уу (i со) -j- /Vnp (i co) e | । 7VTOn j ,
(6.93)
где jVyy(iw)—результирующая ПФВП на ближний конец линии;
ЛУр(ко)—передаточная функция противосвязи на ближний ко-
нец; а — точка включения противосвязи.
Как было установлено в § 6.5, годограф jVyy(ico) имеет вид
эпициклоидальной кривой обычно удлиненного типа. На комп-
лексной плоскости этот год огр a qb располагается в широком секто-
ре, часто охватывая все четыре Квадранта. Из табл. 6.13 следует,
что если годографы для всех комбинаций влияний Nyy(io) не вы-
ходят за пределы I—IV или III—II квадрантов, т. е. не пересека-
320
Таблица 6.13
Рис. 6.47. Методика подбора схемы и элементов при включении противосвязи:
а) на ближнем конце линии; б) на расстоянии а от ближнего конца
ют мнимую ось, то включение противосвязи может осуществлять-
ся непосредственно на ближнем конце линии. При этом исполь-
зуются схемы противосвязей 2 или 3. Синтез схем противосвязей
осуществляется с помощью специальных устройств, состоящих из
последовательно соединенных переменного магазина сопротивле-
ний от 0 до 100 кОм и переменного магазина емкостей от 3 до
200 пФ. Устройства снабжены ключами для образования различ-
ных схем противосвязей и муфтами с пружинными зажимами для
присоединения к жилам кабеля. Значения R и С подбираются
следующим образом. Схемы противосвязей (см. табл. 6.13) име-
ют плавные АЧХ и ФЧХ, что не позволяет с высокой точностью
аппроксимировать сложные годографы влияний (см. рис. 6.47,а).
Поэтому после измерения Ууу(1ш) производят выравнивание го-
дографа путем построения усредненной характеристики Azyy(i(o).
Последняя проводится таким образом, чтобы ее АЧХ и ФЧХ име-
ли бы плавный характер и разность между Ayy(i(o) и Ауу(1ю) —
— Руу(1ш)—Ууу(ico) | < |ЛгДоп(со) | во всем диапазоне частот или,
по меньшей мере, в диапазоне частот, где переходное затухание
между рассматриваемыми цепями не удовлетворяет норме
|ЛгдОП|. Схему противосвязи синтезируют так, чтобы годограф
противосвязи АПр(1<о)^ — Ууу(1о))-
В нашем примере — рис. 6.47,а — эта схема №2, состоящая из
R- и С-контура (см. табл. 6.13). Далее с помощью магазина со-
противлений и емкостей и прибора ИКС-600 подбирают значения
элементов противосвязи — /? и С.
Возможно также синтезировать элементы схемы противосвя-
зей в процессе измерения остаточной связи в соответствии с урав-
нением (6.87). В этом случае комплектом ВИЗ измеряют пере-
ходное затухание на ближнем конце при подключенном к соответ-
ствующим проводникам цепей кабеля устройстве для подбора
противосвязей (в нашем примере устройство включается к жилам
1—4 или 2—3). Подбор противосвязи начинают с минимальных
ее значений, т. е. при Rmax и Стг-П. Это позволяет избежать явле-
322
Ьия перекомпенгации влияний, когда модуль противосвязи стано-
вится больше модуля годографа ПФВП. При компенсации взаим-
ных влияний необходимо соблюдать принцип минимизации изме-
нения параметров кабеля при симметрировании для сохранения
Однородности структуры его цепей. Попеременно изменяя с каж-
дым циклом измерения переходного затухания прибором ВИЗ зна-
чения R и С, добиваются удовлетворения неравенства (6.93). По-
Оле монтажа схемы противосвязи в кабеле проверяют остаточную
^величину До(о)ост, которая должна во всем диапазоне рабочих
Частот удовлетворять неравенству До(о)^ДДОп-
Из рассмотрения изложенной методики компенсации взаим-
ных влияний и результатов их исследования в широком диапазо-
не частот (§ 6.5) нетрудно сделать вывод о том, что в общем слу-
чае эта методика не всегда может обеспечить решения поставлен-
ной задачи. Так, если диаметры «петель» и «завитков» годогра-
фов взаимных влияний на ближнем конце превосходят допусти-
мые значения остаточных связей, то с помощью используемых
схем компенсирующих устройств нельзя добиться требуемой сте-
пени ослабления помех. Данное положение часто встречается при
решении многих технических проблем. Подобные задачи относят-
ся к так называемым некорректным задачам. На основании про-
веденного анализа эффективности различных методов защиты це-
пей симметричных кабелей от взаимных помех можно сделать
вывод о том, что только в комплексе эти мероприятия (включая и
ограничение рабочего диапазона частот систем передачи), реали-
зуемые на всех этапах и фазах проектирования, изготовления,
строительства и эксплуатации кабельных магистралей могут обес-
печить надежное ослабление взаимных помех.
В частности, высокая степень однородности конструкций эле-
ментов кабеля, удачный подбор шагов скрутки, высокое качество
изготовления отдельных групп и сердечника кабеля гарантирует
относительно простой вид годографов ПФВП в определенном
диапазоне частот. При этих условиях метод концентрированного
симметрирования обеспечивает ослабления взаимных помех до
требуемого нормами значений.
Если угол поворота годографа ПФВП на ближнем конце пре-
вышает 180° и пересекает мнимую ось (рис. 6.47,6), включение
противосвязей необходимо осуществлять в некоторой точке а от
ближнего конца линии. При этом создается фазовый сдвиг ком-
пенсирующих токов, равный [Pi (со) + Р2(<о)]а=фПр(<о) &2$а.
Расстояние до точки включения противосвязи а определяется
следующим образом. После измерения между всеми цепями ка-
беля годографов влияния Хуу(1а>)ц определяют комбинации влия-
ний (р), неудовлетворяющие норме защищенности, и производят
оценку фазового сдвига годографов ПФВП для этих комбинаций
влияния. Затем определяют наименьший и наибольший фазовые
сдвиги при максимальной частоте сигнала — ФтшДйпш),
323
фтах (o)max) • ЕСЛИ рЗЗНОСТЬ^ фтах (сОтпах) tymin ((&тах) 180 , ТО
значение:
С1 = фггпп (сОщах) /2р ((j)max) - (6.94)
Выбор схем противосвязей и подбор элементов схем в точке а
осуществляются так же, как и в случае включения противосвязей
на ближнем конце линии (д = 0), но с учетом фазового сдвига в
линии, равного 2ар(со).
Концентрированное симметрирование влияний на дальнем
конце при включении противосвязи в одной точке (рис. 6.46,а)
применяется для компенсации влияний между цепями, располо-
женными внутри четверок и при малых косвенных влияниях.
В этом случае влияния 1/2 и 2/1 оказываются, примерно, одина-
ковыми, что позволяет с помощью одной противосвязи скомпенси-
ровать оба влияния.
Процесс концентрированного симметрирования влияния на
дальнем конце включает:
измерение и оценку годографов передаточных функций на
дальнем конце Xz(ico);
отбор комбинаций влияния, не удовлетворяющих заданным
нормам защищенности и имеющих примерно одинаковые годо-
графы влияний;
выбор по виду годографа ПФВП схемы противосвязи (см.
табл. 6.13);
подбор элементов схемы противосвязей по критерию достиже-
ния требуемой нормами защищенности на дальнем конце для
влияний 1/2 и 2/1;
монтаж схемы противосвязи в симметрирующей муфте и про-
верку защищенности между цепями.
Концентрированное симметрирование при включении двух
противосвязей Fnpl (iw) и Enp2(i(o) в точках усилительного участ-
ка, расположенных на расстояниях, равных 1/3 от концов линии
(рис. 6.46,6), позволяет получить различные значения противосвя-
зей для влияния 1/2 и 2/1:
Этот способ включения противосвязей применяется для
ослабления взаимных влияний между цепями различных четве-
рок, у которых
1 При несоблюдении данного условия противосвязи для комбинаций с
фш i п ('0)/пах)<180° включают непосредственно на ближнем конце линий.
324
Уравнение компенсации влияний для схемы рис. 6.46,6 имеет
вид, аналогичный (6.92):
| Fрез 1/2 (id)) + Fnp 1/2 (id)) | | ^доп | И
| Fpe3 2/1 (i&O 4~fnp 2/1 (iw) | ^ | ГДОп | *, (6.96)
|де Ррез 1/2 (ico) и Грез 2/i (io))—результирующие ПФВП на даль-
нем конце усилительного участка для влияния 1/2 и 2/1 соответ-
ственно; ГПр 1/2 (iw) и Fnp 2/i (ito)—передаточные функции компен-
сирующих токов или напряжений, определяемые (6.95).
Как и в ранее рассмотренном случае, уравнения (6.95) и
(6.96) не всегда удовлетворяются, т. е. опять встречается 'задача
некорректных неравенств, которая имеет решение лишь при ус-
ловии достаточного ослабления косвенных влияний между це-
пями.
Процесс подбора схем противосвязей FnPi (ico) и Fnp2(iw) в ос-
новном аналогичен изложенному выше. Отличие состоит лишь в
необходимости компенсации различных по фазовым сдвигам и
амплитуде влияний. Учет этих различий производится путем ис-
пользования фазовых сдвигов (fh—р2) и (р2—Pi) (см. уравнение
6.95) и соответствующих (6.96) изменений модулей противосвязей
Гпр 1/2 (id)) и Fnp 2/1 (id)).
Таким образом, эффективность метода концентрированного
симметрирования при включении двух противосвязей также огра-
ничивается уровнем косвенных влияний.
6.15. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД
ОСЛАБЛЕНИЯ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ
НА УЧАСТКАХ ОУП-ОУП
Метод используется на двухкабельных однополосных магист-
ралях с АСП при ослаблении взаимных влияний на дальнем кон-
це участка ОУП—ОУП. При необходимости он может применять-
ся и на более длинных отрезках кабельных магистралей протя-
женностью до переприемного участка. Сущность метода состоит
в ослаблении взаимных влияний между линейными трактами ка-
бельных магистралей путем включения на приемном конце участ-
ка ОУП—ОУП специальных компенсирующих устройств (КУ), в
которых синтезируются токи, компенсирующие токи помех.
Компенсационный метод ослабления помех по сравнению с
рассмотренными методами защиты от взаимных влияний позво-
ляет:
осуществлять ослабление помех без проведения работ на ли-
ниях, а также без закрытия действия связи на кабельной магист-
рали или с частичным ее закрытием;
обеспечить ослабление как непосредственных составляющих
влияний, так и косвенных влияний;
325
резко сократить трудоемкость работ по ослаблению взаимных
помех;
создать возможность повышения степени уплотнения цепей ка-
бельных магистралей, за счет повышения эффективности подавле-
ния взаимных помех;
повысить эффективность системы эксплуатации кабельных ма-
гистралей путем создания возможности обеспечения требуемой
Рис. 6.48. Структурные схемы компенсирующих устройств, устанавливаемых на
ОУП-ОУП: ‘
а) и б) с расчетом элементов схемы на ЭВМ; в) с использованием аппаратурно-итераци-
онного метода
326
|||ци1ценности между трактами без закрытия действия связи по-
сле оборудования кабельных вставок на линии при ее ремонте
Влслучае повреждения кабеля и других причин, приводящих к на-
рушению системы симметрирования цепей.
В На рис. 6.48 показаны схемы включения компенсирующих уст-
||йств и четырехполюсников противосвязей между взаимовлияю-
трактами [15, 25]. Параметры четырехполюсников /члр(1(в)
подбираются таким образом, чтобы остаточная (разностная)
Цфвп во всем диапазоне рабочих частот удовлетворяла усло-
жню:
п
j F^oct 0 ^>) | — | Fp,pe3 (i CO) 2 ^vnp (i &)) ] ^Faon((j)), (6.97)
V = 1
где FgocT(ito)—остаточная (разностная) ПФВП после компенса-
ции ц-й комбинации влияния; рез (io) — результирующая
ПФВП на дальнем конце участка ОУП—ОУП ц-й комбинации
влияния; Fvnp(iw)—передаточная функция v-й противосвязи,
обеспечивающей ослабление р-й комбинации влияний, FAon((o) —
допустимая нормами величина связи между трактами.
Для обеспечения возможности выполнения условия (6.96) в
^схемах противосвязей компенсирующих устройств вводятся но-
Шые по сравнению с методом концентрированного симметрирова-
ния четырехполюсники и двухполюсники противосвязей FVnp(iw),
изменяется структурная схема их включения и на входе КУ уста-
навливается однонаправленное устройство — входной усилитель.
Входной усилитель противосвязи предназначен для независи-
мого подавления комбинаций влияния первого тракта на второй
(влияние 1/2) и второго тракта на первый (влияние 2/1). Этим
реализуется так называемое «условие автономности» синтеза схем
противосвязи. Усилитель пропускает компенсирующий ток толь-
ко от данного влияющего тракта к тракту, подверженному влия-
нию, в результате чего влияния 1/2 и 2/1 между цепями компен-
сируются автономно. Кроме этого, при компенсационном методе
ослабления помех вместо одной противосвязи, используемой при
концентрированном симметрировании, параллельно могут вклю-
чаться несколько (и) противосвязей, что позволяет обеспечить
ослабление как непосредственных, так и косвенных связей.
; Компенсирующие элементы контуров противосвязей синтези-
руются двумя основными способами: расчетным, с применением
ЭВМ [25] (рис. 6.48,а и б), и аппаратурно-итерационным, осу-
ществляемым на ОУП (рис. 6.48,в) с применением специальной
измерительной аппаратуры [15] ИКС-600 и ДИП-552.
Аппаратурно-итерационный метод синтеза схем противосвя-
зей представляет собой систему регулирования с переменной
структурой, в которой плавно или скачкообразно изменяются па-
раметры отдельных блоков схем противосвязей, появляются но-
327
вне звенья, переключаются взаимные связи между ними в зави-
симости от имеющейся информации о характере взаимных влия-
ний.
Автономность (независимость) подстройки параметров схем
противосвязей достигается за счет ортогональности передаточных
частотных характеристик схем противосвязей [15].
Основные схемы противосвязей, их передаточные характери-
стики и методика ослабления взаимных помех приведены в [15].
Среднее значение эффективности ослабления взаимных влия-
ний на участках ОУП—ОУП составляет 10... 12 дБ.
6.16. ЗАЩИТА ОТ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИИ
ТРАКТОВ ЦСП И КОМБИНИРОВАННЫХ
СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ (КСП)
В настоящее время осуществляется внедрение на симметрич-
ных кабельных линиях связи ЦСП типа ИКМ-120 и ИКМ-480, что
позволяет в 2... 6 раз повысить пропускную способность цепей
КЛС. Процесс внедрения ЦСП происходит путем постройки но-
вых КМ или полной реконструкции КМ с применением только
ЦСП либо путем частичной реконструкции КМ, когда лишь часть
трактов переводится на ЦСП, а остальные тракты работают с ис-
пользованием АСП типа К-60П. Подобные системы передачи на-
зывают комбинированными (КСП). На ряде КМ оборудуется
особый вид КСП, при котором один из трактов КМ используется
для АСП с высокой пропускной способностью (например,
К-1020С), а остальные тракты — для систем передачи К-60П. По-
добные системы будем называть комбинированными аналоговыми
системами передачи (КАСП) или экстремальными системами пе-
редачи (ЭСП).
Остановимся на защите КАСП от взаимных влияний. Органи-
зация в кабеле только одного широкополосного тракта снимает в
основном проблему его защиты от взаимных помех, так как в ка-
беле нет других трактов с совпадающим спектром.
Для оценки возможностей КАСП рассмотрим в качестве при-
мера основные параметры передачи и влияния кабеля МКС-4Х
Х4Х1,2 в области высоких частот. Волновое сопротивление и
групповое время задержки цепей кабеля в диапазоне частот 1 ...
...40 МГц практически не зависят от частоты. Средние значения
затухания кабеля в диапазоне 1 ... 40 МГц приведены в табл. 6.14.
Средние значения переходного затухания на ближнем конце
для кабеля МКС-4Х4ХЕ2 приведены в табл. 6.15.
Из данных табл. 6.14 и 6.15 можно установить верхнюю грани-
цу диапазона рабочих частот КАСП, которая ограничивается зна-
чениями строительной длины кабеля МКС и минимального пере-
328
Га б л и ц a 6.14
«'-.A <• •
fey R Частота, МГц 1 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
£= Д |атухание, |Б/км •J’.’*. 5,4 11,1 16,0 18,9 23,3 26,4 29,2 31,9 34,4 36,8 39,1
Таблица 6.15
Частота f, МГц 1 4 8 16 32 40
До, внутри четверки, дБ 70 53 39 36 34 32
между четверками, дБ 78 60 44 40 38 36
ходного затухания на ближнем конце Д0(о>)т/л. Значение Aomin
определяет уровень линейных шумов, наводимых на входе усили-
теля, вследствие двойного перехода выходного сигнала через со-
седние цепи (рис. 6.49,а). Полагая, что уровень этих помех дол-
жен быть ниже уровня полезных сигналов на величину А3.Тр, по-
лучим следующую формулу для определения допустимого макси-
мального значения коэффициента усиления НУП
Smax^2X07nZn—101g(n— 1)— Дз.тр. (6.98)
Если значение оказывается ниже требуемого, возникает
необходимость увеличения минимального переходного затухания
на ближнем конце Aomin. Эту величину можно повысить путем
монтажа тракта широкополосной системы с переходом из кабеля
одного направления передачи в кабель другого направления. Как
видно из рис. 6.49,6, подобный монтаж уменьшает число путей пе-
рехода выходных сигналов усилителя на его вход. На рис. 6.49,в
показан другой способ увеличения за счет введения обрат-
ной связи, представляющей собой компенсирующий помехи кон-
тур. На зоновых сетях внедряются КАСП, сочетающие системы
К-60 и К-Ю20С. Возможно сочетание аналоговых систем переда-
чи и с большим числом каналов.
В настоящее время осуществляется массовое строительство
симметричных высокочастотных КМ с установкой аппаратуры
ИКМ-120. При двухкабельной системе передачи обычно не возни-
кает серьезных проблем, связанных с защитой трактов ИКМ-120
от. взаимных помех. Из рассмотренных выше мероприятий по за-
щите цепей ВЧ кабелей от взаимных влияний для ЦСП ИКМ-120,
как правило, достаточно ограничиться систематическим скрещи-
ванием цепей в каждой муфте кабеля. В отдельных случаях, на-
пример, при установке аппаратуры ИКМ-120 на КМ, находив-
шейся длительное время в эксплуатации (АСП К-60П), или в слу-
329
Рис. 6.49. Схема влияний помех с выхода на вход усилителя КМ при организа-
ции комбинированных систем передачи АСП и ЦСП (а) и их компенсация с по-
мощью обратной связи (в) и путем перевода цепей в различные кабели двухка-
бельной системы (б)
чае использования ИКМ-480, применяются методы скрещивания
цепей в одной или двух точках регенерационного участка с выбо-
ром оператора скрещивания по критерию достижения требуемой
защищенности между цепями на полутактовой частоте. В случае
использования ИКМ-480 могут применяться методы, основанные
на отборе цепей по данным измерений ЛДсо) для организации
трактов ИКМ-480 или методы сокращения длины регенерацион-
ных участков с целью увеличения защищенности на дальнем кон-
це РУ.
В практике реконструкции КМ нашли широкое применение
методы постепенного перевода действующих КМ с АСП типа К-60
на ЦС-П типа ИКМ-120. В результате образуются временные ком-
бинированные системы передачи, состоящие из аналоговых си-
стем типа К-60П и цифровых систем типа ИКМ-120. Эти КСП в
конечном^ счете будут переоборудованы в чисто ЦСП, однако дан-
ный процесс наиболее экономично осуществляется при постепен-
ной замене устаревшей аппаратуры К-60П новой аппаратурой
ЦСП. Вследствие этого на ряде кабельных магистралей в тече-
ние длительного времени по одним цепям кабеля работает аппа-
ратура АСП (К-60П), а на других — аппаратура ЦСП
(ИКМ-120).
В данном режиме работы кабельных линий возникает задача
оценки взаимных влияний между аналоговыми и цифровыми си-
стемами передачи и разработки рекомендаций по их защите. Ре-
шение этих задач во многом определяет темпы и экономичность
внедрения ЦСП на существующей сети симметричных кабелей.
На рис. 6.50 показана схема взаимных влияний между систе-
мами ЦСП и АСП, когда на одной цепи кабеля установлена ап-
330
Рис. 6.50. Схема влияний на дальний конец ЦСП на АСП
паратура К-60П, а на другой — ИКМ-120. Длина усилительного
участка К-60П составляет 16... 20 км, а длина регенерационного
участка ИКМ-120 — 4... 5 км. Нетрудно убедиться, что влияние
^систем К-60П на системы ИКМ-120 пренебрежимо мало, так как
защищенность между цепями кабеля МКС в диапазоне частот
12 ... 252 кГц превышает 60 ...65 дБ. Влияние ИКМ-120 на систе-
мы К-60П создает в каналах ТЧ помехи невнятного шума, уро-
вень которых оказывается близок к предельно допустимым значе-
ниям. Это объясняется тем, что влияния сигналов аппаратуры
ИКМ-120 на тракты К-60П возрастают вследствие нарушения си-
! стемы симметрирования кабеля на усилительном участке аппара-
туры К-60П, накопления помех от каждого РУ аппаратуры ЦСП
по всей длине линии КСП, а также увеличения среднего уровня
влияющих полей аппаратуры ЦСП по сравнению с трактами
К-60П, Наименьшее значение защищенности (отношение сиг-
нал-шум) будет очевидно на последнем (четвертом) отрезке уси-
лительного участка К-60П, где уровень сигналов К-60П мини-
мальный и средний уровень помехи наибольший, т. е. Лз1.>Л32>
Al3 3-> Ч/34-
Уменьшение мощности невнятного шума в каналах ТЧ можно
добиться следующими мероприятиями: применением линейного
сигнала ЦСП с меньшими значениями спектральной плотности в
области низких частот; снижением амплитуды импульса в ЦСП;
включением корректирующих фильтров высоких частот на выхо-
де регенераторов для уменьшения спектральной плотности сигна-
ла ЦСП в диапазоне эффективно передаваемых частот АСП; со-
кращением длины усилительного участка АСП (на этапе проекти-
рования); симметрированием кабеля в диапазоне частот АСП на
отдельных регенерационных участках, прилегающих к приемному
концу НУП; компенсацией помех от последнего прилегающего
к ОУП участка.
331
6.17. ЗАЩИТА КОАКСИАЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
ОТ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ
Передача информации по многокоаксиальным кабельным ма-
гистралям осуществляется по однокабельным однополосным си-
стемам связи, что обусловливает очень высокие требования к нор-
мам на переходные затухания между коаксиальными парами на
ближнем конце кабеля (см. § 6.8). В § 6.6 были получены урав-
нения для расчета средних значений частотных характеристик пе-
реходных затуханий на ближнем и дальнем концах кабеля. При
числе коаксиальных пар в кабеле более двух необходимо учиты-
вать добавочное экранирующее действие, обусловленное возра-
станием числа коаксиальных пар, заключенных в общую метал-
лическую оболочку. С учетом этого эффекта переходное затуха-
ние, дБ,
А (ш)кк = 201g I 2Z3Z,'p/Zf2|.
И
А, = 201g | Z3ZB n/Z2i21 |
(6.99)
(6.100)
где ZB —волновое сопротивление; Z3— полное продольное сопро-
тивление’третьей цепи; Zi2 — сопротивление связи (6.54); у — по-
стоянная распространения коаксиальной цепи; I — длина линии;
п —число коаксиальных пар в кабеле.
Рассмотрение формул (6.99) и (6.100) показывает, что величи-
на Аокк при /^300 кГц всегда больше А; Кк.. Действительно, строи-
тельная длина кабеля /с.д —0,3... 0,6 км, т. е. 1//^3,5, а значение
I |/>0,змгц> 12. Поэтому в дальнейшем анализ путей защи-
ты от взаимных влияний между коаксиальными парами будет
проведен для Л;кк(ш)5 так как Ао кк (to) /с.д>А кк (со) /с.д при
^300 кГц.
Из уравнений (6.93) и (6.94) следует, что увеличение AZKK(to)
возможно путем уменьшения Zi2 или возрастания Z3 (ZB и у оп-
ределяются конструкцией коаксиальной пары). Повышение Z3
осуществляется с помощью наложения на коаксиальные пары
экрана из двух стальных лент толщиной 0,15 мм и шириной 10мм.
Экраны накладываются спирально на внешний проводник коак-
сиальной пары в одинаковом или противоположных направлениях.
Экраны приводят к возрастанию внешней индуктивности А3 вслед-
ствие увеличения магнитной проницаемости среды (цст100).
Значение Аз при наличии экрана определится аналогичным (6.64)
уравнением, Гн/км:
Азэ-4цсЦп [(гз+М/г3]10Л (6.101)
где с — внешний радиус внешнего проводника коаксиального ка-
беля; /ст — толщина экрана; цст—100 — относительная магнитная
проницаемость экрана.
332
Значение сопротивления связи Zi2 также изменится по срав-
нению с (6.54) вследствие появления экрана:
Zli3 =-- Z12Lz/(Lz4-L,) = JV.A/2*{Lz + L9)V77„ (6.102)
Уде N\2 — параметр, табулированный в табл. 6.2; г2 и гз—внутрен-
Вйй и внешний радиусы внешнего проводника;
Lz-= (рст4лг3/ст//12) • 10“4 (6.103)
jin-продольная индуктивность третьей цепи, Гн/км; h — шаг нало-
жения экранных лент;
^-2Иэ1п[(гз+МЛз]-10-4 (6.104)
внутренняя индуктивность третьей цепи, Гн/км.
Наличие стального экрана увеличивает переходное затухание
не менее чем на 30... 50 дБ во всем используемом диапазоне ча-
стот.
Как указывалось в § 6.8 (см. табл. 6.3) для многокоаксиаль-
ных кабельных линий связи обычно нормируется переходное зату-
хание между коаксиальными парами при частотах 300 и 60 кГц
на строительной длине кабеля, а не на усилительном участке.
6.18. ЗАЩИТА СВЕТОВОДНЫХ ТРАКТОВ
ОТ ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ
Как отмечалось в § 6.10, взаимные влияния между световода-
ми оптических кабелей вследствие самоэкранирования направля-
ющей системы, образуемой ОВ, весьма незначительны и носят в
основном случайный характер. Эти влияния еще более ослабля-
ются вследствие экранирующего действия защитных покрытий из
полиамидных смол, фторопласта, селиковых резин, полиэтилена
и других синтетических материалов, предназначенных в основном
для усиления механической прочности ОВ, их защиты от внеш-
них воздействий, улучшения температурных характеристик пара-
метров передачи ОВ, облегчения технологии изготовления ОК и
монтажа ОВ. Одновременно эти защитные оболочки, а также
раздельное размещение ОВ в оптическом кабеле повышают за-
щищенность оптических трактов от взаимных помех. Для оценки
степени дополнительной защиты световодных трактов от взаим-
ных помех определим прохождение волны через систему «оболоч-
ка— покрытие». Рассмотрим наиболее неблагоприятную с точки
зрения взаимных влияний конструкцию оптического кабеля, ког-
да ОВ скручены в повивную скрутку так, что расстояние между
ними определяется двойной толщиной защитного покрытия (рис.
6.51), а передача сигналов осуществляется во встречных направ-
лениях.
333
Рис. 6.51. Схема расположения оптических во-
локон в оптическом кабеле
Если защитные покрытия ОВ со-
прикасаются друг с другом (наиболее
неблагоприятный случай), то электро-
магнитная волна при прохождении че-
рез защитное покрытие пройдет через
две границы отражения: оболочка ОВ I (л2) — покрытие (ц3); по-
крытие (пз)—оболочка ОВП (л2). Здесь п— показатель преломле-
ния среды ц=уес. В защитном покрытии затухают электромагнит-
ные волны вследствие поглощения энергии — ,/Vn, и возникают до-
полнительные потери за счет взаимодействия многократно отра-
женных волн 2Votp- Таким образом,
Л^рез“ЛГ 13,
(6.105)
где 7V13 и N32 — коэффициенты ослабления поля вследствие отра-
жения.
Основное ослабление влияющей волны происходит за счет
поглощения энергии в защитном покрытии, величина которого оп-
ределяется из выражения
Л; = io-°-OSln2Zn = ю-°-1а<Л (6.Ю6)
где ап — 8,69x6/2 = 8,69лбц3/Л, дБ/м; (6.107) б — угол диэлектри-
ческих потерь материала диэлектрического покрытия; /п — толщи-
на защитного покрытия ОВ; х=2л/л— волновое число; л— дли-
на волны, м; Из — показатель преломления покрытия.
Для оценки значения рассмотрим пример расчета защит-
ного действия внешнего покрытия, обусловленного поглощением
энергии поля.
Пример 6.3. Определить защитное действие покрытия между соседними ОВ,
расположенными в кабеле с повивной скруткой при следующих значениях пара-
метров покрытия ОВ: л3—1,5; /л —0,5 мм; л=1,3 мкм; 6=5Х10~3.
Решение. 1. Определим коэффициент затухания электромагнитной волны
в материале защитной оболочки:
ап
8,69тс8п3 8,69.3,14-5-10-3.1,5
—------1=.^------:------------— = 157,42-103
Л 1,3-10—6
дБ/м.
2. Вычислим затухание поглощения в двойной толщине защитной оболочки:
Дп = 2/пап—157,42 дБ.
3. Находим значение Ап:
ЛД—10~15’7^0,2-10“15.
Вывод: защищенность, создаваемая защитным покрытием, достаточна для
организации встречного направления передачи ЦСП и АСП по волоконно-опти-
ческим линиям связи (см. табл. 6.3).
334
'контрольные вопросы
1. В чем состоит п^рблема электромагнитной совместимости линий связи?
2. Дайте определений основных параметров взаимных влияний: коэффициентов
емкостной и магнитной связи, переходных затуханий и защищенности между
цепями, передаточных функций взаимных помех.
3. Сформулируйте основные выводы уравнений влияний между цепями одно-
; родных симметричных ушний связи.
4. Что такое непосредственные и косвенные влияния между цепями?
5. Объясните различия частотных характеристик параметров влияния на ближ-
нем и дальнем концах це^ей? -
6. В чем состоят особенности влияний между цепями воздушных линий связи?
7. Сформулируйте основные особенности влияний между цепями симметричных
кабельных линий связи на 'ближнем и дальнем концах цепей и в различном
диапазоне частот. \
8. Как возникают влияния между коаксиальными цепями и каковы их частот-
ные характеристики?
9. Особенности взаимных влияний в оптических кабелях.
10. Какие действуют нормы переходных затуханий между цепями различных ли-
ний связи? Объясните причины различия этих норм в зависимости от систем
передачи и типа линий связи.
11. Сформулируйте основные меры защиты цепей линий связи от взаимных
влияний.
12. Основные принципы защиты воздушных линий связи от взаимных влияний.
Эффективность скрещивания и влияние конструктивных неоднородностей на
ее значение.
13. Методы и этапы симметрирования низкочастотных телефонных кабелей.
14. Основные принципы теории подбора согласованных шагов скрутки.
Д5. Методика отбора цепей телефонных кабелей ГТС для высокочастотных си-
стем передачи.
16. Симметрирование высокочастотных кабелей связи.
17. Компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках ОУП —
ОУП.
18. Особенности защиты от взаимных влияний цепей симметричных кабельных
линий связи с различными системами передачи.
19. Меры защиты коаксиальных цепей от взаимных влияний.
20. Защита световодных трактов от взаимных влияний.
Глава 7. ЗАЩИТА СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ
ОТ ВНЕШНИХ ВЛИЯНИЙ
И КОРРОЗИИ
ТЕОРИЯ влияния
7.1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ
И ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ВЛИЯНИЯ НА ЦЕПИ СВЯЗИ
Источниками внешних электромагнитных влияний на цепи связи
являются линии электропередачи (ЛЭП), электрифицированные
железные дороги (эл.ж.д.), мощные радиостанции (PC), атмо-
335
Рис. 7.1. Электромагнит-
ное/влияние за счет по-
лей:
а )/ по п ереч но го; б) продоль-
ного
сферное электричество, индустриальные / помехи, электрифициро-
ванный городской транспорт и т. д.
Электромагнитное поле помех в обйем виде может содержать
все компоненты как поперечные (Е^ и так и продольные
(Ez и Hz). Поперечное электромагнитное поле, силовые линии ко-
торого расположены в плоскости, перпендикулярной направлению
передачи сигналов, проявляется при асимметрии в расположении
проводников в поперечном сечении кабеля. Продольное электро-
магнитное поле связано с наличием индуктивности и конечной
проводимости металла проводников и проявляется при продольной
асимметрии проводников между собой, а также проводников от-
носительно земли (оболочка — земля). .Поперечные компоненты
поля превалируют в процессах взаимных влияний между цепями
связи; продольные компоненты обусловливают мещающее воз-
действие посторонних источников влияний.
Взаимные влияния проявляются (рис. 7.1,а) в цепях, находя-
щихся в непосредственной близости друг от друга (Ьяа), и по-
мехи обусловлены поперечной асимметрией в расположении про-
водников влияющей и подверженной влиянию цепей (ai3=/=^24^
Здесь действует поперечное электромагнитное поле,
создающее ток помех /ПП~Л7 In [^136z24/(^14^23) ]-
При внешних влияниях (рис. 7.1,6) источники помех, как пра-
вило, находятся далеко от цепей связи (6^>п), и разница в рас-
стояниях между проводниками ничтожна, т. е. влияние за счет
поперечной асимметрии проводников фактически отсутствует
(/пп~0). В этом случае сказывается продольное электромагнит-
ное поле и продольная асимметрия, обусловленная разницей ко-
эффициентов распространения у30, 740 и волновых сопротивлений
^взо, Zb4o проводников 3, 4 относительно земли, и проявляется
влияние через землю (оболочку кабеля).
7.2. ВИДЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ВНЕШНИХ ВЛИЯНИЙ
Для внешних электромагнитных влияний высоковольтных ли-
ний на линии связи характерны следующие особенности: во-пер
вых, практическое отсутствие влияния за счет поперечной асим-
336
Рис. 7.2. Виды внеи/них влияний:
Е— электрическое; Я—магнитное; /— гальва-
ническое, ВЛ — высоковольтная линия, ЛС —
линия связи
метрик в расположении провод-
ников, свойственной процессу вза-
имных влияний; во-вторых, опре-
деляющая роль влияний за счет
продольной асимметрии\ цепей
проводник—земля (оболочка) и,
в-третьих, возможность прене-
бречь активными составляющими
электромагнитных связей (g и г).
Кроме того, для внешних источников влияния характерно сле-
дующее:
разные длины влияющих, подверженных влиянию и третьих
цепей;
пренебрежимо малое затухание высоковольтных линий по
сравнению с линиями связи, подверженными влиянию;
необходимость учета искажения электромагнитного поля ' за
счет других электропроводящих предметов, таких как грозоза-
щитные тросы, железнодорожные рельсы, рядом расположенные
провода и кабели, деревья и др.
Различают следующие виды внешних влияний (рис. 7.2):
электрические, обусловленные действием электрического поля;
магнитные, возникающие за счет действия магнитного поля;
гальванические, появляющиеся вследствие наличия в земле
блуждающих токов; последние создаются высоковольтными ли-
ниями, использующими землю в качестве обратного проводника.
Под действием блуждающих токов на оболочках кабелей связи
появляется напряжение и в цепях связи возникает влияние. Осо-
бенно велико гальваническое влияние при аварийных режимах
высоковольтных линий и в местах электростанций.
Под действием внешних электромагнитных полей в сооружени-
ях связи могут возникать напряжения и токи:
опасные, при которых появляются большие напряжения и то-
ки, угрожающие жизни обслуживающего персонала и абонентов
или приводящие к повреждению аппаратуры и линейных соору-
жёний. Опасным считаются: напряжение [7.Д>36 В, ток />15 мА;
мешающие, при которых возникают помехи, шумы, искажения,
приводящие к нарушению нормальной работы средств связи. Ме-
шающими считаются: напряжение £7^1...2 мВ, ток /«1 мА.
Внешние влияния подразделяются также на длительные и
кратковременные. Границей раздела между ними является время
1 с.
Действие внешних источников бывает постоянным или случай-
ным. Время действия колеблется в широких пределах: от долей
секунды (молния) до непрерывной длительности. Спектр частот
внешних источников, как правило, имеет широкую полосу. Амп-
литуда влияющих напряжений и токов, исходящих от внешних
источников, зависит от мощности установки, и места расположен
ния ее по отношению к линии связи.
Источниками внешних электромагнитных влияний на сооруже-
ния связи являются: атмосферное электричество (гроза); линии
электропередачи (ЛЭП)1; электрифицированные железные дороги
(эл.ж.д.); радиостанции (PC). Причем атмосферное электричест-
во и ЛЭП, особенно в аварийном режиме, оказывают опасное
влияние, а эл.ж.д., ЛЭП, PC — мешающее влияние. Влияние ока-
зывают также индустриальные помехи (бытовые электроаппара-
ты, городской транспорт), магнитные бури и др. Кроме того, ме-
таллические оболочки кабелей подвержены коррозии, т. е. разру-
шению под действием блуждающих токов и электрохимических
процессов в грунте.
Ниже рассматриваются источники внешних влияний и меры
защиты сооружений от них.
7.3. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Опасному воздействию атмосферного электричества подверже-
ны как воздушные, так и кабельные линии связи. На территории
СССР грозы наблюдаются повсеместно, однако число грозовых
различных районах Советского Союза различно. Так, в
районах Москвы, Ленинграда и Прибалтики среднее число гро-
зовых дней в году составляет 20 ...25. В районах Архангельска,
Мурманска и в Средней Азии число грозовых дней в году не пре-
вышает 5... 10, а в районах Кавказа число грозовых дней в сред-
нем достигает 40... 60, а в некоторых местах — 80 и более.
Вероятное число повреждений кабелей от ударов молнии ха-
рактеризуется плотностью повреждений, под которой понимается
общее число отказов в связи, отнесенных к 100 км трассы кабель-
ной линии в год. Ее можно определить по формуле
и=(М/К£)100,
где N — общее число повреждений, равное числу опасных ударов
молнии; К—период, за который произошло N повреждений, лет;
L—длина трассы, км.
Установлено, что в течение грозового периода в районах с гро-
зодеятельностью 20... 25 дней в году на каждые 100 км трассы
приходится восемь — десять случаев прямого удара молнии в ли-
нию связи.
1 Линии электропередачи называют высоковольтными линиями (ВЛ).
338
} ОМ/и
Рис, 7.4
Рис. 7.3
Рис. 7.3. Вероятность повреждения кабеля при различных сопротивлениях обо-
лочки и грунта
Рис. 7.4. Характерная форма разряда молнии:
/ф—10 . . . 40 мкс-нарастание фронта; /1/2 = 40 . . . 120 мкс —спадание до половины ампли-
туд ы
Опасность повреждений кабельной линии существенно зависит
от состояния грунта и проводимости кабельной оболочки. На
рис. 7.3 приведен график вероятности числа повреждений кабеля
на 100 км в год в зависимости от удельного сопротивления грун-
та (рз) и сопротивления металлической оболочки (Яоб). Из гра-
фика видно, что в грунтах с большим сопротивлением (песке,.
Йкале, глине, граните и др.) и при больших сопротивлениях обо-
лочки опасность повреждения кабеля возрастает. Грозоповрежда-
емость кабелей в алюминиевой оболочке, имеющей малое сопро-
тивление, существенно меньше, чем в свинцовой и стальных обо-
лочках.
Молния — это электрический разряд через воздух. Путь, обра-
зованный разрядом атмосферного электричества, называется ка-
налом молнии. Канал молнии обладает примерно следующими
параметрами: напряжение 1 ... 10 млн. В, ток молнии 20 ...30 кА;
длительность удара молнии 0,3... 0,5 с; число разрядов за один
удар 3... 10; время одного разряда 100...200 мкс; основная часто-
та колебаний 5... 10 кГц; фронт нарастания волны молнии 10...
..:40 мкс; фронт спадания 40... 120 мкс; длина канала молнии
2 ... 3 км; скорость движения лидера 100 км/с; температура в ка-
нале молнии 20000°C; волновое сопротивление 300 Ом.
На рис. 7.4 показана характерная форма разряда молнии.
Высокое напряжение на проводах линий связи (ЛС) при гро-
зовых разрядах появляется или вследствие индукции от разряда
облака на землю, или в результате непосредственного разряда в
339
Рис. 7.5. Удар мол-
нии:
а) непосредственно в ка-
бель; б) через дерево
линию связи (прямой удар). Чаще молнией поражаются наиболее
высокие наземные предметы. Однако молния может ударить и в
ровную поверхность земли, устремляясь в область большей элек-
тропроводности почвы (рис. 7.5). Если грунт, в котором заложен
подземный кабель, имеет большое удельное сопротивление, то
разряды молнии, реагируя на наличие в почве хорошо проводя-
щих металлических оболочек кабеля, ударяют в поверхность зем-
ли над этим кабелем. Чаще всего повреждения подземных кабе-
лей наблюдаются в грунтах с большим удельным сопротивлени-
ем (каменистых, гранитных, песчаных, мерзлых и т. п.).
Провода воздушной линии связи при прямом ударе молнии
под действием больших токов могут расплавиться на одном или
нескольких пролетах, а деревянные опоры под действием быстро
повышающегося давления испаряющейся влаги расщепляются,
линейные изоляторы от сильного нагрева пробиваются или разру-
шаются. Иногда от одного удара молнии разрушается несколько
опор. Ток молнии распространяется по земле во все стороны, и
если поблизости находится кабель, то большая часть тока может
пройти в его металлическую оболочку. Между местом удара мол-
нии и кабелем могут возникнуть большие напряжения и образо-
ваться электрическая дуга, достигающая 30 м, а иногда и больше.
Повреждения кабеля от токов молнии весьма разнообразны:
так, от сильного нагрева расплавляется свинцовая оболочка, сго-
рает джутовая оплетка, обгорает изоляция, расплавляются жилы
кабеля и т. д. Под действием внешних сил, образующихся от
давления паров влаги грунта и газов, возникающих при сгорании
джутовой оплетки, образуются вмятины на оболочке, прогибы ка-
.340
беля, разрывы ленточной брони и т. и. Вследствие больших ин-
дуктированных напряжений, возникающих между жилами и обо-
лочкой кабеля, пробивается изоляция жил.
Повреждения в подземном кабеле могут, возникнуть от токов
молнии, попавших в кабель через корни близко растущих де-
ревьев. Воздушные кабели подвержены действию токов молнии,
попавших в кабельные опоры или в воздушные провода.
При прохождении кабеля вблизи лесных массивов вероятность
повреждения существенно меняется, так как деревья по краю ле-
са будут принимать на себя удары молний с некоторой полосы,
прилегающей к лесу. Поэтому число повреждений кабелей с ме-
таллической оболочкой, проложенных непосредственно по краю
леса, в несколько раз превышает число повреждений кабелей,
проложенных на открытой местности. В то же время кабель, на-
ходящийся на некотором оптимальном расстоянии от леса, будет
защищаться последним, поэтому число повреждений в данном
случае не превышает 5% по сравнению с кабелем, проложенным
по открытой местности, при прочих равных условиях.
Оптимальные расстояния, м, приближенно определяют по сле-
дующим формулам:
/^1,5/1 (при h^lO); I~ 1,25 (при /1^20); (при h^30),
где h — средняя высота деревьев края леса, м.
На участках кабельной линии, где расчетное вероятное число
повреждений от ударов молнии больше допустимого, проводят
следующие мероприятия: применение грозостойких кабелей, т. е.
кабелей с повышенной проводимостью оболочки (алюминий) и
повышенной электрической прочностью изоляции, включение в
муфтах малогабаритных разрядников и прокладка грозозащит-
ных тросов.
Помимо грозового электричества на работу цепей связи могут
оказывать неблагоприятные воздействия магнитные бури. По-
следние имеют место в результате резкого изменения в отдельные
периоды времени напряженности магнитного поля земли и появ-
ления значительных разностей потенциалов между удаленными
друг от друга точками земной поверхности. Возникающие при
этом земляные токи оказывают сильное мешающее действие на
работу однопроводных цепей связи (дистанционное питание по
системе провод — земля, цепи сигнализации и т. п.). При дли-
тельном прохождении по цепи земные токи могут привести к по-
вреждениям в аппаратуре, установленной на НУП. На территории
СССР магнитные бури наиболее часто наблюдаются на Северном
Урале, Кольском полуострове, Карельской АССР, Колымском
крае.
В некоторых районах Сибири и Средней Азии наблюдаются
снежные и песчаные метели. Пролетающие при этом с большой
скоростью над поверхностью земли мельчайшие песчинки и ледя-
341
иые кристаллики получают вследствие трения электрические за-
ряды, которые они отдают проводам при столкновении с послед-
ними. В результате на проводах воздушных линий создаются пе-
ренапряжения, вызывающие помехи.
7.4. ВЛИЯНИЕ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Электроэнергия может передаваться по линиям электропередачи
переменного и постоянного токов (рис. 7.6). Напряжения ЛЭП пе-
ременного тока: 3,3; 6,6; 11; 35; 220; 500 и 750 кВ. Напряжения
ЛЭП постоянного тока: 400; 500; 600; 800; 1000 кВ. Разрабаты-
ваются ЛЭП на 1500 кВ.
Линии электропередачи переменного тока используют, как
правило, трехфазный ток (рис. 7.7). Режимы работы: 1) симмет-
ричный с изолированной нейтралью (рис. 7.7,а) или с заземлен-
ной нейтралью (рис. 7.7,6); 2) несимметричный по схеме «два
провода — земля» (рис. 7.7,в). Линии с изолированной нейтралью
применяются при напряжениях не свыше 35 кВ. При больших на-
пряжениях, исходя из техники безопасности, нейтрали обязатель-
но заземляются.
Влияния, оказываемые ЛЭП на линии связи, могут быть элек-
трическими и магнитными. В зависимости от режима работы ЛЭП
преобладает то или иное влияние. Симметричные системы обла-
дают высоким потенциалом и создают большие электрические
воздействия (77—^Е). Несимметричные системы (с заземленной
фазой)" в аварийном режиме имеют большой уравнительный ток
и являются источником сильных магнитных воздействий
Заземленные ЛЭП оказывают гальваническое влияние.
i;JUHa линии связи воздействуют как ЛЭП переменного тока, так
и постоянного. Первые влияют в основном на частоте 50 Гц и на
высших гармониках, главным образом, в тональном диапазоне
частот; вторые —за счет пульсирующих составляющих при вы-
прямлении тока преимущественно ртутными выпрямителями.
Влияние гармонических составляющих распространяется на диа-
пазон порядка 30 кГц и ухудшает качество трех канальных ВЧ
систем передачи. :
Сравнивая агрессивное воздействие ЛЭП переменного и по-
стоянного токов на ЛС, можно отметить, что первые действуют
гораздо сильней, чем вторые, и требуют относа линий связи на
значительное расстояние. По диапазону частот наиболее вредное
воздействие оказывают ЛЭП постоянного тока (табл. 7.1).
При рассмотрении влияний на цепи связи различают нормаль-
ный, вынужденный и аварийный режимы работы высоковольтных
линий.
342
Рис. 7.6. Рис. 7.7
:Рис. 7.6. Линия электропередачи переменного тока
;"Рис. 7.7. Режим работы ЛЭП:
а) симметричный с изолированной нейтралью: б) то же с заземленной нейтралью; е) не
^симметричный: два провода — земля
Под нормальным понимается такой режим, при котором ли-
ния работает постоянно. Вынужденный режим — это тот, при ко-
тором линия вынуждена работать определенный промежуток вре-
мени в режиме, отличающемся от нормального. Аварийный ре-
жим возникает при нарушении нормальной работы высоковольт-
ной линии, например при обрыве и заземлении провода одной из
фаз трехфазной линии с заземленной нейтралью. При заземлении
одной из фаз линии с изолированной нейтралью возникает не-
уравновешенное напряжение, равное 1,73 линейного напряжения.
Влияющий ток, замыкающийся на каждой паре проводов вы-
соковольтной линии, принято называть током прямой последова-
тельности, а замыкающийся в цепи «провод — земля» — током
нулевой последовательности. Наибольшее влияние на ЛС оказы-
вают токи нулевой последовательности.
Таблица 7.1
~ — i — Пока затели U - Единица измерения Переменный ток Постоянный ток
Частота рила влияния Qthoc трассы Характер влияния кГц Условная единица км 0,05...3 50 5 Опасное *4 0 ... 30 1 од Опасное, мешающее
343
7.5. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Контактные сети магистральных и пригородных электрифици-
рованных железных дорог, трамвая, троллейбуса (рис. 7.8) также
оказывают влияние на линии связи. Напряжения в контактных
сетях постоянного тока: трамваи и троллейбусы — 0,6 кВ, приго-
родная эл.ж.д. — 3,3 кВ. Напряжения в сетях переменного тока
магистральных эл. ж. д. — 25 кВ.
Электрифицированный транспорт представляет собой однопро-
водную несимметричную систему с использованием земли (рель-
сов) в качестве обратного провода, в которой протекает сильный
неуравновешенный ток и возникает сильное магнитное влияние
Ток в контактных сетях эл.ж.д. может достигать йе-
скольких сотен ампер.
Электрифицированный транспорт является источником и опас-
ного, и мешающего влияний на ЛС. Наряду с магнитным сущест-
вует гальваническое влияние.
Показатель ЛЭП Эл. ж. д.
Трасса Длительность действия Схема влияния Сила влияния (условная единица) Неизвестна Кратковременное Симметричная 1 Известна Длительн ое Несимметричная 10—20
Т а б л и ц а 7.3
Параметр Г'днница измерения Грунт
Слабый черно- зем Глина Сугли- нок Из ВОСТ' н як Песок Г ранит
Удельная про- водимость Критические расстояния • См м м 0,2 200/300 0,1 260/370 0,05 350/560 0,02 430/330 0,01 600/1200 0,001 1470,3800
* В числителе указано значение для зл. ж. д. , а в знаменателе—для ЛЭП.
344
Электрифицированные железные дороги переменного тока
влияют в основном на частоте 50 Гц и в диапазоне тональных ча-
стот; эл.ж.д. постоянного тока за счет высших гармонических со-
ставляющих при выпрямлении тока действуют как в тональном,
Дак и в высокочастотном диапазонах (до 30 кГц).
Сравнивая агрессивное воздействие на ЛС линий электропе-
редачи и электрифицированных железных дорог, можно устало-
сть (табл. 7.2), что эл.ж.д. как однопроводная система оказы-
вает существенно более сильное и длительное влияние, чем ЛЭП.
Одн ако протяженность ЛЭП по стране значительно больше и, кро-
ме того, при новом строительстве часто неизвестно, где пройдет
трасса этих линий, поэтому существенно сложней обеспечить
должную защиту от них.
В табл. 7.3 приведены допустимые критические расстояния, м
(средние значения), сближения кабеля связи (МКСБ-4Х4) с
ЛЭП и эл.ж.д. Из таблицы видно, что чем хуже грунт, т. е. мень-
ше его удельная проводимость, тем дальше надо относить трассу
кабеля от ЛЭП и эл.ж.д.
7.6. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ
НА ВОЗДУШНЫЕ И КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ
СВЯЗИ
Природа внешних электромагнитных влияний на воздушные и
кабельные линии связи различна (рис. 7.9). На воздушные линии
действуют одновременно как электрическое поле, так и магнит-
ное. На кабельные линии оказывает влияние только магнитное
поле. Силовые линии электрического поля замыкаются на метал-
лическую оболочку кабеля и землю и не проходят в сердечник ка-
беля. Магнитное влияние на кабельные линии снижается за счет
экранирующего действия кабельной оболочки.
Кабельные линии, находящиеся в земле, и воздушные линии,
работающие по системе «провод—земля», испытывают также
гальваническое влияние.
Рис. 7.9. Особенности влияния ла линии связи:
а) воздушные; б) кабельные
345
7.7. НОРМЫ ОПАСНЫХ И МЕШАЮЩИХ
ВЛИЯНИЙ
Для безопасности обслуживающего персонала и лиц, пользу-
ющихся средствами связи, а также для предохранения от повреж-
дений аппаратуры и линий связи и обеспечения необходимого ка-
чества передач установлены нормы допустимых величин опасных
и мешающих напряжений и токов. При этом принимаются во вни-
мание время и условия воздействия опасных напряжений и токов
на людей и аппаратуру. Влияния при аварийных режимах быва-
ют кратковременными, так как они исчезают с отключением по-
врежденной линии. Кроме того, аварии на линиях высокого на-
пряжения сравнительно редки.
В случае длительного влияния, которое имеет место при вы-
нужденном режиме работы симметричных и несимметричных ли-
ний, а также при нормальном режиме работы несимметричных ли-
ний существует большая вероятность опасных воздействий. Вслед-
ствие этого приняты более низкие допустимые напряжения, на-
водимые в проводах связи.
Допустимые продольные ЭДС в проводах цепей связи различ-
ных ЛС при опасном влиянии ВВЛ на длине гальванически не-
разделенного участка линии связи приведены в табл. 7.4. Про-
дольной ЭДС (Е) называют разность потенциалов между точками
в начале и конце участка сближения на проводнике связи, возни-
кающую в результате влияния высоковольтных линий.
Гальванически неразделенным называется участок цепи ЛС,
не содержащий трансформаторов, усилителей, фильтров.
Таблица 7.4
Тип линии связи Допустимые продольные ЭДС Вдейст* при вРеменн отклю- чения поврежденного участка ВВЛ, с
1,2 0,6 0,3 0,15
Воздушная с деревянными опорами, в том числе с железобетонными приставками 750 1000 1500 2000
Воздушная с железобетонными или металлическими опорами 120 160 240 320
Кабельная без ДП усилителен или ДП по системе «провод — провод» б^ИСП
Кабельная с ДП усилителями по системе «провод — земля» ^исп ^Дп/1^2 г /
Городские кабельные без ДП ^исп
346
Под испытательным напряжением [/исп понимается напряже-
ние, принятое для данного типа кабеля при испытании изоляции
жил по отношению к экрану или металлической оболочке. В на-
стоящее время для кабелей связи нормированы следующие значе-
ния [/исп, В:
Междугородные кабели:
>'• городские кабели . . . 1000 симметричные .... 1800
^сельские кабели . . . . 2000 коаксиальные.......... 3000
Допустимая продольная ЭДС на проводах кабельной линии
£вязи на длине гальванически неразделенного участка ЛС при
Влиянии симметричных ВЛ должна быть не более 36 В в услови-
ях нормального режима и 70 В в условиях вынужденного режима
менее 2 ч.
При передаче по кабельным цепям напряжения дистанционно-
го питания [/дп допустимая величина наведенного напряжения
снижается, что учитывается нормами табл. 7.4.
Опасность поражения человека электрическим током зависит
от многих факторов, важнейшими из которых являются: величи-
на тока, протекающего через тело человека, продолжительность
(действия тока, пути прохождения тока по телу человека, индиви-
дуальные свойства организма. При установлении допустимых норм
обычно исходят из величины тока, при котором человек может са-
мостоятельно освободиться от захвата токонесущего провода.
Согласно правилу защиты устройств связи от опасного влияния
(линий электропередач разрядный ток, проходящий через тело че-
ловека, который коснулся провода линий связи, подверженного
^влиянию линии с изолированной нейтралью, при замыкании^ф^зб-
врго провода на землю не должен превышать 10 мА. При этом на-
пряжение провода линии связи по отношению к земле допуска-
ется не более 200 В действ.
Нормой допустимого мешающего напряжения на цепи связи
являются:
для ВЧ каналов— 1,1 мВ на один усилительный участок в точ-
ке с относительным уровнем полезного сигнала на входе усили-
теля — 7 дБ (—0,8 Нп);
для телефонных каналов ТЧ — 2,1 мВ на длину канала связи,
имеющего сближение с высоковольтной линией 400 км при отно-
сительном уровне полезного сигнала на зажимах оконечной стан-
ции или станции переприема — 7 дБ (0,8 Нп).
- При одновременном влиянии на линию связи со стороны высо-
ковольтной линии электропередачи и эл. ж. д. общая норма помех
иш подсчитывается по квадратичному закону. При этом норму
напряжения шума для ВЛ принимают равной 0,6 (7Ш, а для эл.
ж. д. 0,8[/ш. Допустимое напряжение шума на один усилительный
участок определится по формуле
и'ш = ишг№,
347
где ;V — число усилительных участков на длине сближения с вли-
яющей линией.
Указанные нормы напряжения шума относятся к линейным за-
жимам цепей с волновым сопротивлением 600 Ом, согласованно
нагруженным. Если входное сопротивление ZB отличается от
600 Ом, то допустимое напряжение шума должно быть пересчита-
но по формуле
Допустимое напряжение помехи от влияния радиостанций при-
нято для кабельных линий равным 0,5 мВ и для воздушных 1 мВ
в точке с относительным уровнем — 7 дБ.
7.8. РАСЧЕТ ОПАСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ВЛИЯНИЯ
Влияние высоковольтных линий (ЛЭП, эл. ж. д.) на линии свя-
зи может быть определено по аналогии с взаимным влиянием меж-
ду цепями связи (см. гл. 6) через параметры электрической и маг-
нитной связей:
= UI "НтИ 12 = —£2/Л ~г-pitozn,
где /2 и tz2 — соответственно ток и ЭДС, наводимые в цепи связи;
Ц и Ui — ток и напряжение во влияющей цепи (ЛЭП, эл. ж. д.).
Активные составляющие (g и г) применительно к рассматривае-
мым процессам можно не учитывать.
Опасные электрические напряжения могут возникать в воз-
душных линиях связи из-за влияния ЛЭП с изолированной нейт-
ралью при заземлении одной из фаз, а также в других случаях
появления неуравновешенных напряжений на ЛЭП. При внешнем
влиянии ВВЛ на линии связи необходимо определить потенциал
проводника ЛС относительно земли.
электростатического вли-
яния
сближение высоковольтной линии с лини-
ей связи
348
Электростатическое поле земли может быть представлено в ви-
де зеркального отображения влияющего провода (рис. 7.10). Ре-
зультирующий потенциал проводника ЛС относительно земли оп-
ределяется в виде суммы потенциалов влияющего провода ВВЛ и
зеркального отражения земли:
a in(d!2/Z)12),
4»
где q — заряд влияющего провода; при D2=^i2, т. е. когда про-
водник связи находится на земле, его потенциал равен нулю:
0—0.
Решая данную задачу через потенциальные коэффициенты для
трехфазной ЛЭП и двухпроводной ЛС, получим формулу расчета
электрического влияния. Потенциал проводника линии связи от-
носительно земли за счет электрического влияния, В,
где — напряжение ЛЭП в нормальном режиме работы (в слу-
чае аварийного режима при заземлении одной из фаз величина
(71 возрастает в фЗ — 1,73 раза); Sn— экранирующее действие со-
седних проводов связи, среднее значение которого принимается
0,7; значения а, Ь, с даны на рис. 7.10. Анализируя эту формулу,
видим, что электрическое влияние возрастает с увеличением габа-
ритов линии (высоты подвески проводов b и с) и уменьшается при
разносе линий (а).
Данная формула справедлива, если ЛЭП и ЛС проходят па-
раллельно. В реальных условиях часто имеют место сложная
трасса сближения и косое взаимное расположение трасс ЛЭП и
Л С (рис. 7.11). В этом случае участок сближения разбивают на
несколько эквивалентных параллельных участков, определяют
влияние на каждом участке по эквивалентным расстояниям и за-
тем суммируют все эти влияния.
Длина эквивалентного участка выбирается таким образом, что-
бы отношение максимальной ширины сближения к минимальной
по концам участка не превышало трех, т. е. a2/^i<3, я3/п2<3 и
т, д. Эквивалентная ширина сближения определяется как средняя
геометрическая величина: а^=уа}а2\
При сложной трассе сближения расчет электрического влияния
можно производить по формуле
(7-2)
где /у — длина расчетного участка; / — общая длина сближения.
349
7.9. РАСЧЕТ ОПАСНОГО МАГНИТНОГО
ВЛИЯНИЯ
Опасные магнитные влияния создают несимметричные систе-
мы (ЛЭП, эл. ж. д.) как в нормальном, так и аварийном режимах
их работы, а также симметричные системы (ЛЭП) в аварийном
режиме. Магнитным воздействиям подвержены и кабельные и
воздушные линии.
Продольная ЭДС в линиях связи за счет магнитного поля
(рис. 7.12) может быть определена по формуле
(7.3)
Здесь 1] — влияющий ток; Z — длина участка сближения; SK — ко-
эффициент экранирования кабельной линии; ST — коэффициент
экранирования троса, рельсов (0,4 ... 0,6); т —магнитная связь
между ВВЛ и ЛС, определяемая по формуле, Гн/км,
1(Г\
(7.4)
где й = У(оцзи3; цз, о3 — магнитная проницаемость и проводимость
земли; а — расстояние между ВВЛ и ЛС.
В случае сложной трассы сближения продольная ЭДС рассчи-
тывается по эквивалентным участкам сближения (см. § 7.8) и за-
тем производится суммирование:
п
Е, = a>Ii 2 mlSKSx.
(7-5)
Из приведенных формул видно, что влияние растет с увеличе-
нием длины линии, силы и частоты влияющего тока. Расчет опас-
ного влияния обычно производится при 50 Гц, а мешающего —
при 800 Гц.
Для облегчения расчетов в практике
обычно пользуются номограммами, по-
зволяющими по известным значениям по-
лосы сближения и удельной проводимо-
сти земли определить т на частотах 50
и 800 Гц (рис. 7.13 и 7.14). В зависимо-
сти от режима работы линии связи на-
Рис. 7.12. К расчету магнитного влияния
350
(Рис. 7.13. Номограмма для определения коэффициента взаимной индуктивности
йри‘ частоте 50 Гц
351
3j 3j з?-
Рис. 7.14. Номограмма для определения коэффициента взаимной индуктивност
при частоте 800 Гц
352
$ис. 7.15. Продольная ЭДС э линии связи при различных режимах использова-
ния линии:
4) полная изоляция от земли; б) заземление с одной стороны; в) заземление с обеих сто-
pjOH
водимая продольная ЭДС будет иметь различные значения
ио длине. На рис. 7.15 показан характер изменения ЭДС
вдоль линии связи при изолированных и заземленных ее кон-
нах. Наибольшую опасность для обслуживающего персонала
и устройств связи представляет случай, показанный на рис. 7.15,6,
так как здесь на изолированном конце будет действовать полная
индуцированная ЭДС.
При определении влияний и выборе средств защиты необхо-
димо суммировать все виды влияний; для кабельных линий — маг-
нитное и гальваническое, для воздушных линий — электрическое
и магнитное.
7.10. РАСЧЕТ МЕШАЮЩИХ ВЛИЯНИИ
Рабочие напряжения и токи всех видов ВВЛ (как на перемен-
ном, так и на постоянном токах) содержат гармоники в диапазоне
частот от 0,1 до 150 кГц, причем наибольшие амплитуды имеют
.гармоники в диапазоне тональных частот. Шум в телефонных ка-
налах тональной частоты определяют при частоте 800 Гц, поэтому
при определении мешающего влияния рабочее напряжение (ток)
влияющей цепи со всеми составляющими гармониками пересчи-
тывается на эквивалентное мешающее напряжение (ток) с час-
тотой 800 Гц, величина которого по своему действию на телефон-
ную цель эквивалентна действию рабочего напряжения (тока) и
всех его гармоник
Эквивалентное мешающее напряжение
U^k.FuUi (7.6)
и соответственно эквивалентный мешающий ток
/:)=ДДЛ, (7.7)
где Д; —Щсоф/Щ Fi ~/псоф/Л — телефонные формфакторы соот-
ветственно напряжения и тока; kn — поправочный коэффициент,
зависящий от.типа ВЛ, ширины сближения и проводимости земли
(при веден в с п равоч ни к а х).
При расчете мешающего влияния целесообразно рассматри-
вать отдельно влияние токов прямой и нулевой последовательно-
12—6136
стен [см. (7.4)] и соответственно фазовых напряжений и остаток,
ных напряжений относительно земли. Следует также учитывать,
что помехи в двухпроводной цепи возникают как в результате ш .
посредственного влияния ВВЛ на цепь Л С вследствие асимметрич-
ного расположения проводов последней по отношению к проводам
ВВЛ, так и в результате влияния через третьи цепи типа «два
провода—земля» вследствие наличия асимметрии (продольной н
поперечной) цепи ЛС относительно земли. Принимая во внимание
раздельное определение составляющих магнитного и электричес-
кого полей, при расчете помех от ВВЛ в общем случае необходимо
учитывать восемь составляющих: Сщ.ф!, £/э.ф1— составляющие со-
ответственно магнитного и электрического влияния, обусловлен-
ные фазовым напряжением (током прямой последовательности) и
асимметрией проводов. Линии связи по отношению к проводам
ВВЛ; СС.О1, С;э.о1 — то же, только обусловленные остаточным на-
пряжением ВЛ по отношению к земле (током нулевой последова-
тельности); О'м.фо, U3.ф2 — составляющие соответственно магнитно-
го я электрического влияний, обусловленные фазовым напряжени-
ем (током прямой последовательности) и асимметрией проводов
ЛС относительно земли; U3.02 — то же, только обусловлен-
ные остаточным напряжением ВВЛ по отношению к земле (током
нулевой последовательности).
Результирующее напряжение помех в телефонной цепи опре-
деляется по формуле
Ъ'ш — См.ф14“ б'С.ф1 ~f~ ^M.ol 4- ^Э.О1+ £7м.ф2 Т £7э.ф2 — ^'м.о2 + £7Э.О 5
а отдельных составляющих в зависимости от типа цепей — по
формулам (7.2) и (7.3). Удельный вес отдельных составляющих
выражения неодинаков и зависит от типа влияющей цепи и цепи,
подверженной влиянию, а также характера их сближения. Так.
при влиянии трехфазной ВВЛ с заземленной нейтралью в нор-
мальном режиме работы на воздушную линию связи достаточно
учитывать от трех до одной составляющей:
Q бО М с/[И “ Ж £7м.ф2 4" Т/э.ф21
50 < а < 200 м Ю = Kl/^02 + (/м.ф21
& 200 М Uш £7 м.о 2 5
т. е. при больших расстояниях между взаимовлияющими цепями
определяющим является магнитное влияние тока нулевой после-
довательности через третью цепь.
Как уже отмечалось выше, кабели связи с металлической обо-
лочкой практически не испытывают электрического влияния, т. е.
в выражении (7.8) отсутствуют все составляющие U3. Кроме того,
вследствие скрутки жил очень мала асимметрия жил в двухпро-
водной цепи по отношению к проводам ВЛ, следовательно, в (7.8)
354
рсутствуют составляющие t/M.oi и (7м.фь Таким образом, для ка-
белей с металлической оболочкой результирующее напряжение
Цума определяется только влиянием через третьи несимметрич-
|||е цепи и подсчитывается по формуле
um^-/ul^+ul,o2.
Допустимые величины мешающих влияний приведены в § 7.7.
7.11. ВЛИЯНИЕ РАДИОСТАНЦИЙ
НА ЛИНИИ СВЯЗИ
Радиостанции оказывают мешающее влияние на высокочастот-
ные каналы связи, если их рабочие частоты совпадают с диапазо-
ном ВЧ систем.
На линии связи оказывают непосредственное влияние радио-
станции сверхдлинноволнового диапазона (частоты 3 ... 30 кГц),
Длинноволнового (30 ... 300 кГц) и средневолнового (300 ...
С.. 3000 кГц). Больше всего подвержены влиянию радиостанций
вертикальные провода (вводы цепей в станцию). Наиболее мощ-
ными радиостанциями являются вещательные и телеграфные, ра-
ботающие на большие расстояния;
< Степень мешающего влияния радиостанций на цепи связи за-
висит от многих причин: излучаемой мощности, расположения
Нрассы линии связи по отношению влияющей радиостанции, про-
водимости земли, коэффициента чувствительности цепи связи к
^помехам.
Т~Т ° а
g Природа влияния радиостанции на линии связи состоит в сле-
дующем. Радиостанции создают вертикальную составляющую
Электромагнитного поля, мВ/м, затухающую по закону
Е, = . F е~, (7.9)
Г
Где Риз — мощность, излучаемая радиопередатчиком; &д=(оУце —
{коэффициент распространения в воздухе; F — коэффициент ослаб-
ления поля за счет земли; г — расстояние от радиостанции до ли-
нии.
За счет конечной проводимости земли появляется горизонталь-
ная составляющая поля, мВ/м,
= (7.Ю)
где X — длина волны, м; о3 — проводимость земли, Ом/м. Эта го-
ризонтальная составляющая поступает в линию и является источ-
ником помех (рис. 7.16). Чем выше частота и меньше проводимость
грунта, тем больше Ег и мешающее влияние в кабеле. Наиболь-
шее влияние сказывается при прохождении кабеля в грунтах с
большим сопротивлением (песке, суглинке, скальных породах).
355
Рис. 7.17. Влияние радиостанции на линию
связи при различных длинах линии
Рис. 7.16. Природа влияния радиостанции
на линию связи
Существенно сказывается взаимное расположение линий связи
и радиостанции. Этот фактор принципиально может быть оценен
формулой, £r(f==£rcos (р, где ср — угол взаимного расположения
PC и ЛС.
При перпендикулярном расположении Л С относительно PC
влияние минимально. Максимальное влияние происходит при про-
хождении трассы кабеля в створе действия PC.
В общем виде при любом расположении трассы кабеля отно-
сительно PC влияние может быть определено по формуле
£Гф.= (2,45/ёД/бйк) р-/(г2 + a2)]Te_fe(r"7/), (7.11)
где а — кратчайшее расстояние от PC до ЛС; г — длина ЛС.
На рис. 7.17 показано изменение влияния радиостанции £Гф на
линию связи в зависимости от ее длины. На графике видны две
зоны влияния: зона I охватывает углы ф' от 90 до 50°, зона II —
углы ср" от 40 до 0°. В первой зоне (г<а), как видно из формулы,
с увеличением г величина £Гф и соответственно влияние растут.
Физически это объясняется тем, что здесь линия близка к пер-
пендикулярному расположению относительно радиостанции. Во
второй зоне (г,>а) с увеличением г величина £Гф и влияние
уменьшаются. В этом случае линия близка к радиальному распо-
ложению относительно радиостанции и чем дальше от нее рас-
сматриваемый участок линии, тем меньше влияние. Максималь-
ное влияние имеет место на стыке двух зон при ф — 40 ...50°.
Различные типы линий связи в зависимости от конструкции и
их экранирующих свойств в разной степени подвержены влияни-
ям. Установлены примерно следующие зоны мешающего влияния
радиостанций на различные типы линий, км:
Воздушная:
крюковой профиль.......................................1200
траверсный...........................................500
Симметричный кабель с оболочкой:
свинцовой........................................- . 7,7
алюминиевой...........................................1,3
стальной..............................................3,3
коаксиальный кабель ................................... Не более 1
356
ЗАЩИТА СООРУЖЕНИИ СВЯЗИ
7.12. МЕРЫ ЗАЩИТЫ СООРУЖЕНИЙ
СВЯЗИ ОТ ВНЕШНИХ ВЛИЯНИЙ
Для предохранения сооружений связи от внешних электро-
магнитных влияний проводится комплекс защитных мер как на
даияющих линиях (ЛЭП, эл.ж.д., радиостанции), так и на лини-
jjfea блица 7.5
Щеточник ^внешнего Злвлиянм я Характер влияния Мероприятия, проводимые на линиях
влияющих | СВЯЗИ
дап с ' ' и I 4 )пасные заюшке Н и ПОЛЯ ме- 1 £ 1 . Автоматика 1 !. Сглаживающие фильтры 1 Экранирующие тросы 1. Относ трассы 2. Каблнрование 3. Скрещивание и симмет- рирование 4. Экранирование 5. Разрядники и предохра- нители 6. Заземление 7. Нейтрализующие и ре- дукционные трансформа- торы
ж. ДЗ Опасное шее поле и мешаю-! Я 1. Сглаживающие ' фильтры 2. Отсасывающие трансформаторы 3. Увеличение прово- димости и изоля- ции рельсов 1. Относ трассы 2. Каблнрование 3. Скрещивание и симмет- рирование 4. Экранирование 5. Разрядники и предохра- нители 6. Заземление
ЙГроза Опасное поле Е 1. Каблнрование 2. Молниеотводы на воз- душных ЛС I 3. Тросы на кабельных ЛС 1 4. Каскадная зашита 5. Разрядники и предохра- нители 6. Заземление
ШРадио- g станции Мешающие £ и Я пол* I 1. Выбор несущей ча- стоты 2. Относ радиостан- ции 1. Относ трассы 2. Каблнрование 3. Скрещивание и симмет- рирование 4. Фильтры и запирающие катушки
1 • •
357
ях связи, подверженных, влиянию. Перечень основных мероприя^
тий приведен в табл. 7.5.
Ниже рассматриваются основные мероприятия, проводимые в
первую очередь на .линиях и установках связи.
-
7.13. СХЕМЫ ЗАЩИТЫ, РАЗРЯДНИКИ
И ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
Для защиты обслуживающего станционного персонала и ап-
паратуры связи применяются защитные устройства, состоящие
из разрядников и предохранителей. Эти устройства устанавлива-
ются на входе в станцию. Схемы устройств различны в зависимо-
сти от типа линии и ожидаемой величины влияния (рис. 7.18).
Из анализа влияний и схем защиты можно сделать вывод, что
наибольшей защиты требуют воздушная линия и сеть ГТС. На
междугородной кабельной линии для защиты устанавливается
лишь один разрядник. Разрядники делятся на газонаполненные и
искровые. Для сетей с дистанционным электропитанием применя-
ются вилитовые разрядники, а на сетях ГТС — угольные. Наи-
большее применение получили на междугородных кабельных ли-
ниях связи разрядники Р-35, РВ-50, Р-4 и на городских сетях
УР-500. На воздушных линиях применяются разрядники Р-350,
РБ-280 и Р-35.
Основные характеристики разрядников приведены в табл. 7.6.
Таблица 7.6
Параметр Р-35 РБ- 280 РВ-500
Напряжение пробоя, В Напряжение погасания, В Допустимый ток, А Сопротивление изоляции, МОм Долговечность, число разрядов Габариты, мм 350+40 40...80 15 5000 25 75X22 280+30 40 30 40 э 200 х 96 5004-100 250...300 10 60 52x60
Параметр Р-350 р-4 У Р-500
Напряжение пробоя, В Напряжение погасания, В Допустимый ток, А Сопротивление изоляции. МОм Долговечность, число разрядов Габариты, мм 350±40 3 5000 5 65 х 35 70...80 0,1 1 1000 20x7,5 5004-100 40.:.120 3 25x65
358
Рис. 7.18. С>-смы защиты при воздушной (а), кабельной (б) линиях и на город-
Уских сетях (&)•'
Ш^ЗэО и ИР-1000 — разрядники; СН-1 и ТК-0,25 — предохранители; ЗК - запирающая ка-
Йтика; ДК — дренажная катушка
Фис. 7.19. Разрядники:
/а) двухэлектродный Р-350; б) трехэлсктродный Р-35; в) двухэлектродный бариевый РБ-280;
г) малогабаритный Р-4
|Как видно, наиболее мощными разрядниками являются РБ-280
|;(для воздушных линий), а самыми слабыми Р-4 (малогабарит-
ный разрядник для усилителей кабельных линий).
Газонаполненный разрядник типа Р-350 (рис. 7.19,а) состоит
Виз стеклянной трубки диаметром 35 мм и длиной 65 мм, внутри
^которой помещены два электрода (никелевых или стальных). По-
^следние имеют форму полусферических чашечек, входящих друг
в друга, активизированных окисью бария, способствующих уве-
^личению мощности разрядника. Стеклянная трубка наполнена
; аргоном.
- 359
Рис. 7.20. Разрядники:
а) вилитовый; б) угольный
Газонаполненный разрядник типа Р-35 (рис. 7.19,6) имеет три
электрода. Он заменяет два двухэлектродных, что является его
преимуществом. Кроме того, при установке трехэлектродных раз-
рядников значительно уменьшается опасность возникновения так
называемого акустического удара.
Вилитовые разрядники типов РВ-500 и РВ-1000 устанавлива-
ются на цепях с дистанционным питанием. Разрядник состоит из
двух латунных дисков 1 (рис. 7.20,а), между которыми образует-
ся искровой промежуток. Диски отделены слюдяной проклад-
кой 2. Вилитовый диск 3 изготовляется из смеси порошкообраз-
ного корборунда, жидкого стекла- и мела.
Угольные разрядники типа УР-500 имеют номинальное напря-
жение зажигания 500 В. Угольные разрядники используются на
сетях городской и сельской связи (рис. 7.20,6). В состав разряд
ника входят две угольные колодки 1 с изолирующей проклад-
кой 2.
для защиты от высоковольтных линии применяются двух-
электродные бариевые разрядники типа РБ-280 (рис. 7.19,б) на
напряжения 280 В. Эти разрядники выдерживают большой раз
рядный ток в течение длительного времени.
Для защиты от перенапряжений в схемах усилителей исполь-
зуются малогабаритные разрядники Р-4. В состав разрядника
входят два стальных электрода, по-
крытых вольфрамом. Электроды за-
к л ю ч е н ы в ст е к л я н н ы й б а л л о щ
наполненный аргоном (см. рис
7.19,а).
Применяемые схемы защиты
зависят от вида влияния, нали-
чия дистанционного электропи-
тания и типа аппаратуры. На
Рис. 7.21. Схема защиты аппаратуры на
транзисторах
360
4
jjp. 7.22. Предохранители типа СН (а) и термическая катушка ТК (б):
^^-.стеклянная трубка; 2 — легкоплавкий металл; 3 — пружина; 4 — металлический чехол;
латунный стержень; 6 — изолированный провод; 7—латунный штифт
7.21 показана схема защиты аппаратуры па транзисторах
||йпа К-60П. В схеме защиты, кроме разрядников Р-4, имеются
фильтры, предназначенные для защиты от посторонних напряже-
и токов, наводимых в цепях ДП, работающих по схеме «про-
вод— земля».
/л- Для повышения надежности защиты и сохранения газонапол-
ненных разрядников от разрушения перед последними устан'авли-
вают искровые разрядники, которые монтируют на держателях
Й^зонаполненных разрядников. Пробивное напряжение разрядни-
ков зависит от величины искрового промежутка.
I® Для защиты станционной аппаратуры и разрядников от опас-
||Ш:х токов, возникающих при случайных соприкосновениях прово-
да линии связи с проводом линии сильного тока, применяются
Предохранители на номинальный ток 1 и 0,15 А типа СН — спи-
ральные с ножевыми наконечниками (рис. 7.22щ) или типа СК—
ус коническими наконечниками.
С На городских телефонных станциях в качестве предохрани-
телей используются термические катушки ТК-0,25 (предохрани-
||тель на номинальный ток 0,25 А). Термическая катушка (рис.
У 7.22,6) состоит из корпуса, внутри которого помещен латунный
втержень с обмоткой. Один конец обмотки соединен- с корпусом,
Иа другой — с помощью легкоплавкого сплава со стержнем.
7.14. КАСКАДНАЯ ЗАЩИТА
И МОЛНИЕОТВОДЫ
При прямых ударах молнии в воздушную линию связи в про-
ходах появляются очень большие напряжения —до 1100...
Д 1200 кВ. С хемы защиты с одним разрядником не могут обеспе-
чить надежную защиту аппаратуры связи от таких больших на-
пряжений. Поэтому в целях снижения величины опасных напря-
жений применяют дополнительную, так называемую каскадную
Щступенчатую) защиту. При такой защите через определенные
^расстояния на подходе воздушной линии (рис. 7.23) к защищае-
мому сооружению подключают искровые разрядники ИР-7, ИР-10
361
MP'20
0,5 км О,3км 0, 1км
----------------------
Станция
/ZM5 ИГ-12 ИРЛО ИР-7
Рис. 7.23. Каскадная защита
Рис. 7.24. Устройство молниеотвода
и т. д. (цифра указывает величину воздушного промежутка меж-
ду электродами). При появлении перед искровыми разрядникам;;
электромагнитной волны с большой амплитудой срабатывают
первый искровой разрядник ИР-20, рассчитанный на очень высо-
кое напряжение, и затем в зависимости от амплитуды волны по-
следующие разрядники, что значительно уменьшает амплитуду
падающей волны и ограничивает поступающее на станцию на-
пряжение.
Опоры воздушных линий связи защищают от разрушений при
прямых ударах молнии стержневыми молниеотводами, которые
устанавливают на вводных, кабельных, контрольных, разрезных,
переходных опорах, а также на опорах, заменяемых вследствие
повреждения грозовыми разрядами. Для молниеотвода использу-
ют стальную линейную проволоку диаметром 4... 5 мм, нижний
конец которой отводится. Этот отвод называют заземлителем.
Длина отвода проволоки заземлителя (рис. 7.24) зависит от ха-
рактера грунта и может быть равна 1 ... 12 м. Глубина залегания
заземлителя равна 0,7 м. Чем больше удельное сопротивление
грунта, тем больше должна быть длина отвода заземлителя. На
промежуточных и угловых опорах обычно не делают отвода, а
доводят проволоку до комля столба.
Опоры, на которых установлены искровые или газонаполнен-
ные разрядники, также защищаются молниеотводами. По усло-
виям техники безопасности на опорах, имеющих пересечение или
сближение с высоковольтными линиями, на высоте 30 см от зем-
ли на молниеотводе делается разрыв, создающий искровой про-
межуток длиной 50 см.
Эффективность молниеотвода тем больше, чем выше он рас-
положен. Зона защитного действия молниеотвода определяется
примерно по формуле S —л/z2, где h-—высота молниеотвода.
7.15. ЗАЩИТА ОТ ГРОЗЫ КАБЕЛЬНЫХ
ЛИНИЙ
Необходимость грозозащиты подземного кабеля определяют
расчетом по ожидаемому числу повреждений от ударов молнии
на 100 км трассы. Ожидаемое число повреждений может быть оп-
362
‘ Тип кабеля ..А , Симметричный со стирофлексной изоляцией Коаксиальный с шай- бовой изоляцией
МКС МКС А МКСС МКП МКПА КМ К МА
их в Ом/км А КМ 1.3 2,1 0,62 1,3 0.4 3.24 1.3 2 5 | 0,52 25 2,1 12 25 0,4 62.5 3,7 1.5 2,46 3,7 0,3 12.3
делено в зависимости от числа грозовых дней в году для каж-
'X.- Защитная способность кабелей связи от воздействия
Цйе. их грозостойкость,
А'км,
грозы,
характеризуется параметром добротности,
(7.12)
прочность кабеля, В; R— сопротивление
току, Ом/км. Чем больше U и меньше
Q= U/R,
где U — электрическая
Жболочки постоянному
|||*м выше грозостойкость кабеля.
/'•' Для различных типов кабелей грозостойкость характеризует-
ся следующими данными (табл. 7.7).
„д. Из приведенных данных следует, что наибольшей грозостойко-
стью обладают кабели со сплошной полиэтиленовой изоляцией в
ЯЙпюминиевой оболочке. Такие
кабели имеют высокую электриче-
Рис. 7.25. Перехват токов мол-
г нии, попавших в дерево
скую прочность и малое сопро-
тивление оболочки (высокое эк-
ранирующее действие).
Из представленных в таблице
кабелей лучше других симмет-
ричный кабель МКПА (Q = 62,5)
и коаксиальный KMA (Q = 12,3).
Принято считать кабели гро-
зостойкими, если их добротность
достигает 50. При более высокой
добротности порядка 80 и боль-
ше кабель считается полностью
защищенным отт воздействия гро-
зовых разрядов.
Рис. 7.26. Устройство
грозозащитных тро-
сов
363
Если грозостойкость кабелей недостаточна, то их дополнителы
но защищают с помощью медных, биметаллических или стальных
тросов.
Если кабельная трасса проходит вблизи отдельных деревьев
или вдоль леса при расстоянии между трассой и деревьями менее
15 м (удельное сопротивление грунта р^ЗОО Ом-м) и менее 50 м
(р^ЗОО Ом-м), между кабелем и деревьями (лесом) проклады-
вают заземленные стальные тросы на всем протяжении участка.
Для отдельных деревьев трос укладывают полудугой (рис. 7.25).
Глубина прокладки троса — около 80 см. При прокладке кабеля
на опушке леса следует соблюдать оптимальное расстояние до
деревьев, указанное в § 7.3.
В случае прокладки кабеля вдоль полотна электрифицирован-
ной железной дороги или вдоль металлического трубопровода гы
расстоянии не более 8 м от них защиты от ударов молнии мож-
но не применять независимо от грозовой активности и удельного
сопротивления грунта.
Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью
медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы проклады-
вают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его за-
легания, но не менее 0,4 м (рис. 7.26). Расстояние между троса-
ми 0,4... 1,2 м. Тросы по всей длине через определенные интерва-
лы должны иметь заземления. Число защитных проводов или тро-
сов определяют расчетным путем [9].
Хорошую грозозащит}' дает также установка малогабаритных
разрядников непосредственно в соединительных муфтах кабеля.
7.16. ЭКРАНИРУЮЩИЕ ТРОСЫ
Радикальным средством защиты кабелей связи от воздействия
высоковольтных линий (ЛЭП, эл.ж. д.), грозы и радиостанций
является применение экранирующих оболочек. Они полностью ло-
кализуют электростатическое влияние и существенно снижают
магнитное влияние (см. § 7.22).
Наряду с экранирующими оболочками защитное действие ока-
зывают также тросы, подвешиваемые на линиях (влияющих и
подверженных влиянию)
, и рельсовые пути эл. ж. д.
Принцип экранирующего действия
троса и рельса виден из рис. 7.27. При
прохождении по высоковольтной линии
гока в тросе и в линии связи индуциру-
ются соответственно токи Лз и /12.
В свою очередь, ток /J3 наводит в ли-
Рис. 7.27. Принцип экранирующего действия тро-
са (рельса)
364
i'HW сьязц ток /32, который находится в противофазе с током 1\2
L уменьшает его: /рез=/12—/32.
1 Таким образом, влияние при наличии троса (/рез = /12—/32)
&мьще, чем без троса (/рез = /12). Эффективность использования
Ijpca тем выше, чем меньше его сопротивление и лучше он за-
Олеи.
йркранирующее действие троса имеет порядок 0,5... 0,6, а рель-
ефе ф- 0,4 ... 0,5. Суммарное экранирующее действие кабельной
^одочки So, троса ST и рельсов Sp определяется в виде 3 =
г--- 3qS j 5 р.
7.17. РЕДУКЦИОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
; Редукционные трансформаторы (РТ) являются эффективным
средством защиты от влияния высоковольтных линий (ЛЭП и
|Д-Ж.д.). Первичная / и вторичная II обмотки РТ имеют одина-
|овое число витков и намотаны на замкнутый железный сердеч-
ник. Первичная обмотка включается в разрез металлического
пркрова (оболочку, броню, экран) защищаемого .кабеля 1—1, а
Цторичная— в разрез жил кабеля 2—2 (рис. 7.28). Первичная об-
мотка РТ обычно выполняется из медного изолированного про-
водника, поперечное сечение которого не меньше общего эквива-
лентного поперечного сечения металлического покрова кабеля,
рторичная обмотка представляет собой пучок изолированных
Йруг от друга жил, по конструкции одинаковых с жилами защи-
щаемого кабеля.
g Принцип действия редукционного трансформатора ясен из
|рис. 7.29. Ток высоковольтной линии Ц индуцирует ЭДС и токи
в жилах кабеля (Д2) и оболочке (/13). Ток в оболочке /в в свою
(очередь через редукционный трансформатор наводит в жилах
Цкабеля дополнительный ток /р.т, противоположно направленный
йю отношению к токам влияния в жилах кабеля. Таким образом,
|3а счет РТ ток помех в кабеле снижается на величину тока транс-
формации: /рез” 112—/р.т-
рис. 7.28. Редукционный
трансформатор
Рис. 7.29. Принцип действия ре*
Аукционного трансформатора
365
Экранирующий эффект (S) редукционных трансформаторов
зависит от их числа: при одном. РТ 5=0,3; при двух — 0,2; при
трех — 0,15. Без РТ величина 5 составляет 0,8... 0,9. /
Отсюда следует, что наличие одного РТ дает снижение помех
в 3 раза, а при трех РТ помехи снижаются в 6 раз. Дальнейшее
увеличение числа РТ не дает существенной выгоды. /
Экранирующий эффект редукционных трансформаторов мо-
жет быть определен пр формуле
5=5об/[1+^р.т/(^об0]> (7.13)
где 50б — экранирующее действие кабельной оболочки (0,8..; 0,9);
п — число редукционных трансформаторов; Zp.T — сопротивление
первичной обмотки РТ, Ом; zo6 — сопротивление кабельной обо-
лочки, Ом; / — длина линии, км.
Конструктивно редукционный трансформатор выполнен в ви-
де металлического герметичного ящика и устанавливается в зем-
ле на глубине прокладки кабеля. Масса редукционного транс-
форматора 100 ...500 кг.
7.18. ОТСАСЫВАЮЩИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
И КОНТУРЫ
Отсасывающие трансформаторы используются для уменьше-
ния магнитного влияния контактной сети электрифицированной
железной дороги переменного тока. Первичная обмотка транс-
форматора включается последовательно в контактный провод,
вторичная обмотка — либо в отдельный, обратный провод, подве-
шиваемый на опорах контактной сети, либо последовательно в
рельсы (рис. 7.30). Ток контактной сети, протекая по первичной
обмотке, индуцирует во вторичной обмотке почти противополож-
е)
К контактному
— » й»
i прододу
л н
Рис. 7.30. Схема включения отсасывающего трансформатора:
а) с обратным проводом; б) без обратного провода; в) включение сглаживающих уст-
ройств
366
Йо направленный ток. Благодаря этому ток, возникающий в об-
ратном проводе, индуцирует в подверженных влиянию цепях свя-
|и токи противоположного знака и тем самым результирующее
влияние снижается. При включении вторичной обмотки в рельсы
|ок значительно возрастает, что приводит к увеличению защитно-
|о\действия рельсов.
|( 'уДля сглаживания пульсации напряжения на эл. ж.д. постоян-
ного тока используются -реакторы с резонансными контактами,
ротбрые включаются на подстанциях по схеме,, показанной на
1рис77.30,в. Реактор состоит из соединенных последовательно вит-
ков медного провода, укрепленных в бетонных стойках. Активное
|еопротивление реактора во избежание больших потерь электри-
ческой энергии должно быть как можно меньше, индуктивное —
|больше. Резонансные контуры настраиваются в резонанс на со-
ответствующие гармоники пульсирующего напряжения и замы-
1кают накоротко цепи прохождения токов этих гармоник.
7.19. УСТРОЙСТВО ЗАЗЕМЛЕНИЙ
Заземление — это устройство, состоящее из заземлителей и
проводников, соединяющих заземлители с электрическими уста-
новками. Заземлителем называют проводник или группу провод-
ников, выполненных из проводящего материала и находящихся в
непосредственном соприкосновении с грунтом. Заземлители мо-
гут быть любой формы — в виде трубы, стержня, полосы, листа,
проволоки и т. д.
В зависимости от выполняемых заземлениями функций разли-
чают рабочее, защитное и линейно-защитное заземления.
В технике связи рабочим заземлением называют устройство,
предназначенное для соединения аппаратуры с землей, служа-
щей одним из проводников электрической цепи. К защитным от-
носятся заземления, предназначенные для соединения с землей
приборов защиты (молниеотводов, разрядников), а также ме-
таллических частей силового оборудования. Линейно-защитными
заземлениями называют устройства для заземления металличе-
ских оболочек и экранов кабелей.
Отношение потенциала заземлителя к стекающему с него то-
ку называется сопротивлением заземления: R3=U3/13. Величина
: сопротивления заземления зависит от удельного сопротивления
, грунта и площади соприкосновения заземлителей с землей. Нор-
мы сопротивления заземлений для различных установок провод-
ной связи приведены в ГОСТ 464—68.
По своей конструкции заземлители разделяются на вертикаль-
ные стержневые, горизонтальные протяженные, кольцевые, пла-
стинчатые и глубинные (рис. 7.31). Чаще всего применяются вер-
тикальные заземлители трубчатого типа (рис. 7.32,а). Исходя из
367
Рис. 7.31. Конструкции заземлителей;
а) вертикальный; б) горизонтальный; в) кольцевой; г) пластинчатый; д) глубинный
Рис. 7.32. Устройство трубчатых заземлений:
а) одиночного; б) многоэлектродного
требуемых величин сопротивления заземлителей, необходимости
получения достаточной механической прочности и удобства обыч-
но используют трубы диаметром 2,5... 5 см и длиной 1,5 ...3 м.
Если величина сопротивления одного заземлителя, например при
одной трубе, велика, то заземлитель устраивают из нескольких
труб, соединенных между собой. Такой заземлитель называют
многоэлектродным (рис. 7.32,6).
Общее сопротивление многоэлектродного заземлителя умень-
шается не пропорционально числу единичных заземлителей, со-
единенных параллельно, а несколько меньше. При расчете вво-
дится поправочный коэффициент гр В этом случае (Л?п).
368
|&e N— число труб; г| — поправочный коэффициент использова-
ния заземлителей, зависящий от расстояния между заземлителя-
ми и их взаимного расположения (т) = 0,19 ... 0,92).
ЭКРАНИРОВАНИЕ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
7.20. ПРИМЕНЕНИЕ ЭКРАНОВ
^Наиболее радикальным средством защиты коаксиальных и
^симметричных кабельных цепей от помех является их экраниро-
вание. По конструкции и принципу действия различают экраны,
^защищающие от внешних и от внутренних (взаимных) помех.
|Для защиты от внешних помех кабель поверх сердечника покры-
вается металлическими оболочками. Они, как правило, имеют
^сплошную цилиндрическую конструкцию и выполняются из свин-
|ца, алюминия или стали (рис. 7.33). Известны также коиструк-
|ции двухслойных экранирующих оболочек типа алюминий — сви-
. нещ алюминий — сталь и др. Применяются также экраны лен-
точного типа преимущественно из алюминиевых, медных, сталь-
ных лент, накладываемых спирально или продольно вдоль кабе-
. ля, и оплеточные экраны преимущественно из плоских и круглых
проволок.
Экраны, защищающие от взаимных помех, являются состав-
ным элементом самого кабельного сердечника. В этом случае це-
пи с высоким уровнем передачи размещаются внутри экрана и
обеспечивается возможность организации высокочастотной связи
по однокабельной системе (прокладывается один кабель). При
•однокабелъной связи экраны электрически делят цепи прямого и
обратного направлений и исключают взаимные помехи.
В коаксиальных кабелях для обеспечения требуемых норм по-
мехозащищенности при однокабельной связи внешний проводник
выполняется биметаллическим (медь — сталь).
На рис. 7.34 показан симметричный кабель однокабельной
связи с разделенным экраном для системы К-60, Экран имеет
Я? плоска проволок . Из круглы к пробою*
Рис. 7.33. Металлические оболочки —
экраны кабелей связи:
а) сплошные; б) ленточные; с) оплеточные
Рис. 7.34. Экранированный кабель
однокабельной связи
(медь - сталь - кода j
369
трехслойную ленточную конструкцию (медь — сталь — медь)
с толщиной слоев по 0,1 мм.
В радиочастотных кабелях антенно-фидерного назначения
применяются экраны гибкой конструкции типа оплетки из мед-
ных или стальных проволок.
7.21. ПРИНЦИПЫ ЭКРАНИРОВАНИЯ
В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
В реальных условиях экранирования приходится считаться с
воздействием как магнитных, так и электрических полей. Причем
в отдельных условиях может преобладать та или иная компонен-
та поля. Обычно поле имеет выраженный характер электрическо-
го или магнитного вблизи своего источника—на расстоянии по-
рядка длины волны. Для частоты 109 Гц длина волны составляет
0,3 м, а для частоты 106 Гц —300 м. Поэтому во многих случаях
экранирования приходится иметь дело с преимущественным влия-
нием электрического или магнитного поля.
На расстоянии примерно более пяти-шести длин волн от ис-
точника поле принимает плоскую конфигурацию и распростра-
няется в виде плоской волны. Особенностью плоской волны яв-
ляется то, что энергия в ней разделена на равные части между
электрической и магнитной компонентами.
Сильные магнитные поля, как правило, присущи цепям с низ-
ким волновым сопротивлением, большим током и малым перепа-
дом напряжений. Интенсивные электрические поля создаются в
цепях с большим сопротивлением, высоким напряжением и ма-
лым током.
Для плоской волны в свободном пространстве волновое со-
противление равно = 376,7 Ом. Для поля с пре-
обладающей электрической компонентой волновое сопротивление
существенно больше (Z^.^Zq), а для магнитного поля сущест-
венно меньше (Zah<zZq) значения волнового сопротивления для
плоской волны.
электромагнитного экранирования
в широком диапазоне частот необ-
ходимо исходить из полных урав-
нений электродинамики с учетом
токов смещения и учитывать два
типа волн высшего порядка (рис.
7.35)—волну Е (поперечно-магнит-
ную ТМ) и волну Н (поперечно-
электрическую ТЕ). Волна ТМ ха-
я изучения процессов
Поперечно-наг-
ни тн. бол на ТМ
Яоперечно-злек-
трич бол на ТЕ
Рис. 7.35. Экранирование полей:
о) электрического; б) магнитного
370
растеризует экранирование магнитного поля, а волна ТЕ — экра-
нирование электрического поля.
. Коэффициент экранирования определяется по следующим фор-
мулам:
\ для магнитного поля
\ S" - -4---------------------!------------------(7.14)
сЬЛмД 1 Zo ’ К
для электрического поля
SE = — ----------------------!----'------------- (7.1 5)
ch fe„A 1 Z„ ’
1+ „ ~ П Hn’(kpr.^h
M
В технике связи и радиоэлектронике принято оценивать экра-
ны не через коэффициент экранирования 3, а через экранное за-
тухание Лэ, характеризующее величину затухания, вносимого эк-
раном^ Лэ==20 lg| 1/S |, дБ, или Дэ=1п|1/з|, Нп. Тогда для маг-
нитного поля затухание экранирования, дБ, определится форму-
лой (при_п=1)
То же для электрического поля (при п—1)
= 201g [ ch j —
- i*(V,) (k^3) th Ml,
&де &M —yiwpcy — коэффициент распространения в металле (коэф-
; фициент вихревых токов); йд=соуре — коэффициент распростра-
нения в диэлектрике; Д — толщина экрана; г3— радиус экрана;
J\ и /Л — цилиндрические функции первого (Бесселя) и третьего
(Хенкеля) родов; // и Я/ — производные этих функций; Zo—
— Уц/е — волновое сопротивление диэлектрика плоской волны;
ZM=^yia)p/cr — волновое сопротивление металла.
Сравнивая выражения для Дэн и Дэ£, видим, что они имеют
принципиально одинаковую структуру. Это дает основание при-
нять единую формулу расчета экранного затухания электрическо-
го и магнитного полей в следующем виде:
Дэ = 201g | ch kjb 1 + 201g
-I- _L _£д_ th
2 zM
(7-17)
371
Разница будет лишь в значениях волновых сопротивлений ди-
электрика ZA: для магнитного поля ZAH==Z№ikRr3J \ (kAr3) Hi (kAr3);
для электрического поля ZAE=ZoinkAr3Ji' (kAr3)H/ (kAr3). Осталь-
ные значения одинаковы для электрических и магнитных полей.
Формула расчета А3 справедлива в широком диапазоне частот
от нуля до СВЧ и при любом режиме использования экранов
(электромагнитостатическом, электромагнитном, волновом). Ана-
лизируя полученный результат, можно отметить, что формула
расчета экранного затухания состоит из двух частей А3~-Чп+^о>
где An=201g|ch^MA]—затухание поглощения, а Ло = 201g 1 +
1
затухание отражения.
Затухание поглощения обусловлено тепловыми потерями на
вихревые токи в металле экрана. Чем выше частота и толще эк-
ран, тем больше Ал. Затухание отражения связано с несоответст-
вием волновых характеристик металла, из которого изготовлен
экран (ZM), и диэлектрика, окружающего экран (ZA). Чем боль-
ше различие между ZM и Zfl, тем сильней эффект затухания отра-
жения. Величина затухания поглощения Ап практически не зави-
сит от вида поля и имеет однозначное значение для всего диапа-
зона частот — от 0 до СВЧ. Затухание отражения Ао и, в первую
очередь, волновое сопротивление диэлектрика ZA различны для
разных режимов и частотных диапазонов использования экранов.
Из приведенных формул видно, что частотная зависимость
волновых сопротивлений диэлектриков для магнитного и электри-
ческого полей имеет принципиально различный характер. Величи-
на ZAH растет, a ZAE, имея бесконечность при затем падает.
По абсолютной величине ZA£>>Z0Z>ZAH. В волновой зоне (свыше
109 Гц) значения ZAE и ZAH имеют колебательный характер. Вол-
новое сопротивление металла ZM —yicop/o растет по закону кор-
ня из частоты, а волновое сопротивление плоской волны постоян-
но и равно Zo—Уц/е = 376,7 Ом.
В диапазоне частот до 108... 10э Гц формулы расчета могут
быть упрощены. При малом аргументе (х<0,25) функции J\ и
Нх преобразуются: /1(х)=л72 и Н} (х) = 2/ (лх). Тогда получим:
ZHA Zoi £дгэ = |Лх/е i со гэ = i соигэ;
(7.18)
____1__________
i со Крегэ i соЕгэ
(7.19)
Частотные зависимости затуханий отражения магнитного
(Аоя) и электрического (Аоя) полей принципиально аналогичны
зависимостям ZAH и ZAE соответственно.
372
Рис, 7.36. Частотные зависимости экранного затухания полей:
а) магнитного: б) электрического
На рис, 7.36 приведены результаты расчета экранного затуха-
ния магнитного (А3Н) и электрического (АЭЕ) полей. На графи-
ках видны три характерные частотные области, соответствующие
различным режимам работы экранов:
низкочастотная, соответствующая электромагнитостатическо-
му режиму работы;
высокочастотная, соответствующая электромагнитному ре-
жиму;
сверхвысокочастотная область, соответствующая волновому
режиму.
Рассмотрим более подробно принцип действия экранов и их
основные характеристики при использовании в электромагнит©'
статическом, электромагнитном и волновом режимах.
7.22. ЭЛЕКТРОМАГНИТОСТАТИЧЕСКОЕ
ЭКРАНИРОВАНИЕ
Электромагнитостатический режим характеризует стационар-
ные и статические поля и распространяется на диапазон частот
до 4 кГц. В этой частотной области экраны действуют на принци-
пе замыкания соответствующих полей вследствие повышенной
электро- и магнитопроводности металлов. В данном случае для
расчета экранов могут быть использованы уравнения Максвелла в
стационарном режиме rot// —оЕ и rotE = 0.
Электростатическое и магнитостатическое экранирование име-
ют принципиальное различие.
Электростатическое экранирование обеспечивает экранирую-
щий эффект, равный бесконечности при постоянном поле (f=0),
который с ростом частоты уменьшается. Это обусловлено частот-
ной зависимостью волнового сопротивления диэлектрика относи-
тельно электрического поля ZAE= 1/1соегэ и природой экранирова-
ния статического электрического поля.
Электростатическое экранирование состоит в замыкании элек-
трического поля на поверхности металлической массы экрана и
373
Рис. 7,37. Электростатическое экранирование:
й,) экран не заземлен; б) экран заземлен
Зюа/f
Рис. 7.38. Магнитоста-
тическое экранирование
передачи электрических зарядов на землю или корпус прибора.
Если, например, между проводом ау несущим помеху, и прово-
дом б, подверженным влиянию, поместить экран, соединённый с
землей и корпусом прибора, то экран будет перехватывать элек-
трические силовые линии, защищая провод б от помех (рис. 7.37).
Обязательным условием высокой эффективности электростати-
ческого экранирования является металлизация экрана, т. е. со-
единение его с корпусом прибора или землей. Исходя из природы
электростатического экранирования, следует, что любой металли-
ческий экран (медь, сталь, алюминий, свинец) одинаково полно
локализует поле помех и выполняет роль электрического экрана.
Причем здесь не предъявляется особых требований к типу метал-
ла, его толщине и проводимости.
Относительно магнитостатических полей стальной (и, медный
экраны ведут себя совершенно по-разному. Это связано с приро-
дой магнитостатического экранирования.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании
магнитного поля в толще экрана, происходящее вследствие его
повышенной магнитопроводности. Как видно из рис. 7.38, магнит-
ный поток, создаваемый проводом а, несущим помехи, замыкает-
ся в толще магнитного экрана и лишь частично проникает в эк-
ранированное пространство. Эффективность магнитостатического
экранирования тем больше, чем больше его магнитная проницае-
мость ц и больше толщина экрана Л. С увеличением радиуса маг-
нитостатического1 экрана гэ его эффективность снижается.
Для получения надежного магнитостатического экранирования
стенки экрана приходится делать сравнительно толстыми или при-
менять составной экран из нескольких слоев металлов с большой
магнитной проницаемостью (ц^>1). Немагнитные металлы (медь,
алюминий, свинец) не способны концентрировать магнитные си-
ловые линии и не могут выполнять роль магнитостатического
экрана.
374
Магнитостатические экраны эффективны лишь при постоян-
ном токе и в диапазоне низких частот. С увеличением частоты
^возрастает роль вихревых токов в экране, происходит вытеснение
^магнитного поля из толщи экрана и его повышенная магнитопро-
водность теряет свое значение. В области высоких частот магнит-
ный (стальной) экран меняет режим своей работы с магнитоста-
тического на электромагнитный, действующий по принципу воз-
никновения вихревых токов в толще экрана. Немагнитный
: (медный) экран во всем диапазоне частот от нуля действует в
электромагнитном режиме, поэтому его эффективность в области
низких частот весьма мала.
7.23. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ
ЭКРАНИРОВАНИЕ
Рассмотренные выше электростатические и магнитостатиче-
ские экраны, действующие по принципу замыкания соответствую-
щих полей вследствие повышенной электро- и магнитопроводно-
сти их материалов, эффективны лишь в области низких частот.
Действие электромагнитных экранов может быть представлено
как многократное отражение электромагнитных волн от поверх-
ности экрана и затухание высокочастотной энергии в металличе-
ской толще экрана. Затухание энергии в экране обусловлено теп-
ловыми потерями на вихревые токи в металле. Отражение энер-
гии связано с несоответствием волновых характеристик диэлект-
рика и металла, из которого изготовлен экран. Чем больше отли-
чаются между собой волновые сопротивления диэлектрика к ме-
талла’, тем сильнее эффект экранного затухания за счет отраже-
ния. Это объяснение соответствует физической сущности рассмат-
риваемого процесса экранирования.
Как видно из рис. 7.39, электромагнитная энергия W7, достиг-
нув экрана, частично проходит через него, затухая при этом в
толще экрана, и частично отражается от него IV'01 (первая грани-
ца диэлектрик — экран). На второй границе (экран — диэлектрик)
энергия вторично отражается (№02) и лишь оставшаяся часть
проникает в экранированное,простран-
ство. Следовательно, энергия при про-
хождении через экран уменьшается от W
до Нужно иметь в виду, что в дан-
ном примере явление отражения пред-
ставлено несколько упрощенно. В дей-
Рис. 7.39. Прохождение электромагнитной энер-
гии через экран:
№ — поле помех; R/01 и IV'03 — отраженные поля; W* —
поле за экраном
375
ствительности будет иметь место процесс многократного отраже-
ния энергии от границ диэлектрик — экран — диэлектрик.
Электромагнитное экранирование может осуществляться с по-
мощью немагнитных и' магнитных оболочек, но из-за потерь, вно-
симых экраном в цепь передачи, немагнитным металлам (меди,
алюминию) отдается предпочтение. В определенной области ча-
стот наилучший эффект дают многослойные комбинированные эк-
раны, состоящие из последовательно чередующихся слоев магнит-
ных и немагнитных металлов.
Электромагнитное экранирование охватывает частотный диа-
пазон от 103... 104 до 10s... 109 Гц. Для этой частотной области
справедливы уравнения Максвелла в квазистационарнс>м режиме
(без учета токов смещения): rot# —оЁ и го!Ё“— icop#.
Расчет электромагнитных экранов можно осуществлять по
следующим формулам:
где — волновое сопротивление диэлектрика; для электрическо-
го поля /дЕ== 1/1(оегэ, для магнитного поля ZAH—и для
плоской волны Z0 = yp/e. В случае, если экран является электри-
чески толстым, т. е. его затухание Лп превышает 13 дБ, то второй
границей отражения ^,М/А?Д) можно пренебречь и формула эк-
ранного затухания отражения упростится:
Формула экранного затухания состоит из двух частей: экран-
ного затухания поглощения (An = 201g|ch £МА|) и экранного за-
тухания отражения (Ло).
В табл. 7.8 приведены результаты расчета (в децибелах) эк-
ранирующего действия оболочек из меди, стали, алюминия и
свинца для различных типов волн (магнитной, электрической и
плоской).
Анализируя формулу экранирования поглощения Ап и приве-
денные данные, можно отметить, что эффект экранирования воз-
растает в прямой зависимости от коэффициента вихревых токов
Лм и толщины экрана А. С ростом частоты величина Ап изменяет-
ся довольно резко. Экранирование поглощения стали больше, чем
меди. Экранное затухание поглощения Ап не зависит от типа вол-
ны и имеет одинаковое значение для электрической, магнитной и
плоской волн. Экранное затухание отражения (Ао) существенно
зависит от вида поля. Это обусловлено различием величин волно-
вого сопротивления диэлектрика электрической (ZAE), магнитной
(ZAH) И ПЛОСКОЙ (Zo) волн.
376
Таблица 7.8
f? Гц Медь
А Я Аи ° I J ае 1 ло лЕИ л о л 4 4 АЕН
103 0 1,56 255,4 119,9 1,56 255,4 119,9
Ю4 0 7,9 234,6 119,9 7,9 234,6 119,9
10б 0,17 26,7 213,6 119,9 26,9 213,8 120, 1
ю6 6,5 41,2 187,6 114,7 47,7 194,1 121,2
107 35,2 50,4 156,4 104,2 85,6 '191,6 139,4
108 125 59,9 127,7 93,8 184,9 252,7 218,8
Ю9 404 71,2 106 83,4 475,2 510 487,4
Сталь (}х~ЮО)
Л ГЦ аЕ Aq 1 ,Е// Ао .2* /1 -
Ю3 ; 0 0 236,4 111,8 0 236,4 111 ,8
Ю4 0,20 0 215,4 111,8 0,26 215,7 II2.I
]05 8,6 6,7 189,4 95,6 15,3 198 104,2
106 40,5 13,2 178 85,1 53,7 218,5 125,6
Ю7 141,6 99 128,6 74,7 163.6 270,2 216,3
10s 469 31,7 98,1 65, 1 500,7 567,1 534,1
: 109 1459 42,6 68,6 54,7 1501,6 1527,5 1513,7
Алюминии
/ , Гц А с АН ло /:// л0 2/ 4 А™
10з 0 0,9 249,2 115,5 0,9 249,2 115,5
КО 0 4.4 229,4 115,5 4,4 229,4 115,5
105 0 24 208,4 115,5 24 208,4 115,5
К)6 vi > о 41,8 189,4 114,7 45,3 192,8 118,0
107 26 47,2 153,8 100.8 73,1 179,8 126,8
108 94,7 58,2 175,1 91,2 152,9 219,8 185,9
109 312 68,6 95,6 81.6 380,6 407,6 393.6
С винс'1
Л Гц А it Ан ло Ас ЕН ^0 | А'" 1 _ Аэ Rif Аэ
103 0 1 1 232,8 99 0 232,8 99
Ю4 0 1.7 21 ° 98,1 1,7 212 98,1
10б 0 6,1 192 98,1 6. 1 192 98, 1
106 0 25 172 98,1 25 172 98.1
107 5,0 40,5 147,7 93,8 45,5 152,7 98 ,8
108 30,9 50,4 116,4 83,4 147,3 114,3 114,3
109 109,8 59,9 86,5 73,0 169,7 196,3 182,8
377
Т а б лиц а 7.9
h Гц Волновое сопротивление (по модулю), Ом, для различных металлов
Медь j . Сталь J Алюминии | Свинец
I03 0,0118-10-3 0,3303-10-з 0,0153-Ю-з 0,0418-Ю-з
10* 0,0372-10-' 1,044-Т0-э 0,0483-Ю-з | 0,1312-IO"3
1О5 i 0,118-10-3 3,303-10-3 0,153-10-3 0.418-10~3
J0® 1 0,372-10-3 10.44-Ю-з 0,483 • 10“3 1,322-10-3
107 1 • -J !,18-10-з । 33,03-Ю-з 1.53-10-3 4,18-Ю-з
10й j 3,72-IO-3 | 104,43-10“3 4,826-Ю-з | 13,22-Ю-3
i О9 1 il,8-10-3 I 330,3-10-3 I 15,3 -1 41.8-
i ел 37,2-10"3 1 1044,3- 10-3 ! 48,26-10-з 132,2-10-3
J 01^ И8-10-3 1 3303-Ю-3 1 153-10-3 418-IO"3
1 A U — J 372-IQ-з 10443-Ю-3 i 482,6- Ю"3 1322-10’3
Рас- | четная! формуй ла I 0,372-10"6 С Г | J 1 10,44-IO-5р Г 1 ! 1 । i Г 1 0,483-10-4 Г i I 4 1,32-1 о-6 ГТ
Значения волновых сопротивлений различных металлов (меди,
стали, алюминия, свинца) приведены в табл. 7.9, а диэлектрика
определяются формулами (7,18) и (7.19).
Сопоставляя по экранному затуханию отражения различные
металлы, следует отметить, что наилучший эффект отражения
у меди, затем идет алюминий, свинец и самая малая отражатель-
ная способность у стали. Поэтому медь, существенно уступая ста-
ли по затуханию поглощения, имеет весьма большие преимущест-
ва по затуханию отражения.
Рассмотрим результирующую эффективность (Лэ™Ип+^о)
экранов (дБ/мм) относительно электрического и магнитного по-
лей (см. табл. 7.8). Экранное затухание магнитного поля А3Н
имеет- во всем диапазоне частот растущий характер. Кривая эк-
ранного затухания электрического поля имеет сложный' ха-
рактер: вначале она падает, а затем растет. Минимум наблюда-
ется при частотах 10G... 107 Гц.
Экранное затухание плоской волны в диапазоне до 106...
... 107 Гн имеет постоянное значение, а затем растет за счет по-
глощения в металле. Причем электрическое поле экранируется
существенно лучше, чем магнитное, т. е. А3Е,>А31{. Плоская вол-
на занимает промежуточное положение (Л/;Д> А3ЕН.Д>А3Н) • По-
этому магнитные поля являются определяющими при конструи-
ровании экранов, и от их мешающего влияния необходимо в пер-
вую очередь защищать устройства связи и радиотехники.
378
7.24. ВОЛНОВОЙ РЕЖИМ
ЭКРАНИРОВАНИЯ
Волновой режим экранирования распространяется на диапазон
сверхвысоких частот: от 10°... 1010 Гц и выше, охватывая область
дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Пределом
разграничения электромагнитного и волнового режимов является
соизмеримость длины волны X с диаметром экрана D3. При Х^
5^£)э наступает волновой режим экранирования. В этом .случае
наряду с токами проводимости надлежит учитывать также токи
смещения и исходить из полных уравнений электродинамики:
rotE = i0p/7 и rot И =
Если при рассмотрении электромагнитных экранов надлежит
оперировать основной волной Т, то для экранов в волновохм ре-
жиме необходимо учитывать волны высшего порядка Е и Н. Осо-
бенностью волнового режима является колебательный волновой
характер изменения экранного затухания от частоты. Это связа-
но с природой электромагнитного поля сверхвысоких частот, ког-
да Х^ЕЦ
Расчет экранов в волновом режиме относительно электриче-
ских и магнитных полей производится по полной формуле Аэ=
= АП+АО. В этой формуле экранное затухание поглощения Ап —
= 20 lg] ch &мД | одинаково для электрического и магнитного по-
лей. Экранное затухание отражения Ао за счет разницы в значе-
ниях 2дн и 2д£ различно для электрического и магнитного полей.
На рис. 7.36 приведены значения экранного затухания магнитно-
го (Дэн) и электрического (А3Е) полей. Из приведенных данных
видно, что изменения затуханий экранирования Аэ и отражения
Ао в диапазоне свыше 109 Гц носят колебательный характер. Фи-
зически данное явление связано с резонансными явлениями при
Х^£)э и свидетельствует о волновой природе электромагнитного
поля на СВЧ. Математически это обусловлено наличием в фор-
мулах расчета (СВЧ) цилиндрических функций первого (J\)
щ третьего родов. Они придают затуханию колебательный
характер. При этом в определенных точках, соответствующих ну-
левым координатам функции Д, провалы характеристики дости-
гают минус бесконечности.
7.25. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ
И НЕМАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ
Магнитные экраны при постоянном токе в области низких ча-
стот действуют как магнитостатические по принципу замыкания
магнитного поля в толще экрана вследствие повышенной магни-
топроводности последнего (ц=Ю0 и выше). С ростом частоты
возрастает роль вихревых токов, магнитное поле вытесняется ив
379
Рис. 7.40. Эффективность экрани-
рования немагнитных (1) и маг-
нитных (2) экранов
Рис. 7.41, 'Экранное затуха-
ние поглощения Дп и отра-
жения До медного и сталь-
ного экранов
толщи экрана и его повышенная магнитопроводность теряет свое
значение. Экран переходит в электромагнитный режим работы и
действует так же, как немагнитный экран, за счет вихревых токов
в толще экрана. Немагнитные экраны во всем частотном спектре
действуют как электромагнитные, т. е. по принципу возникнове-
ния в них вихревых токов. При постоянном токе они не обладают
электромагнитными экранирующими свойствами. С ростом часто-
ты экранирующий эффект возрастает.
График частотной зависимости экранного затухания магнитно-
го и немагнитного экранов приведен на рис. 7.40. На графике
видны три характерные частотные зоны. В первой зоне от 0 до
/=3... 10 кГц магнитный экран работает в магнитостатическом
режиме и обладает лучшими экранирующими свойствами, чем
немагнитный экран. Во второй и третьей зонах оба экрана нахо-
дятся в электромагнитном режиме. Но во второй зоне от до
/2^106 Гц немагнитный экран имеет больший экранирующий
эффект, чем магнитный, а в третьей зоне от /2Э> Ю6 Гц и выше из
графика явно видно превосходство стального экрана. Это об-
условлено тем, что магнитные экраны хорошо поглощают энер-
гию и очень плохо отражают ее (ЛП.7>ЛО). У немагнитных мате-
риалов, наоборот, ЛО>ЛП. Частота 0,8...! МГц является часто-
той раздела, ниже которой преобладает затухание, отражения над
затуханием поглощения (Ла>Лп), а выше, наоборот, ЛП7>ЛО.
Поэтому в нижней области частот, где экранирующий эффект оп-
ределяется затуханием отражения, медный экран заметно эффек-
тивней стального. В области высоких частот (0,8... 1 МГц и вы-
ше), где начинает преобладать затухание поглощения, лучше при-
менять стальной экран. Это положение наглядно иллюстрирует-
ся рис. 7.41, где приведен расчет значений Лп, Ло, Л3 для медно-
го и стального экранов толщиной 0,1 мм.
380
7.26. СРАВНЕНИЕ ЭКРАНОВ РАЗЛИЧНЫХ
КОНСТРУКЦИИ
В технике связи и радиотехнике широко применяются основ-
ные конструктивные разновидности экранов: плоские, цилиндри-
ческие и сферические (рис. 7.42). Коэффициент экранирования
этих экранов
Разница коэффициентов экранирования состоит лишь в вели-
чине волнового сопротивления диэлектрика ZA. Волновое сопро-
тивление, оказываемое диэлектрической средой (воздухом) раз-
личным видам волн, вычисляется по формулам:
для плоской волны Z/ = io)p2r3;
для цилиндрической волны Zal*=io)pr3/n;
для сферической волны ZAC = коргэ/(|2п).
Волновое сопротивление металла определяется выражением
Yicop/o. Сопоставляя значения волновых сопротивлений ди-
электрика плоского, цилиндрического и сферического экранов,
можно отметить, что они выражаются соотношением (при /1=1)
ZAn : ZAU : ZAC= 1 : 1/2 : 1/3. Для практически интересующих нас
частотных спектров и конструкций экранов существует неравенст-
во ZA/ZM.>>ZM/ZA. Тогда эффективность экранирования плоского,
цилиндрического и сферического экранов будет выражаться при-
мерно соотношением (Sn : Зц : Sc= 1 : 2 : 3).
Таким образом, если коэффициент экранирования плоского
экрана принять за единицу, то коэффициент экранирования ци-
линдра будет в 2 раза больше (Su = 2Sn), а шара (сферы) —
в 3 раза (Sc = 3Sn). Так как. экранирующее действие экрана тем
больше, чем меньше величина S, то по эффекту экранирования
указанные три принципиальные конструктивные разновидности
экранов можно расположить в следующей последовательности:
плоский экран, цилиндр, шар.
Принимая за исходный плоский экран, для которого Аэп =
= 20 1 g11 /Зп |, дБ, получим
Аэц—20 1g 11/SU | =201g 11/(2S11) 1 = Аз11—20lg 2 = Аэп—6,08,
Дэс=20 1g 11/SC| =201g 11/(3Sn) | = Аэл—20 1g 3=АЭП—9,55.
Таким образом, экранирующее действие цилиндрического эк-
рана меньше, чем плоского, на 6,08 дБ, а сферического — на
9,55 дБ. Плоский экран здесь принимается бесконечно длинным,
и влияние краевого эффекта не учитывается. Разница в эффектив-
381
нов, а также при
Рис. 7.42. Конструктивные формы экранов
ности экранирования между цилиндрическим
. и сферическим экранами составляет 3,47 дБ
в пользу первого экрана.
Конструктивная форма экрана сравнитель-
но мало влияет на его экранирующие харак-
теристики. Решающее значение имеют мате-
риал, из которого изготовлен экран (k=
= }zG)p6), толщина Д и радиус экрана гэ. Ма-
лое влияние формы экрана является весьма
ценным обстоятельством, так как позволяет
в практике расчета и конструирования экра-
определении эффективности экранирования при-
менять формулы, приведенные для плоского, цилиндрического и
сферического экранов, к экранам, близким им по конструкции.
7.27. ЭКРАНИРУЮЩИЙ ЭФФЕКТ С УЧЕТОМ
ПРОДОЛЬНЫХ ТОКОВ
Выше рассматривалось действие экранов относительно попе-
речных электромагнитных полей и создаваемых ими вихревых
токов в толще экрана. Учитывался суммарный эффект от погло-
щения энергии в толще экрана и отражения на границах металл—
диэлектрик (Лэ=Лп+А0). В реальных условиях использования
кабелей связи необходимо учитывать также действие продольных
токов, обусловленных наличием третьей цепи (рис. 7.43): экран
(оболочка)—земля (Лпр).
Отличие процесса экранирования при непосредственном влия-
нии от влияния через третьи цепи заключается в следующем: в
первом случае в экране происходят микропроцессы — наведение
вихревых токов, поэтому несущественны условия нагрузки и за-
земления экрана; во втором случае в экране происходят макро-
процессы— наведение продольных токов в цепях экран (обо-
лочка) — земля, поэтому здесь весьма существенны параметры це-
пей, их нагрузки и условия заземления.
Следует различать эффективность экранов, предусмотренных
для защиты от внешних источников помех и от взаимных влия-
ний между цепями, расположенными в общем кабеле. При защи-
те от внешних помех существенное значение играют третьи цепи
(оболочка — земля). Здесь велика роль составляющей продоль-
ных токов и надо учитывать действие как вихревых (Аэ), так и
продольных (АПр) токов. Для цепей, расположенных в общем ка-
беле, превалирует эффект вихревых токов, и в первом приближе-
нии он и определяет защитное действие экрана.
382
Рис. 7.43. Составляющие экраниро-
вания с учетом продольных токов
Л Пр
О 10 20 30 0Q $0 60 7Q 80 90 f, Х/ц
Ркс. 7.44. Экранирующее действие
поперечных Дэ и продольных Дпр тр-
ков
В общем случае к третьим цепям относятся не только экраны
и оболочки, по и тросы, рельсы, соседние проводники и другие
протяженные металлические устройства. Схематично принцип
действия третьих цепей состоит в следующем. Ток помех Л, про-
текающий в первой цепи, индуцирует во второй цепи ток Д2 и в
третьей цепи ток /13. Последний, в свою очередь, индуцирует во
второй цепи ток обратного направления /32. В результате во вто-
рой цепи будет действовать разностный ток Л2—/32, который мень-
ше, чем ток без третьей цепи (Л2).
Следует иметь в виду, что в общем случае третьи цепи могут
как уменьшать, так и увеличивать мешающее влияние. Это зави-
сит от соотношения фазовых параметров, с которыми складыва-
ются токи в цепи, подверженной влиянию (Л2 и /32). Как прави-
ло, положительный эффект экранирования третьих цепей для за-
щиты от внешних помех достигается при их хорошем заземлении,
малом электрическом сопротивлении и наличии хорошей взаим-
ной индуктивности между цепями. Установлено, что кабельные
оболочки всегда улучшают экранирующий эффект и тем больше,
чем меньше величина сопротивления связи Zi2 и чем лучше вы-
полнено заземление оболочки по длине.
Таким образом, результирующее экранное затухание Дэ.рез
определяется экранированием от вихревых (Дэ) и продольных
(Дпр) токов, протекающих в оболочке кабеля. Формулы расчета
Дэ приведены выше. Величина ДПР может быть рассчитана по
формуле, дБ,
где Лвш — внешняя индуктивность цепи оболочка — земля, рав-
ная примерно 2-10~6 Гн/м; Zo6 ~ —сопротивление
оболочки, Ом/м, где ZM = yicop/о; г — радиус оболочки; k = yiwpo;
Д— толщина оболочки.
383
Для низких частот сопротивление оболочки равно сопротивле-
нию постоянного тока ZoG”/?o—1/2лгоД. Эта формула справед-
лива для немагнитных экранов примерно до 10 кГц, а для маг
нитных — до 1 кГц. .
На рис. 7.44 приведены расчетные значения экранного зату-
хания продольных токов Лпр. Здесь же для сравнения даны зна-
чения Лэ для медного экрана. Из рисунка видно, что с увеличе-
нием частоты величины Лрез и Лэ возрастают, а Лпр медленно
уменьшается и по абсолютной величине составляет 16... 20 дБ,
Расчеты показывают, что примерно до частот 15... 20 кГц пре-
валирует затухание за счет продольных токов Лир, выше этого
диапазона — вихревых токов Аэ.
Учитывая, что защита от внешних помех определяется резуль-
тирующим экранирующим эффектом АРез = ААлР> а при защи-
те от взаимных помех достаточно в первом приближении учиты-
вать лишь Аэ, можно признать, что экранирующая оболочка в ре-
жиме защиты от внешни.х помех эффективней, чем в режиме за-
щиты от взаимных помех.
7.28. ЭКРАНИРУЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
МНОГОСЛОЙНЫХ ЭКРАНОВ
Электромагнитные экраны комбинированной многослойной
конструкции применяются в том случае, когда необходимо высо-
кое экранирующее действие. Они состоят преимущественно из по-
следовательно чередующихся немагнитных (медь, алюминий) и
магнитны?; (сталь, пермаллой) слоев. Особенностью таких экра-
нов являются высокая экранирующая эффективность и сравни-
тельно малые потери энергии в экране. Эти преимущества объ-
ясняются с л е д у ю щ и м.
При рассмотрении электромагнитного действия однородных
экранов было установлено, что экранирующий эффект определя-
ется совместным действием экранирования поглощения Ап и эк-
ранирования отражения Ао на границах диэлектрик — металл —
диэлектрик. Эффект отражения обусловлен несоответствием вол-
новых характеристик сопрягаемых сред (ZA и Z.M), и чем больше
это несоответствие, тем больше экранирующее действие. В дан-
ном случае энергия помех, встречая на своем пути такое электри-
ческое несоответствие (ZA=#:ZM), частично отражается и лишь ча-
стично проходит в экранированное пространство. Это явление по-
служило исходным моментом для конструирования и применения
многослойных комбинированных экранов. В многослойном экра-
не, составленном из металлов с различными волновыми сопро-
тивлениями ZMt действует целая система таких многократных от-
ражений от границ электрических несоответствий (ZM1e^ZM2^
e^ZM3^ZM4 и т. д.). Поэтому экран, состоящий из нескольких
384
лд
Рис. 7.45. Эффект отра-
жения в экранах:
а) однослойном; б) тре.х-
слойяо.м
Рис. 7.46. Частотная зависимость экранно-
го затухания трехслойных экранов:
/ —медь — сталь —медь (.и=200); 2—медь —
сгаль медь —100); 3— алюминий — сталь—
алюминий; 7 — медь — свинец,— медь; 5 — медь —
алюминий медь; 6— свинец —сталь — свинец
тонких слоев различных металлов, будет обладать большей эф-
фективностью экр а нирова и и я по сравнению с однородным экра-
ном эквивалентной толщины.
Как видно из рис. 7.4о, в однослойном экране имеются две
границы, отражения (воздух — металл и металл — воздух), а в
трехслойном таких границ четыре, добавляются еще две грани-
цы между различными металлическими слоями. Существенными
являются порядок расположения слоев, их электрическое сочета-
ние, соотношение толщин слоев, а также место по отношению к
влияющей цепи. Так, сочетание сталь — медь — алюминий дает
заметно меньший эффект, чем медь ~ сталь — алюминий. Если
внешние слои многослойного экрана выполнены из немагнитных
материалов, то потери в нем сравнительно невелики.
двухслойного экрана с коэффициентами экранирования
слоев (3] и 32) и коэффициентами реакции (Pj и Р<>) экраниру-
ющий эффект определится формулой [7]
512 = S iS2/(1—Р]Р2). (7.22)
Использовав формулы расчета S и Р однородных экранов и
подставив их в выражение для SI2, получим
13—6136 385
ch
th /fjAj th k2&2
где Л]А1 и й2А2— параметры первого и второго слоев экрана; ZA,
ZM1, ZM2 — волновые сопротивления диэлектрика и металлов.
Аналогично характеристики трехслойных экранов определятся
формулой
512з-51525з/[(1-Р1Р2)(1~Р2Рз)“АЛ522]. (7.23)
Наиболее широкое применение имеют трехслойные экраны
с одинаковыми наружными слоями (Si — S3 и А = А). Для это-
го случая формула примет вид:
SI23-Si2S2/[ (1-АЛ)(AS2)2].
Частотные зависимости экранного затухания трехслойных эк-
ранов для различных сочетаний металлов (меди, стали, алюми-
ния, свинца) приведены на рис. 7.46. Толщина слоев 0,1 мм. Из
графиков видно, что наибольший эффект дает экран, составлен-
ный из немагнитных и магнитных материалов. Лучшие результа-
ты имеют сочетания медь — сталь — медь, затем алюминий —
сталь — алюминий и на последнем месте свинец — сталь—свинец.
Пример 7.1. Определить величину внешнего влияния ЛЭП на кабель связи.
Исходные д а н н ы е:
Кабель — симметричный типа МКСБ-4Х4 X 1,2. Длина участка сближения
7=20 км, расстояние .между ЛЭП и кабелем связи а = 300 м. Ток короткого
замыкания ЛЭП /к.з —2400 А; частота /==50 Гц; коэффициент электромагнитной
связи /7/]2=200 мкГн/км; коэффициент экранирования кабельной оболочки
Зоб—0,6.
Продольная ЭДС, В, (см. (7.3)) 3-2-3.14-50-2400-200-1Q-G-2O-0,6= 1810.
Для симметричного кабеля электрическая прочность С/исп=1800 В, а напря-
жение дистанционного питания 67A.n^400 В. Тогда норма согласно табл. 7.4 со-
ставит Здоп-1800—(400/2)^:1600 В.
Следовательно, норма не удовлетворяется и необходимо применять допол-
нительные защитные мероприятия (относ трассы, экранирование кабеля и др.).
Пример 7.2. Определить экранирующий эффект медного экрана толщиной
Д = 0,1 мм и радиусом г3= 10 мм на частоте 1 МГц.
Коэффициент вихревых токов (см. табл. 5.2) при частоте 1 МГц
й = КГ0.0212ЦГ = КГ21.2 мм-1.
По табл. 7.9 находим волновое сопротивление металла ZM‘-=yi 0,372• 10~3 Ом.
Для диэлектрика zK—i 79ПО-3 Ом.
Экранное затухание определяем по (7.20).
386
Затухание поглощения, дБ,
4„=201g | ch И 21,2-0,1 | = 12,7.
Затухание отражения, дБ,
i79 Л 0-*
179Л0-3
= 40,2
Экранное затухание, дБ,
Дэ-4п4-До=12,7+40,2-52,9.
КОРРОЗИЯ КАБЕЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК И МЕРЫ
ЗАЩИТЫ
7.29. ВИДЫ КОРРОЗИИ
Коррозия — процесс разрушения металлических оболочек ка-
белей (свинцовых, стальных, алюминиевых), а также защитных
и экранирующих покровов (стальной брони, медных и алюминие-
вых экранов) вследствие химического, механического и электри- .
ческого воздействий окружающей среды. Различают следующие
виды коррозии: почвенную (электрохимическую), межкристаллит-
ную (механическую) и электрокоррозию (коррозию блуждающи-
ми токами).
Коррозия оболочек приводит к потере герметичности кабелей
связи, ухудшению их электрических свойств и в ряде случаев вы-
водит кабель из строя. Разрушающее действие коррозии характе-
ризуется следующими данными: 1А блуждающего в земле тока
приводит к потере в течение года 12 кг стали, 36 кг свинца, 100 кг
алюмин ия.
В зависимости от характера взаимодействия оболочки кабеля
и почвы, в которой он находится, а также от прохождения блуж-
дающего тока, вдоль кабеля образуются анодные, катодные или
знакопеременные зоны.
Анодной зоной называется участок кабеля, па котором он име-
ет положительный электрический потенциал по отношению к окру-
жающей среде. В этой зоне токи стекают с оболочки, унося ча-
стицы металла и разрушая ее.
Катодной зоной называется участок, на котором он имеет от-
рицательный электрический потенциал по отношению к окружаю-
щей среде. В этой зоне ток втекает в оболочку, не создавая опас-
ности ее разрушения.
'Знакопеременной зоной называется участок, на котором имеет
место чередование положительных и отрицательных потенциалов,
по отношению к земле.
387
Скорость коррозии зависит от тока, протекающего между ано-
дом и катодом, и природы процессов. Ее можно определить по
формуле
*
5а . Р 5
где UK и (7а‘—катодный и анодный потенциалы; Sa— площадь
анодного участка; —внутреннее сопротивление цепи; k — ко-
эффициент, определяемый числом Фарадея.
7.30. ПОЧВЕННАЯ КОРРОЗИЯ
Почвенной коррозией называется процесс разрушения метал-
лической оболочки кабеля, вызванный электрохимическим взаи-
модействием металла с окружающей его почвой. Основными при-
чинами, вызывающими почвенную коррозию, являются: содержа-
ние в почве влаги, органических веществ, солей, кислот, щело-
чей, неоднородность оболочки кабеля, неоднородность химическо-
го состава грунта, соприкасающегося с оболочкой кабеля, нерав-
номерное проникание кислорода воздуха к оболочке кабеля. В ре-
зультате на поверхности металла образуются гальванические па-
ры, что сопровождается циркуляцией тока между металлом и
окружающей средой (рис. 7.47). В местах выхода токов из обо-
лочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в которых и про-
исходит разрушение оболочки.
Известна также биологическая коррозия, обусловленная воз-
действием микроорганизмов (бактерий), которые, изменяя хими-
ческий состав почвы, ускоряют процесс коррозии.
Интенсивность коррозии зависит от степени агрессивности
среды, которая характеризуется двумя параметрами: удельным
-сопротивлением грунта р и химической характеристикой грунта
по кислотному содержанию pH (pH — это кислотное число, ха-
Рис. 7.47. Почвенная коррозия
ф—анодная зона; 0) — катодная зона;
1 -- оболочка кабеля; 2 — токи коррозии
Рис. 7.48. Интенсивность коррозии
при разных удельных сопротивлени-
ях грунтов
388
Рис. 7.49. Интенсивность коррозии в
зависимости от химического содер-
жания грунта
Рис. 7.50. Подверженность коррозии
различных металлов
растеризующее число ионов водорода в единице объема грунта).
По удельному сопротивлению грунты подразделяются на три
категории (рис. 7.48):
1) низкоагрессивные (песчаные, глинистые, каменистые);
2) среднеагрессивные (суглинистые, лесные, слабый черно-
зем); ' г
3) высокоагрессивные (торф, известь, чернозем, перегной, му-
Третья категория грунтов весьма опасна для металлических
оболочек в коррозионном отношении.
По химическому содержанию (кислотному числу pH) грунты
также делятся на три категории (рис. 7.49):
1) рН=5 кислотные грунты, содержащие растворы серной,
азотной, соляной кислот (торф, перегной, чернозем, отходы про-
изводства и др.);
—нейтральные грунты (песок, глина, скала);
о) pH 10... 15 щелочные грунты, содержащие растворы
кальция, натрия, калия, фосфора и др. (известь, удобрения, зола
ит. д.).
На рис. 7.50 показана агрессивность грунтов различных кате-
гории. Следует иметь в виду, что различные металлы по-разному
ведут себя в различных грунтах. Свинец разрушается главным
образом в щелочных средах, а также в кислотных средах при по-
тенциале выше—-1,5 В. Алюминий подвержен весьма интенсив-
ной коррозии в обеих средах. На сталь весьма агрессивно дейст-
; вует кислотная среда и меньше влияет щелочная.
7.31. МЕЖКРИСТАЛЛИТНАЯ КОРРОЗИЯ
Межкристаллитная коррозия возникает вследствие вибрации
кабеля при его транспортировке на значительные расстояния,
прокладке кабеля вблизи железных дорог с большим грузовым
движением, на мостах автомобильных и железных дорог, а также
389
при подвеске на опорах воздушных линий. В свинцовой оболочке
кабеля при межкристаллитной коррозии появляются мелкие тре-
щины, которые, увеличиваясь за счет продуктов коррозии, при-
водят к дальнейшему, разрушению металла и распаду некоторых
участков оболочки.
7.32. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
Электрокоррозия — это процесс разрушения металлической
оболочки кабеля за счет блуждающих токов в земле. Источника-
ми блуждающих токов могут быть рельсовые пути трамвая, элек-
трифицированных железных дорог, метрополитена, установок ди-
станционного питания, использующих в качестве обратного про-
вода землю.
На электрифицированных железных дорогах и трамвайных
сетях питающий ток, возвращаясь по рельсам к питающей под-
станции, частично ответвляется в землю. Проходя по земле и
встречая на своем пути металлическую оболочку кабеля, ток рас-
пространяется по этой оболочке (рис. 7.51), а затем сходит с обо-
лочки в землю и к рельсу, чтобы возвратиться к другому полюсу
генератора. Те участки кабеля, на которых блуждающие токи вхо-
дят из земли в кабель, образуют катодную зону: участки кабеля,
на которых блуждающие токи выходят из кабеля в землю, обра-
зуют анодную зону, где и происходит разрушение оболочки ка-
беля.
На междугородных кабельных линиях может применяться ди-
станционное питание усилительных пунктов по системе «провод—•
земля». При этом ток, стекающий с заземлителя в пункте 5, ча-
стично попадает на оболочку кабеля, образуя катодную зону, а
затеям на некотором удалении от пункта Б этот ток стекает с обо-
лочки в землю, образуя анодную зону.
Интенсивность электрокоррозии металлической оболочки за-
висит от тока и напряжения в ней. По действующим нормам на-
пряжение и плотность тока не должны превышать: Ек<;—0,9 В;
/к<0,15 мА/дм2. При больших значениях UK и /к требуется за-
щита кабеля от коррозии.
Ка&ель
Рис. 7.5J. Схема прохождения блуждающих токов
390
Контактный
Анодная зона (постоянная)
а)
Контактный.
Анодная зона (переменная)
5)
<рис. 7.52. Варианты заземления источников питания:
i-a) заземление отрицательного электрода; б) заземление положительного электрода
На электрифицированном транспорте возможны два варианта
заземления источников питания (рис. 7.52): заземление отрица-
тельного электрода (трамвай, метрополитен, эл.ж.д.); заземле-
ние положительного электрода (пригородная железная дорога).
В первом случае однозначно известна анодная зона — зона
разрушения кабеля, и можно осуществлять его защиту. Во вто-
ром случае анодная зона перемещается вдоль кабеля вместе с
движением электропоезда. Кабель подвержен опасности разру-
шения на всем пути, и трудно реализовать защитные меры. Поэто-
му необходимо иметь заземление отрицательного электрода источ-
ников питания.
7.33. РАСЧЕТ ПОТЕНЦИАЛОВ И ТОКОВ,
ВОЗНИКАЮЩИХ НА КАБЕЛЬНОЙ
ОБОЛОЧКЕ ЗА СЧЕТ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ
Расчет потенциалов и токов на металлической оболочке под-
земного кабеля обычно производят с целью оценки опасности кор-
розии блуждающими токами. Оценив опасность электрокоррозии,
можно предварительно наметить мероприятия по защите. Однако
вследствие целого ряда причин произвести точный расчет иско-
мых величин, характеризующих опасность электрокоррозии, прак-
тически невозможно. Сложность расчета объясняется тем, что ряд
величин, входящих в расчетные формулы, не поддается точному
учету. К таким величинам относятся, в первую очередь, удельное
сопротивление земли и переходное сопротивление между подзем-
ным сооружением и землей.
Для определения потенциала оболочки кабеля эквивалентный
рельсовый цилиндр и оболочку кабеля представляют в виде бес-
конечно большой суммы бесконечно малых отрезков, каждый из
которых эквивалентен точечному заземлителю. Если с каждого
такого заземлителя стекает ток, то потенциал любой точки среды
будет равен сумме потенциалов, создаваемых каждым заземлите-
лем в отдельности.
391
Потенциал любой точки оболочки кабеля будет равен сумме
трех потенциалов: (/0, создаваемого элементарным точечным за-
землителем на рельсах при х=0, в который входит ток /0; £Л,
создаваемого токами утечки с рельсов; (72, создаваемого токами
утечки с оболочек кабеля. Решая данную задачу, можно полу-
чить приближенное выражение для определения потенциала обо-
лочки кабеля в любой точке, В/м:
ик (х) = /0ур2ук21Оз (?р—?к)/[2п (1—(1) (?Р2—Тк2) ] - (7,24)
где р = /?'2о к.р/(/?орА’ок) Ток утечки определяется по формуле
/K(x) = fA(x)//?aK.p.
Здесь /?ок —Д’ДИУпУкй) — переходное сопротивление между
ТС
рельсами и оболочкой кабеля; /Со(УуоукП)—цилиндрическая
функция второго рода нулевого порядка.
При малых аргументах функции Бесселя (}уРуьд^0,1) фор-
мула упрощается: /?0 к.?= In (1,12/(Уурукц), где уР и уь —-коэф-
Л
фициенты распространения токов по рельсовому пути и
оболочке кабеля, соответственно равные: ур= у/?Р//?оР, ук =
~У/?к/ROk; /?ор и /?ок — переходное сопротивление между рельса-
ми и землей, а также между оболочкой кабеля и землей, опреде-
ляемые аналогично переходному сопротивлению цилиндрических
заземлителей по формулам:
где /?и.р и 7?и.к — сопротивления изоляции между рельсами и зем-
лей, а также между оболочкой кабеля и землей; гэ,р^Ь/4 — экви-
валентный радиус рельсового пути; b — ширина рельсового пути;
Гэ.к = У/5/г ~ эквивалентный радиус кабеля; h — глубина проклад-
ки кабеля.
В (7.25) и (7.26) искомая величина 7?оР находится в левой и
правой частях уравнений. Такие уравнения проще всего решать
графическим способом. Для этого после подстановки числовых
значений они приводят к виду /?оР—Определив по
формуле потенциал оболочки кабеля (а) в различных участках
кабеля по длине, рассчитывают ток утечки на этих участках
/к(х) = ^k(x)//?ok, где /?ок — переходное сопротивление участка
оболочки кабеля — земля.
Поверхностную плотность тока, стекающего с оболочки кабе-
ля на землю, определяют по формуле, А/дм2,
Ук(х)-/к(л')/(Ю0лП(7),
392
^с. 7,53. Распределение потенциалов и то»
Цэв на оболочке кабеля
$де D — диаметр кабеля, мм; q—
ЙЬэффициеит учитывающий нерав-
номерную плотность стекания тока
y(qr=0,5 для бронированных кабе-
лей и <7=0,25 для голых освинцо-
ванных кабелей).
По результатам расчета строят
диаграмм) потенциалов и поверхностных плотностей тока в раз-
личных участках длины кабеля (рис. 7.53). Участки кабеля, в ко-
торых нарушается норма коррозионной опасности (1/к^—0,9 В
и б мА/дм ), подлежат специальной защите от коррозии.
7.34. МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
Защитные меры по коррозии оболочек кабелей связи произ-
водятся как на установках электрифицированного транспорта, так
и на сооружениях связи.
На электрифицированном транспорте осущест-
вляют следующие меры защиты:
уменьшают сопротивление рельсов путем качественной сварки
стыков;
улучшают изоляцию рельсов от земли (полотно из гравия,
щебня, песка);
переполюсовывают источники питания так, чтобы заземлялся
минусовой электрод.
На сооружениях с в я з и такими мерами защиты явля-
ются :
выбор трассы с менее агрессивным грунтом (песок, глина, су-
глинок, нежирный чернозем);
применение кабелей с герметичными полиэтиленовыми шланга-
ми поверх металлических оболочек (обязательно для алюминия и
стали);
электрический дренаж (от электрической коррозии);
катодные установки (от электрической и почвенной корро-
зии) ;
изолирующие муфты (от электрической коррозии);
протекторные установки (от почвенной коррозии);
антивибраторы амортизирующие, рессорные подвески (от
м еж криста л л и т н о й ко р р о з и и).
Электрический дренаж, катодные и протекторные установки
относятся к активным электрическим методам защиты, осталь-
ные— к пассивным.
393
7.35. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДРЕНАЖ
Электрический дренаж — это отвод блуждающих токов с за-
щищаемого кабеля посредством проводника. Дренаж подключа-
ется к кабелю в середине анодной зоны, т. е. там, где кабель
имеет наибольший положительный потенциал по отношению ц
земле. Блуждающие токи по дренажному кабелю отводятся из
оболочки защищаемого кабеля к рельсам или минусовой шине,
питающей подстанции. В результате анодная зона на кабеле пре-
вращается в катодную (рис. 7.54).
При необходимости устанавливают несколько дренажей с тем,
чтобы на всем сближении кабелей связи с эл.ж.д. оболочка име-
ла отрицательный потенциал. Такие дренажи называются прямы-
ми электрическими дренажами. Прямой электрический дренаж
имеет наибольший положительный потенциал по отношению к
только в устойчивых анодных зонах, например при защите меж-
дугородного кабеля от блуждающих токов дистанционного. пи-
тан ИЯ.
В зонах, где наблюдается изменение знака потенциала оболоч-
ки относительно земли, применяют дренажи односторонней про-
водимости, так называемые поляризованные дренажи. В дренаж-
ную цепь включается вентиль, диод или поляризованное реле, об-
ладающее односторонней проводимостью. В результате ток течет
только от оболочки кабеля к питающей подстанции электрифици-
рованной железной дороги. Для кабелей связи применяются по-
Контактныи пробод
Дрена*
с)
Рис. 7.54. Электрический дренаж:
а) принцип действия; б) потенциал на кабеле
Набыь ?ельс
Рис. /.55. Схема поляризован-
ного дренажа ПГД:
Л — диол; , .-1 — амперметр; R — ре-
зистор; К — ключ; СУ—сигнальное
устройство
394
Даблина 7,10
Тип дренажа ПЭД-58 ПГД-200 ЛГД-100 ПГД-60 Принцип работы "" R —. .. _
Чувствительность ПО напряжению, В Значение допусти- мого дре- нажного ток а, А ' Обратное напряже- ние, в Габаритные раз- । меры, мм
Электромаг- нитный Вентидьный на полупровод- никах То же 0,4 ... 0,6 0,7 0,7 0,7 100 200 100 60 200 50 100 150 550X330X270 460X520X225 460X520X225 460X520X225
ляризованпые дпрнлжи
пов поляризованных 1реЙей'ШЛеН"С>2гью выпускается 20 ти-
нашли дренажи. укаХ, ы^ п ’Л 4’7^%ШИр0К0е применение
схема поляризованного дрена>ка мгд7' °’ РИС' 7'°° гюказана
Принцип лей
ломке кабеля,
к земле (р-
постоянного тока.
'36. КАТОДНЫЕ СТАНЦИИ
сгвня катодной защиты состоит в том что к поп
анотпая Юзона\ ПОЛОЖИтельный потенциал по’ отношению
-о тока теТ ’ £НСВДИНЯЮТ отрицательный полюс от
потенциал. Таким обпД™ Придавая ооолочке отрицательный
--------- 1 ооразом, напряжение источника тока перево
ный полюс истпД..."* l°°f04Ke кабеля в катодную. Положитель-
3 заземляют. Принцип работы катодной
лит анодную зону г
* ~
вый полюс источника тока
защиты показан на
Рис. 7.56. Катодная
а) принцип действия; <
I установка:
б) потенциал на кабеле
?№/2Ш
7:57’ Принпнпиаль-
катодной
ная схема
395
Таблица 7.11
Тип станции Тип диода Выпрямительные Мощ- ность, Вт Габаритные раз- меры, мм Масса, кг
Н апряжение, В Ток, А
КС-400 Селеновый 10.. 40 10 40 610X620X200 34
КГС-500 1 КСК-500 / Германие- вый 10...50 10 500 310X540X280 31
КСГ-1200, 1 КСК-1200 / 10...60 20 1200 410X630X280 68
АСКЗ-1200 в 0...50 25 1200 * 80
Для катодной защиты применяются катодные станции, пред-
ставляющие собой выпрямительное устройство с селеновыми вы-
прямителями или германиевыми диодами. Выпускаются катодные
станции с встроенными выпрямителями, имеющими плавную или
ступенчатую регулировку выпрямительного напряжения. Наибо-
лее широкое применение нашли катодные станции, приведенные
в табл. 7.11.
Эффективным мероприятием по защите от коррозии кабельных
оболочек является применение автоматических катодных станций
(например, АСКЗ-1200), обеспечивающих автоматическое поддер-
жание защитного потенциала в заданном диапазоне. Принципи-
альная схема КС-400 показана на рис. 7.57.
Вследствие сравнительно больших эксплуатационных расходов'
катодные станции используются преимущественно для совместной
защиты нескольких подземных сооружений и главным образом за-
щиты от коррозии блуждающими токами.
с
."9
7.37. ПРОТЕКТОРНЫЕ УСТАНОВКИ
г
Протекторная защита, по существу, аналогична катодной защи-
те, только в данном случае для создания отрицательного потен-
циала на оболочке кабеля используется не посторонний источник
тока, а ток, появляющийся за счет разности электрохимических
потенциалов при соединении различных металлов (меди... 0,377;
свинца — ...0,126; стали ... —0,44; алюминия ... —1,66; магния ...
...—2,37). Этот ток направлен от более высокого потенциала к
более низкому. В результате его действия разрушению подверга-
ется металл с более низким потенциалом.
Обычно для протекторных электродов (протекторов) исполь-
зуются магниевые сплавы МЛ, состоящие из магния, алюминия и
цинка. Электрод представляет собой цилиндр длиной 600... 900мм,
диаметром 150 ...240 мм с контактным стальным стержнем (рис.
7.58). Применяются три типа протекторов: ПМ-5У, ПМ-10У и
ПМ-20У.
396
Цис. 7.58. Устройство элект-
родной защиты:
Д-— соединительный проводник;
Э? — гидроизоляция; 3 — свинец,
заполнитель. 5 — электрод,
$— контактный стержень, 7—ка-
пель связи
Ю(М2о\~^
Места, пои пайки /г
металл, оболочкам О>
кабелей. ' Д/
/500
Принцип протекторной защиты состоит в том, что катодная зо-
на на оболочке кабеля создается в результате ее соединения изо-
лированным проводом с заземленным протекторным электродом,
имеющим более низкий электрохимический потенциал, чем потен-
циал заземляемой оболочки. Такой электрод является анодом, и
ток с него будет стекать в землю. Оболочка кабеля при этом ста-
новится катодом и, следовательно, защищена от коррозии. На-
пример, разность потенциалов кабеля со свинцовой оболочкой и
магниевого электрода составит 0' = —2,37—(—0,126)==—2,24 В.
Протекторные электроды применяются главным образом для
защиты от почвенной коррозии и устанавливаются по два-три на
усилительный участок, расстояние между ними и кабелем должно
быть при этом не менее 2 ... 6 м, глубина закопки 0,6... 1,8 м. Про-
; тектор включается через контрольно-испытательные пункты
= (КИП).
7.38. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
АЛЮМИНИЕВЫХ И СТАЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК
Сопоставляя подверженность коррозии применяемых в насто-
ящее время кабельных оболочек из свинца, стали и алюминия,
следует отметить, что наиболее стойкими к агрессивному воздей-
ствию коррозии являются свинец, затем сталь и, наконец, алюми-
ний. Сильная подверженность алюминия коррозии обусловлена
тем, что он разрушается не только в анодной зоне, но и при боль-
ших катодных потенциалах. Кроме того, алюминиевые оболочки
подвергаются коррозии в результате действия гальванических
пар, образующихся в местах контакта оболочек со сталью, медью
и свинцом. Алюминий свободен от коррозии лишь в узком диапа-
зоне отрицательных потенциалов—(0,52... 1,48). Свинец и сталь
коррозируют лишь в анодных зонах (при потенциалах, больших
чем —0,9 В).
397
Г
Рис. 7.60. Рессорная подвеска кабе-
ля:
/ — труба, 2 — кабель, 3 — рессора
Рис. 7.59, Изолирующая муфта:
/ — сердечник кабеля, 2 — оболочка, 3 —
изолирующая муфта
При сравнении различных оболочек следует также иметь в ви-
ду, что сталь весьма чувствительна к воздействию кислотных сред
и ведет себя довольно стойко в щелочных средах. Свинец и алю-
миний подвержены коррозии в обоих случаях. Стальная гофриро-
ванная оболочка разрушается, как правило, по вершинам гофр.
Исходя из изложенного, кабели связи в алюминиевых и сталь-
ных оболочках для защиты от коррозии обязательно должны
иметь поверх металла герметичную полиэтиленовую оболочку,
наносимую в процессе изготовления кабелей.
С целью повышения эффективности защиты дополнительно
могут быть применены электрохимические методы защиты с по-
мощью протекторов, катодной защиты, а также электрических
дренажей, оборудуемых на участках действий блуждающих
токов.
7.39. УСТРОЙСТВА ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ
Изолирующие муфты (рис. 7.59), устанавливаемые на кабеле,
разрывают металлическую оболочку и тем самым уменьшают си-
лу блуждающего тока.
Рессорную подвеску кабеля (рис. 7.60) применяют для умень-
шения вредного действия вибрации при прокладке кабеля по мо-
стам, вблизи автомобильных и железных дорог. Кроме того, при
подвеске кабелей по опорам используют резиновые или пласт-
массовые гасители в местах крепления кабеля.
7.40. ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ
НА ОБОЛОЧКЕ КАБЕЛЯ И УСТРОЙСТВО
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПУНКТОВ
Для выявления опасных анодных зон и осуществления защи-
ты кабелей от коррозии производится комплекс измерений: по-
тенциалов и токов на оболочке кабеля; удельного сопротивления
398
jguc. 7.61. Диаграмма
распределения потенци-
алов на кабеле вдоль
[трассы
грунта по трассе кабеля; переходного сопротивления «кабель—,
земля» и плотности тока, стекающего с кабеля; разности потен-
циалов «кабель — рельс».
Важной характеристикой является создаваемая блуждающи,
ми и почвенными токами величина потенциалов па оболочке ка-
беля по отношению к земле. Измерение этой величины произво-
дится с помощью металлических электродов-заземлителей Щ1
бронированных кабелях в местах установки КИП, а на голых-____
в кабельных колодцах. По данным измерений строят диаграммы
распределения потенциалов вдоль трассы кабеля, выявляют анод-
ные зоны и определяют участки, требующие защиты от коррозии
(рис. 7.61).
Контрольно-измерительные пункты (КИП) оборудуют на под-
земных кабелях для осуществления электрических измерений по-
тенциалов блуждающих и почвенных токов, а также для контро-
ля за состоянием изолирующих покровов кабеля без специальных
раскопок котлованов и вскрытия защитных покровов. Установку
КИП в зависимости от типа кабеля и условий прокладки произво-
дят на различном расстоянии друг от друга (0,6 ...7,0 км) обыч-
но в местах устройства соединительных муфт.
Расстояние между КИП зависит от типа оболочки и защитно-
го покрова, агрессивности грунта и наличия источников блуждаю-
щих токов. На кабелях в свинцовых оболочках с броней и наруж-
ным джутовым покровом (кабели типов МКСБ, КМБ и др.) КИП
устраиваются через 0,6... 2 км, на кабелях с алюминиевыми обо-
лочками в полиэтиленовых защитных шлангах — через 6... 7 км.
Кроме этого КИП устанавливаются в местах оборудования за-
землений или перемычек между оболочкой и броней, предусмот-
ренных для защиты от влияния ЛЭП, эл.ж.д. переменного тока
и ударов молнии, а также в местах установки устройств защиты
от коррозии. При передаче дистанционного питания по системе
«провод — земля» КИП-1 оборудуется на расстоянии 75... 100 м
и 250... 300 м в обе стороны от каждого НУП.
Применяются два типа КИП: для установки на бронирован-
ных кабелях в металлических оболочках без изолирующих по-
кровов КИП-1 и на бронированных и небронированных кабелях
399
Рис. 7.62. Контрольно-измерительные пункты:
а) КИП-1; б) КИП-2
в металлических оболочках с пластмассовыми покрытиями
КИП-2.
Контрольно-измерительный пункт представляет собой железо-
бетонный столбик прямоугольного сечения с внутренней продоль-
ной трубой, через которую проходят соединительные провода.
В верхней части столбика укрепляется коробка (ниша) с наруж-
ной дверкой. Внутри коробки крепится щиток из изоляционного
материала с клеммами, к которым подключаются соединительные
провода от оболочки и заземления. Нижняя часть столбика за-
канчивается двусторонним выступом, препятствующим выдерги-
ванию столбика из земли: КИП-1 имеет щиток с двумя клемма-
ми, а КИП-2—с пятью.
Схемы монтажа КИП-1 и КИП-2 показаны соответственно на
рис. 7.62.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сравните источники электромагнитных влиянии на линии связи.
2. Какие влияния называются опасными и какие мешающими?
3. Атмосферное электричество и воздействие его на сооружения связи.
4. Влияние высоковольтных линий (ЛЭП и эл. ж. д.) на сооружения связи.
5. Характер влияния радиостанций на линии связи.
6. Нормы опасных и мешающих влияний.
7. Расчет электрических и магнитных влияний.
8. Какие способы защиты от опасных и мешающих влияний применяются на
сооружениях связи?
9. Какие способы защиты от токов молнии применяются на подземных кабель-
ных линиях связи?
10. Какие типы разрядников применяются для защиты сооружений связи от
атмосферного электричества и высоковольтных линий?
400
jj. Объясните назначение и принцип действия редукционных трансформаторов.
Н2. Основы теории экранирования.
ДЗ. В чем физическая сущность экранирования?
14. Сравните экранирующий эффект немагнитных (медь, алюминий) и магнитных
(сталь) экранов.
Ц5. В чем отличие коэффициента защитного действия от коэффициента экраниро-
вания?
Дб. Виды коррозии и их агрессивное действие.
17. Особенности защиты от коррозии алюминиевых и стальных оболочек.
•.-•18. Какие применяются способы защиты кабелей связи от коррозии?
Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИИ СВЯЗИ
8.1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ
Линейные сооружения — наиболее дорогая, громоздкая и слож-
ная часть сети связи. Затраты на линейные сооружения достига-
ют 60... 70% общих капиталовложений, затрачиваемых на строи-
тельство сооружений связи.
Проект линейных сооружений связи (ЛСС) является комп-
лексным технико-эконом-ическим документом, в котором техниче-
ская и экономическая стороны строительства неразрывно связа-
ны. Он-представляет собой обоснованное техническими и экономи-
ческими расчетами и изображенное графически решение по строи-
тельству проектируемого линейного сооружения, сети, здания от-
дельного объекта, узла или подсистемы кабельной магистрали.
При проектировании линий связи особое внимание должно
быть обращено на уменьшение удельного веса расходов по строи-
тельству и эксплуатации линии, обеспечение высокого качества
строительства, эффективности и надежности работы линии связи.
Проектирование нового строительства, расширение и реконст-
рукция действующих сетей и магистралей связи осуществляются
в основном государственными проектными институтами в соответ-
ствии с народнохозяйственным планом. Обеспечение высокого
качества проектов на основе внедрения передовых достижений
науки и техники требует специализации проектных организаций.
В Министерстве связи СССР функционируют семь самостоя-
тельных проектных институтов, специализированных по видам ра-
бот. Пять из них специализированы по проектированию средств
проводной связи и радиофикации и два по проектированию ра-
диосвязи, радиовещания и телевидения. В министерствах связи
401
WJII Ш. I , I ' ' ' ' । J । ' H.l IUli/Hll1 .J VAU I..А'.и ii <i 1111 mi^i ih i м ii ™ ihmmm ц
союзных республик созданы проектножонструкторские отделы,
осуществляющие работы по проектированию сооружений зоно-
вой и местной связи.
В системе Госстроя СССР и Госстроев союзных республик
действуют территориальные проектные организации, которые
с привлечением специализированных проектных институтов осу-
ществляют проектирование, проводят изыскательные работы и
согласование проектов на местах.
По каждому проекту назначается главный инженер проекта.
Деятельность главного инженера проекта, его права, обязанности,
и ответственность регламентируются Положением о главном ин-
женере проекта, которое утверждается Госстроем СССР.
Основанием для выполнения работ по проектированию явля-
ется задание на проектирование, которое выдается организацией-
заказчиком проектирующей организации. Задание на проектиро-
вание, а также основные положения проекта согласовываются
с соответствующими организациями и утверждаются в установ-
ленном порядке.
Технологический процесс проектирования обычно организует-
ся с соблюдением следующих общих положений [18, 32, 34].
Последовательность проектирования реализуется путем со-
блюдения принципа от общего к частному. Сначала решаются
вопросы обоснования экономической целесообразности и произ-
водственно-хозяйственной необходимости строительства или ре-
конструкции, затем основные объемно-планировочные, технологи-
ческие, конструктивные и другие решения с дальнейшей детали-
зацией и доведением проектных материалов до обеспечения воз-
можности непосредственного осуществления строительных и мон-
тажных работ.
Оптимизация (или вариантность) проектирования использует-
ся с целью нахождения оптимальных, квазиоптимальных или ра-
циональных проектных решений. До недавнего времени поисю
лучшего решения осуществлялся в основном путем разработки
нескольких вариантов проектов, их сравнением между собой и ти-
повыми проектами и отбором лучшего по технико-экономическим
показателям, при котором достигается максимальный эффект
при минимуме затрат.
Подобный подход не дает уверенности, что отобранное проект-
ное решение является оптимальным. Использование вычислитель-
ной техники и различных методов оптимизации позволяет в на-
стоящее время находить решения, близкие к оптимальным.
Использование типовых проектов позволяет уменьшить тру-
доемкость проектирования, снизить затраты на проектные рабо-
ты, повысить их качество, улучшить технико-экономические пока-
затели строительства по сравнению с индивидуальными проек-
тами.
402
Комплексность проектирования повышает качество проектиро-
вания вследствие учета большего числа различных факторов, оп-
ределяющих экономичность проекта и правильность проектных
решений.
8.2. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Технико-экономические обоснования. Решение о о проектирова-
нии и строительстве линий связи принимаются исходя из схем
развития и размещения магистральных, зоновых ги сельских сетей
связи, а также городских телефонных сетей на основе технико-
экономических обоснований (ТЭО), подтверждающих экономиче-
скую целесообразность и хозяйственную необходимость проекти-
рования и строительства данного объекта. Объем и степень про-
работки материалов ТЭО определяются специальными инструк-
циями и зависят от важности проектируемого объекта и его ха-
рактеристик.
При разработке ТЭО на строительство новых объектов рас-
сматриваются варианты получения равновеликого эффекта за
счет реконструкции действующих линейных сооружений связи и
повышения их эффективности. Например, дополнительные кана-
лы связи между заданными пунктами могут быть получены не
только путем строительства новых кабельных магистралей, но и
повышением степени уплотнения существующих.
Для иллюстрации приведем примерный состав и содержание
ТЭО проектирования строительства магистралей кабельной ли-
нии [18].
1. Введение. Цель строительства и основные положения за-
дания на разработку ТЭО.
2. Исходные данные. Анализ состояния и перспективы
развития народного хозяйства и роста населения в районе строи-
тельства линии, существующее состояние первичной сети и основ-
ные решения по развитию первичной и вторичной сети ЕАСС.
3. Обоснование пропускной способности и
систем передачи проектируемой магистрали.
Обоснование числа каналов для передачи различных видов ин-
формации, анализ технической и экономической целесообразно-
сти реконструкции существующих средств связи или строитель-
ства новой кабельной магистрали.
4. В ы б о р трассы магистрали и схема органи-
зации связи. Анализ вариантов прохождения трассы, мест
размещения НУП и ОУП, сетевых узлов, схема организации свя-
зи с учетом обеспечения связью населенных пунктов, располо-
женных в районе прохождения трассы. Условия строительства и
эксплуатации, приведенные затраты.
5. Основные технологические р е ш е и и я. Ситуа-
ционная схема трассы и ее обоснование, географические, метео-
403
рологические и геологические особенности трассы, наличие ЛЭП
электрифицированных железных дорог, рекомендуемые методы
строительства линии связи, анализ условий ее эксплуатации, ре-
конструкция и строительство станционных сооружений.
6. Основные строительные решения. Объемы и ти-
пы зданий ОУП, вспомогательные технические здания, объем жи-
лищного строительства, возможности использования типовых
проектов.
7. Сроки строительства. Сроки поставки основного обо-
рудования и кабеля, рекомендации по очередности введения пу-
сковых комплексов.
8. Себестоимость строительства, основные
техник о-э к о н о м и ч е с к и е показатели. Стоимости стро-
ительства по различным конкурирующим вариантам, основные
технико-экономические показатели.
9. Выводы и предложения. Общая оценка вариантов,
рекомендации по стадийности проектирования, основные требо-
вания по проведению опытно-конструкторских и исследователь-
ских работ.
Процесс разработки ТЭО очень трудоемкий по времени из-за
необходимости производства многочисленных расчетов. Примене-
ние вычислительной техники существенно сокращает время и тру-
доемкость составления ТЭО при условии создания соответствую-
щих программ и использования ЭВМ, обеспечивающих:
ввод в память ЭВМ значительных массивов справочно-норма-
тивной информации, которая необходима для проведения рас-
четов;
учет многих исходных данных, особенно при перспективном
проектировании, когда приходится прогнозировать изменение
стоимостных параметров, значения которых нельзя точно уста-
новить на данный момент.
Сравнение вариантов по нескольким показателям, например по
стоимости, надежности, степени использования существующих ли-
нейных сооружений, а также объему нового строительства.
После составления ТЭО подвергаются экспертизе главными
отраслевыми управлениями министерств и органами экспертизы
проектов, а затем утверждаются министерствами и ведомствами
СССР. Согласованная расчетная стоимость строительства, кото-
рая не может быть превышена в сводных сметах к технорабочим
проектам при их утверждении.
Выбор и утверждение трассы (площадки) строительства. Вы-
бор трассы (площадки) строительства производится при подго-
товке задания на проектирование или при разработке ТЭО. В про-
цессе выбора трассы учитываются следующие основные условия:
полоса (ширина) трассы кабельной магистрали не должна
превышать 6 м, а для станционных сооружений площадки опреде-
404
ляться действующими нормами и соответствующими расчетами;
| должны соблюдаться основы земельного законодательства
fcCCP, законодательные акты по охране природы и использова-
нии природных ресурсов; санитарные нормы по загрязнению ок-
ружающей среды;
согласование с соответствующими органами намечаемых про-
ектных решений в части: размеров полосы и прохождения трас-
сы кабельной магистрали; использования местных трудовых и
материальных ресурсов; применения строительных„материалов и
конструкций; способов и средств механизации строительно-мон-
тажных работ и др.
Документы о всех согласованиях, проведенных при выборе
трасс и площадок, прилагаются к заданию на проектирование и
должны быть утверждены до начала строительства.
Задание на проектирование. Задание на проектирование ли-
нейных сооружений, зданий, НУП, ОУП и других объектов со-
ставляется заказчиком проекта в соответствии с решениями и
технико-экономическими показателями, принятыми в ТЭО.
В составлении задания на проектирование обычно принимает
участие проектная организация — генеральный проектировщик и
в необходимых случаях субподрядные специализированные орга-
низации.
Содержание задания на проектирование зависит от проекти-
руемого объекта и рассматривается ниже для различных линий
связи.
До 1976 г. проектирование, как правило, осуществлялось
в две стадии: технический проект и рабочие чертежи. В настоя-
щее время проектирование большинства магистралей связи, зда-
ний и других объектов осуществляется одностадийно путем раз-
работки технорабочего проекта, в котором одновременно пред-
ставляется проектно-сметная документация и рабочие чертежи не
менее чем на объем работ первого года строительства, а при нор-
ме строительства два года — на весь объем.
Проектирование в две стадии допускается только для круп-
ных и сложных объектов.
Технорабочий проект. В технорабочем проекте на основании
проведения экономических и технических изысканий, а также изу-
чения топографических, геологических, гидрологических, метеоро-
логических, социальных и других условий, в зонах будущего
строительства решаются следующие основные вопросы:
определяется схема организации связи проектируемого объ-
екта и его взаимосвязь с другими объектами общегосударствен-
ной сети связи и объектами связи министерств и ведомств;
обосновывается и выбирается основное технологическое обо-
рудование, тип кабеля (линии связи), системы передачи кабель-
ной магистрали с учетом последних достижений науки и техники;
405
разрабатывается оптимальный вариант трассы линии связи
оконечных и промежуточных пунктов;
составляются проекты основных зданий и сооружений, а так-
же планы размещения оборудования;
выбираются технологические процессы производства и систе-
мы эксплуатации предприятий и сооружений связи с учетом внед-
рения комплексной механизации и автоматизации, обеспечиваю-
щих высокую производительность труда;
разрабатываются автоматизированные системы управления
(АСУ), мероприятия по повышению экономической эффективно-
сти кабельных магистралей;
решаются вопросы: обеспечения предприятий и линейных со-
оружений связи электроэнергией, водой и другими ресурсами;
организации дистанционного питания и служебной связи;
защиты сооружений связи от электромагнитных влияний и
коррозии;
обеспечения предприятий кадрами, жилищно-бытовыми объ-
ектами, транспортным и складским хозяйством;
организации строительства, сроки его осуществления и стои-
мость;
технико-экономические обоснования проекта.
Технорабочий проект сооружений и предприятий связи состо-
ит обычно из следующих частей:
общей пояснительной записки с кратким изложением содер-
жания проекта, обоснованием проектной мощности, анализом ва-
риантов и выбором оптимального, решением об очередности стро-
ительства и сроках его производства;
технико-экономической части;
генерального плана трассы и площадки;
технологической части с решением вопросов автоматизации
технологических процессов, организации труда и системы обслу-
живания и управления производством;
строительной части;
организации строительства;
сметной части;
заказных спецификаций для размещения заказов на основное
и вспомогательное оборудование, изготовление которого требует
дополнительного времени;
исходных данных для разработки рабочих чертежей заказно-
го оборудования;
заявочных ведомостей по укрупненным показателям на кабель-
ные изделия, арматуру, оборудование НУП и ОУП, приборы и
другие изделия массового и серийного производства;
технических требований на разработку нестаидартизированно-
го оборудования;
406
рабочих чертежей на здания и сооружения, строительство ко-
торых планируется в течение первого года.
Технорабочий проект представляется па рассмотрение и
утверждение заказчику в четырех экземплярах.
Применение типовых проектов. Индивидуальные проекты ма-
гистралей линий связи, предприятий, зданий и цехов разрабаты-
ваются в тех случаях, когда отсутствуют типовые проекты или
когда мощность, пропускная способность, емкость или другие па-
раметры магистрали и ее сооружений, подтвержденные технико-
экономическими обоснованиями, отличаются от соответствующих
параметров по действующим типовым проектам или ранее разра-
ботанным индивидуальным проектам более чем на 5... 10%.
Применяемые типовые проекты должны привязываться к за-
данным условиям строительства с учетом местных цен на мате-
риалы и изделия, топографических, геологических, гидрогеологи-
ческих и климатических особенностей. Должны быть оценены воз-
можность и целесообразность применения или изменения преду-
смотренных в этапах проекта материалов и конструкций. Кроме
того, необходимо разработать детальную привязку типовых про-
ектов зданий и сооружений к условиям данного проектирования.
Изменения в типовые проекты сооружений и зданий вносятся
с согласия министерств и ведомств СССР в связи с применением
новых более прогрессивных технических процессов, объемно-пла-
нировочных и конструктивных решений, обеспечивающих сниже-
ние стоимости и улучшение технико-экономических показателей
стооитёльства.
I
8.3. ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИНИИ И СЕТЕЙ СВЯЗИ
Проблема оптимизации методов проектирования линий и сетей
связи состоит из двух подпроблем. Первая связана с решением
основной задачи проектирования — разработкой оптимального по
выбранным критериям проекта линий и сетей связи, а также раз-
личных подсистем кабельных магистралей в соответствии с ТЭО
и заданием на проектирование. Вторая включает задачи по опти-
мизации процесса проектирования с целью повышения произво-
дительности проектных работ, сокращения сроков и стоимости
выполнения проектов, повышения их качества.
Вышеуказанные подпроблемы связаны друг с другом в том,
чгр их решение возможно лишь на базе широкого использования
вычислительной техники, разработки математического и програм-
много обеспечения, создания автоматизированных систем управ-
ления производством (АСУП) и автоматизированных систем уп-
равления технологическими процессами (АСУТП), а также дру-
гих подсистем АСУ различного назначения.
407
В настоящем параграфе рассматриваются некоторые пути ре-
шения первой группы задач.
Линейные сооружения связи (ЛСС) являются сложными си-
стемами [14], исследование и оптимизация которых сопряжены
с б о л ь ш и м и тр у Д и о с т я м и.
Задача оптимизации проектирования линейных сооружений
связи решается в три этапа:
построение математической модели проектируемой системы и
оценка ее точности (погрешности);
исследование операций по построенной модели с целью нахож
депия оптимального решения по заданным критериям или полу-
чение численных данных для различных вариантов проекта;
оценка «стоимости реализации» оптимального решения путем
анализа стоимости технологических, эксплуатационных и органи-
зационных мероприятий, связанных с реализацией этого решения,
О ко и ч а тел ь нос решение принимается по результатам третьего
этапа. В практике проектирования, особенно при выполнении ти-
повых проектов, в качестве основного критерия часто выбирается
сметная стоимость строительства, что автоматически учитывает
вопросы третьего этапа оптимизации проектов.
Построение математической модели проектируемой системы
(или какой-либо ее подсистемы) необходимо для исследования
ее эффективности численными методами. Требования к модели
противоречивы: с одной стороны, опа должна учитывать возмож-
но большее число факторов, от которых зависит результат про-
ектирования, а с другой — быть достаточно простой для получе-
ния обозримых, желательно аналитических зависимостей между
входящими в нее параметрами.
Общих -способов построения математических моделей не су-
ществует. Обычно их строят на основании обобщения эксперимен-
тальных данных и результатов научных исследований линейных
сооружений связи с учетом заданной точности исходных данных
и допустимой погрешности решения. Построение математической
модели — важнейшая часть всего исследования, так как она оп-
ределяет его конечный результат.
Различают два класса моделей: аналитические и статистиче-
ские. Для аналитических моделей характерно установление фор-
мульных, аналитических зависимостей: алгебраических и диффе-
ренциальных уравнений. С помощью этих моделей удается опи-
сать сравнительно простые операции с ограниченным числом
взаимодействующих факторов. Примерами аналитических моде-
лей ЛСС являются выражения, связывающие первичные парамет-
ры цепей линий связи с их конструктивными и электрическими
параметрами: диаметрами проводов, расстояниями между про-
водами, их удельной проводимостью, диэлектрической проницае-
мостью изоляции и тангенсом угла потерь в ней, конструкцией и
408
Параметрами экранов. К аналитическим моделям также относят-
ся методы и формулы, используемые при проектировании ЛСС
для расчетов стоимости строительства магистралей связи, рассто-
яний между ретрансляционными участками линий, необходимого
количества основных материалов и их стоимости, транспортных
и других расходов, экономичности проекта и др.
Статистические модели позволяют учесть воздействие случай-
ных факторов на эффективность проектируемого объекта и пара-
метры ЛСС. Эти модели используются при оценке значений: вза-
имных и внешних помех, опасных влияний, параметров надежно-
сти ЛСС. Кроме того, часто их используют при проектировании
объектов, когда некоторые исходные факторы неизвестны или
могут изменяться в определенных границах.
Процедура статистического моделирования состоит в вычисле-
нии с помощью специальных программ на ЭВМ последовательно-
сти чисел, имитирующих случайные воздействия. Эти числа ис-
пользуются по отдельности или группами в качестве входных ве-
личин алгоритма преобразования. В результате накапливается
совокупность значений изучаемых характеристик объекта, кото-
рая затем подвергается соответствующей вычислительной обра-
ботке для получения приближенных статистических описаний этих
характеристик.
Учитывая сложность системы проектирования ЛСС и ее под-
систем, на практике возникает задача оценки достоверности при-
нятой математической модели, называемая идентификацией. Под
идентификацией понимают построение математических моделей
объектов по результатам экспериментальных исследований. Ре-
шение этой задачи начинается с выдвижения гипотезы о структу-
ре и качественных особенностях модели, затем на основе экспе-
риментальных исследований эта гипотеза принимается или от-
вергается.
После принятия гипотезы переходят к уточнению количествен-
ных параметров модели.
Задачи программирования линейных сооружений связи по-
дробно рассмотрены в [14].
8.4. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ
ПРОЕКТИРОВАНИИ СЕТЕЙ И ЛИНИЙ
связи
По мере насыщения проектных институтов вычислительной тех-
никой совершенствования программного обеспечения и повышения
квалификации программистов, освоения методов проектирования
с помощью ЭВМ в режиме диалога «человек — машина» появля-
ется возможность перехода к автоматизированным технологиче-
ским линиям проектирования (АТЛП) сетей и линейных сооруже-
409
ний связи и ее более высокой иерархической ступени — системе
автоматизированного проектирования (САПР).
Создание и применение АТЛП и САПР позволит осуществлять
многовариантное проектирование кабельных магистралей, зданий,
предприятий ГТС, внедрять методы построения оптимальной струк-
туры сетей ЛСС различного назначения. Это открывает возмож-
ность более качественного решения задач снижения сметной стои-
мости проектирования и строительства ЛСС, а также повышения
производительности труда и качества работы проектировщиков.
Одной из основных проблем в деле разработки АТЛП являет-
ся улучшение и постоянное совершенствование программного обес-
печения. В процессе улучшения программного обеспечения должен
происходить переход от решения задач с большим объемом вычис-
лений, но с проектными алгоритмами, к задачам, в которых значи-
тельно сокращается число вычислительных процедур, сочетаясь при
этом со сложностью и многовариантностью самих методов и алго-
ритмов проектирования для выбора оптимального решения.
Эта проблема решается путем создания так называемых паке-
тов прикладных программ (ППП) и специализированных программ
(СП). Основная особенность ППП состоит в том, что они ориенти-
руются на решение задач большой сложности. Основные требова-
ния к ППП и составляющим их отдельным программам, а также
к документации, необходимой для их эксплуатации, следующие
[14,24]:
программы должны быть универсальными, т. е. должны учиты-
вать наиболее часто встречающиеся особенности проектирования
магистральных, зоновых, сельских, а также городских телефонных
сетей;
программы должны быть компактными с тем, чтобы при выпол-
нении расчетов в оперативную память ЭВМ вводился минимум
исходных данных;
прикладные программы пакетов желательно разрабатывать на
алгоритмических языках высокого уровня машин типа ЕС в рам-
ках дисковых операционных систем (ДОС) ЕС или операционных
систем (ОС ЕС), что позволит облегчить создание автоматизиро-
ванных технологических линий проектирования.
Процесс проектирования ЛСС с применением АТЛП схематиче-
ски представлен на рис. 8.1. Он состоит из следующих этапов [24]:
получение задания на проектирование и разработку плана про-
ведения изысканий на местности, предусматривающего разработку
нескольких вариантов структуры линейно-кабельных сооружений и
систем передач с учетом имеющихся и действующих связей;
обработка результатов изысканий на ЭВМ с применением спе-
циализированных программ, распечатка полученных данных по
установленным формам и передача материалов из отдела изыска-
ний АТЛП в технологический отдел;
после уточнения цифр и показателей исходная информация в
410
Рис. 8.1. Схема алгоритма процесса проектирования ЛСС на автоматизирован-
шх технологических* линиях проектирования
виде заполненных форм входных документов переносится на тех-
нический носитель и вводится в ЭВМ;
выполненные с использованием ЭВМ инженерные пакеты при-
меняются технологическим отделом для составления нескольких
вариантов технорабочих проектов строительства сооружений маги-
стралей линий связи, предприятий и цехов;
отдел технико-экономических исследований осуществляет с по-
мощью ЭВМ соответствующие инженерно-экономические расчеты,
используемые для составления разделов технико-экономического
обоснования и технико-экономической части проекта;
аналогичные расчеты для предлагаемых технологическим отде-
лом вариантов проекта выполняются строительным отделом, вклю-
чая составление сетевых графиков строительства;
рассматриваются на техническом совете варианты технического
или технорабочего проектов и выбирается оптимальный вариант;
хранящиеся в памяти ЭВМ данные принятого оптимального ва-
рианта проекта обрабатываются по специальным программам, вы-
даются на алфавитно-цифровое устройство и представляются в ви-
де технических документов проекта: таблиц, графиков и схем про-
ектно-сметной документации. Автономные графические автоматы
на основе тех же исходных данных вычерчивают рабочие чертежи
технологической, строительной, электрической или сантехнической
частей проекта и составляют сетевые графики строительства.
Полученные с алфавитно-цифрового преобразователя и графо-
построителя оригиналы проектно-сметной документации размножа-
ются, брошюруются в виде отдельных томов и высылаются заказ-
чику.
Опыт разработки проектно-сметной документации с помощью
ЭВМ показывает [24], что проект, выполненный на автоматизиро-
ванной технологической линии проектирования, может достигать
80%-ной, а чертежи — 100%-ной готовности.
411
8.5. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ
СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ
Система автоматизированного проектирования линейных соору-
жений связи представляет собой комплекс средств технического,
программного и информационного обеспечения, предназначенных
для решения задачи автоматизации и оптимизации инженерных
расчетов проектирования линейных сооружений связи.
Электронно-вычислительная машина в САПР (как и АТЛП)
выполняет весь технологический цикл проектирования ЛСС. Со-
храняется и роль проектировщика, который взаимодействует
с САПР в режиме диалога «человек — машина». Система САПР
позволяет значительно повысить качество проектов и освободить
проектировщиков от выполнения трудоемкой рутинной работы.
Для разработки и внедрения системы, подсистемы и САПР в
целом, в проектном институте создается отделение (отдел, сектор)
САПР с привлечением специалистов:
технологов-связистов и инженеров-экономистов для постановки
и решения задач оптимального проектирования ЛСС и автомати-
зации процесса разработки математического обеспечения систем и
подсистем САПР, а также пакетов прикладных программ решения
задач проектирования ЛСС, в том числе в режиме аналога «чело-
век машина»;
по информационно-поисковым языкам для работы с банками
данных;
по обслуживанию вычислительной техники и периферийных
устройств ЭВМ.
Упрощенная структурная схема автоматизированного проекти-
рования показана на рис. 8.2. Она содержит следующие структур-
но связанные самостоятельно функционирующие автоматизирован-
ные системы:
автоматизированную технологическую линию проектирования
сетей, линейных сооружений связи (АТЛП) станционных соору-
жений и других подсистем, решающую задачи:
оптимального учета анализа и планирования загрузки под-
разделений проектного института;
учета фактических трудозатрат по проектируемым объектам,
обоснования сроков выполнения работ;
учета анализа и планирования кадров, заработной платы, фи-
нансовой деятельности организаций;
бухгалтерского учета, материально-технического снабжения,
учета работы механизмов и транспорта;
составления и учета выполнения сетевых графиков разработ-
ки проектно-сметной документации на отдельные объекты
проектирования с выдачей ежедневных и еженедельных ре-
зультатов выполнения плановых заданий;
412
Автоматизированная технологическая
линия проектирования сетей А7ЛП
Система организационного обеспе-
чения САПР
Система размножения , хранения
поиска и выдачи проектно-смет-
ной документец и и
Автоматизированная система яа~
у чно - технической ин форм а и и и и
нормативной документации
Рис. 8.2. Структурная схема автоматизированного проектирования
определения и учета качества выполняемых проектов;
размножения, хранения, поиска и выдачи проектно-сметной до-
кументации на основе микрофильмирования и электрофотографии;
автоматизированную информационно-поисковую подсистему на-
учно-технической информации и нормативной документации, со-
стоящую из двух подсистем:
сбора и хранения научно-технической информации, предназна-
ченной для хранения и комплектования справочно-информа-
ционного фонда и его классификации; присвоения информа-
ции адресов в массивах и контурах подсистемы машинных
носителей; ввода информации и проведения поиска в автома-
тизированном фонде данных ЭВМ; обработки и анализа полу-
чаемых сведений и данных;
ретроспективного поиска и избирательного распространения
информации, обеспечивающей децентрализованную обработ-
ку запросов технических отделов; ответов в виде копий анно-
таций, рефератов или первичных документов; дистанционной
передачи научно-технической информации абонентам и обрат-
ной связи с ними; передачи информации другим организаци-
ям вторичных документов на микрофильмах, носителях; удов-
летворения запросов на стандарты, нормативы, каталоги, тех-
нические условия и ГОСТы, планово-экономическую инфор-
мацию и др.;
организационного обеспечения САПР, поддерживающую соблю-
дение технологического процесса проектирования на основе созда-
ния стандартов документации, в которых регламентируются нормы
•оформления документации при использовании той или иной под-
системы САПР, в которой решаются вопросы:
общения с системой, определяющие правила и инструкции
работы с ней, ввода данных, хранения и поиска структурных
данных, режима диалога «человек — машина», языков описа-
ния и моделирования объектов проектирования, описания за-
даний к системе;
математического и программного обеспечения и организации
пакетов прикладных программ САПР.
413
Техническую базу САПР могут составлять средняя или боль-
шая ЕС ЭВМ типа 1022, 1033Э, 1035, 1045 и выше, несколько ми-
ни-ЭВМ, используемых в качестве связных процессоров или тер-
минальных устройств . непосредственно для автоматизированного
рабочего места, и дисплейные пункты для осуществления диало-
гового режима «человек—машина».
8.6. ТЕХНОЛОГИЯ РЕАЛЬНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛСС
ч
Особенности реального проектирования. При реальном проекти-
ровании очень редко удается осуществить все рекомендации, свя-
занные с обеспечением оптимального проектирования или нахож-
дения наилучших и наиболее эффективных решений проектных за-
дач.
В связи с этим оценка качества и эффективности проектов, как
правило, осуществляется путем сравнения по основным критериям
данного проекта со средними показателями по аналогичным или
ранее выполненным проектам. Проведение расчетов по нескольким
вариантам проектных решений также способствует улучшению ка-
чества проектов. В дальнейшем будем называть такие проекты ква-
зиоптимальными в том смысле, что данный проект является наи-
лучшим из ранее созданных аналогичных проектов.
Разработка проектов строительства междугородных кабельных
линий передачи осуществляется на основе генеральной схемы раз-
вития первичной магистральной, а также внутризоновой и местной
сети, разрабатываемых на перспективу 15 ... 20 лет, с выделением
этапов развития по периодам, соответствующим пятилетним пла-
нам развития народного хозяйства СССР, и с соблюдением прин-
ципов и основных положений построения ЕАСС.
Основными критериями выбора квазиоптимального варианта
кабельной линии являются:
минимальные капитальные вложения и текущие годовые затра-
ты для каждого этапа строительства кабельной магистрали при
условии обеспечения необходимого числа каналов и трактов для
вторичных цепей ЕАСС;
использование наиболее совершенных в техническом отноше-
нии типов и марок кабелей, систем передачи, оборудования, изме-
рительной аппаратуры;
обеспечение заданной для каждого этапа развития надежности
и живучести сети;
возможность дальнейшего развития и повышения мощности се-
ти и магистрали;
, экономия дефицитных материалов и цветных металлов.
Оценка экономичности реальных проектных решений. Оценка
производится, исходя из сопоставления основных технико-экономи-
414
веских показателей проекта с показателями аналогичных передо*
вых отечественных и зарубежных предприятий; а также с утверж-
денными нормативами. В частности, экономичность капитальных
Сложений устанавливается путем сравнения полученного эффекта
и затрат.
При планировании и проектировании определяется общая эко-
номическая эффективность как отношение прибыли в год от про-
веденных мероприятий П ко всей сумме капитальных вложений—
К [18]
Эй5ш=П/К. Г (8.1)
В расчетах экономической эффективности капитальных вложений
на стадии проектирования используется показатель
(8.2)
где К— сметная стоимость строящегося объекта; Ц — стоимость
годового выпуска продукции; С — себестоимость годового выпуска
продукции (эксплуатационные расходы).
Сроки окупаемости определяются соотношением:
Т^КЦЦ-С). (8.3)
В случае реконструкции ЛСС и предприятий показатель эффек-
тивности определяется отношением прироста годовой прибыли к
капитальным вложениям на реконструкцию:
Эр=(772—/70/Кр, (8.4)
где /7[ и /72 — значение годовой прибыли до и после реконструк-
ции Соответственно; — капитальные вложения на реконструк-
цию.
Квазиоптимальность проекта обеспечивается путем сравнения
экономической эффективности капитальных вложений для вари-
антов проектных решений. Показателем сравнительно экономиче-
ской эффективности капитальных вложений является минимум
приведенных затрат, определяемых из уравнения:
минимум, (8.5)
где К— капитальные вложения по каждому варианту; С — экс-
плуатационные расходы по тому же варианту; Ен=0,12 — норма-
тивный коэффициент эффективности капитальных вложений для
отрасли «Связь».
Часто в качестве критерия экономической эффективности ис-
пользуется значение (8.5), приходящееся на один каналокилометр
линии, руб./кан.-км,
Эпр=(0Д2К+С)/Ж, (8.6)
где N— число каналов тональной частоты (ТЧ); L — длина про-
ектируемой линии.
Из последнего выражения следует, что основными путями улуч-
шения экономичности проектов являются снижение капитальных
затрат К, эксплуатационных расходов С, а также увеличение чис-
ла каналов N на проектируемых магистралях. Очевидно, что до-
стижение указанных цепей возможно лишь на базе создания и
внедрения мощных и высокоэффективных систем передачи, совер-
шенствования методов автоматизации проектирования и эксплуа-
тации кабельных магистралей, разработки новых типов линий свя-
зи. В связи с последним фактором следует отметить особое поло-
жение волоконно-оптических линий связи, создающих уникальные
возможности повышения экономичности и эффективности работы
ЛСС.
8.7. ВЫБОР СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ, ТИПА
ЛИНИИ СВЯЗИ, МАРКИ КАБЕЛЯ
И ТРАССЫ СТРОИТЕЛЬСТВА
Выбор системы передачи, типа линии связи и марки кабеля
осуществляется на основании анализа требуемого числа каналов
и мощности проектируемой магистрали. Число каналов определя-
ется не только потребностью в каналах междугородной связи око-
нечных и промежуточных населенных пунктов, расположенных по
трассе магистрали, но и требованиями ЕАСС, связанными с созда-
нием резервных каналов для повышения гибкости, устойчивости и
надежности работы магистральной и зоновой сетей в целом.
Данные о числе каналов связи при различных типах кабелей и
системах передачи, а также о расходе цветных металлов и стои-
мости I кан.-км связи приведены в гл. 3. На основании произведен-
ных расчетов выбираются системы передачи и типы линий связи
(см. гл. 2). При этом, как показывает опыт развития линейных
сооружений связи и систем передачи, новые системы передачи
обычно появляются чаще, чем происходят сущетвенные изменения
конструкций и типов линий связи. В результате на однотипных ли-
ниях связи используются различные типы систем передачи. Напри-
мер, по коаксиальному кабелю типа КМ-4, содержащему четыре
нормализованные коаксиальные лары 2,6/9,5 мм, могут использо-
ваться системы передачи К-10800; К-3600; К-1920; К-1920П;
ИКМ-480; ИКМ-1920, а по малогабаритному коаксиальному кабе-
лю 1,2/4,6 мм—К-300; ИКМ-120; ИКМ-480.‘Кабель типа МКС ис-
пользуется для систем передачи типа К-60; К-Ю20С; КАМА;
ИКМ-120; ИКМ-480.
Первоначальный выбор емкости и типа кабеля и системы пере-
дачи линий связи производится на стадии разработки технико-эко-
номических обоснований, а окончательно этот выбор обосновыва-
ть
ртся в технорабочем проекте в разделе расчета мощности проекти-
руемой линии связи, исчисляемой в числе каналов первичной сети
й каналов вторичной сети ЕАСС.
Выбор марок кабелей связи производится в результате анализа
данных инженерных изысканий трассы прокладки кабеля (рельефа
местности, геологической структуры грунтов и их коррозийной ак-
тивности, интенсивности грозовых разрядов, наличия и параметров
сближения с ЛЭП, с эл.ж.д.) и т. д. Кроме того, при выборе ма-
рок кабеля учитываются возможность обеспечения качественных
электрических характеристик линейных трактов, а также их за-
щиты от взаимных и внешних влияний и помех.
Выбор трассы строительства осуществляется в две стадии: вна-
чале при разработке технико-экономических обоснований, а затем
в период выполнения проекта. В процессе проектирования трассы
кабельных линий и площадок под НУП должны обеспечиваться
минимальные значения: протяженности трассы, объема строитель-
ных работ, числа наземных и подземных препятствий на трассе
строительства, стоимости строительства и эксплуатации, объема
ручных (немеханизированных) работ, затрат на защиту линии свя-
зи от опасных и мешающих влияний, от коррозии.
Ниже приведены минимально допустимые расстояния трассы кабелей связи
от других сооружений, м:
1. При производстве работ:
от края насыпи автомобильных и железных дорог.......................5
от нефтепроводов за городом.......................................10
от городских газопроводов и теплопроводов ........................ 1
от красной линии домов в городах..................................1,5
2. При защите от коррозии и ударов молнии от опор ЛЭП и се-
тей эл. ж. д, и их заземлений при удельном сопротивлении грунта р:
до 100 Ом/м....................................................... 0,83] р
до 500 Ом/м.......................................................10
свыше 1000 Ом/м.....................................................0,35]р
от заземленных молниеотводов воздушных линий связи .... 25
от силовых кабелей................................................0,5
При выборе трассы необходимо также учитывать вопросы удоб-
ства эксплуатации кабельной магистрали. Для этого трасса, как
правило, должна проходить вдоль магистральных автомобильных
дорог, а при отсутствии последних вдоль железных дорог. Допуска-
ется спрямление трассы кабеля, если прокладка вдоль автомобиль-
ной дороги значительно ее удлиняет, а проход по прямой заметно
сокращает длину кабеля и удешевляет стоимость строительства
без существенного усложнения эксплуатации магистрали.
При пересечении водных преград кабельные переходы оборуду-
ются в тех местах, где река имеет наименьшую ширину, нет скаль-
ных и каменистых грунтов, обрывистых или заболоченных берегов.
Минимальное удаление трассы кабелей от мостов, автомобильных
и железных дорог магистрального назначения должна быть на
судоходных реках не менее 1 км; на сплавных — не менее 0,3 км;
на остальных реках — не менее 50 ... 100 м.
14—6136 417
Определяя потребное количество кабеля в проектах строитель-
ства кабельных линий связи, устанавливают запас на его укладку
в траншеи, котлованы, спайку и разделку концов при измерениях и
испытаниях. При механизированной прокладке величина запаса
составляет 2%, а при прокладке кабеля вручную в грунтах — 4%
от протяженности трассы.
В случае прокладки кабеля через водоемы шириной до 1 км
запас на укладку по рельефу дна с учетом выноса кабеля на пере-
ходе против течения принимается равным 14%, а при большей
ширине водной преграды определяется по проекту.
На пересечениях кабелей связи с подземными коммуникациями
кабель, как правило, должен прокладываться в асбестоцементных
или полиэтиленовых трубах на длине перехода с учетом вывода на
обе стороны от сооружения не менее 1 м, Глубина прокладки ко-
аксиального кабеля типа КМ-4 и КМ-8/6 должна быть не менее
1,2 м, симметричных — 0,9 м. Для очень тяжелых скальных грун-
тов нормы заглубления приведены в [18, 37].
Трасса после ее выбора, подробного обоснования и привязки к
местности согласуется с заинтересованными организациями. Далее
материалы согласований и изысканий, а также акт комиссии по
выбору трассы заказчиком передаются в исполком Совета народ-
ных депутатов для окончательного согласования трассы строитель-
ства кабельной линии и размеров площадей земли, намечаемых к
изъятию.
8.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТ УСТАНОВКИ
НУП И ДЛИН РЕТРАНСЛЯЦИОННЫХ
УЧАСТКОВ КАБЕЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ
Места установки НУП выбираются с учетом удобства их об-
служивания, возможности подвозки аппаратуры и другого обору-
дования, а также подъезда к ним в любое время года. НУП долж-
ны оборудоваться в местах, не затопляемых во время весенних па-
водков или основными потоками.
Одним из важных аспектов проектирования кабельных маги-
стралей связи является определение длин ретрансляционных (усили-
тельных и регенерационных) участков. Очевидно, что с увеличе-
нием средних расстояний между ретрансляционными участками по-
вышаются технико-экономические показатели проекта за счет
уменьшения капитальных вложений и эксплуатационных затрат.
В типовых проектах, когда используются типовые системы пере-
дачи и типовые марки кабеля, длина усилительного участка, км,
определяется по формуле
о *
а (^тах) ^тах
418
где S — коэффициент усиления усилителя НУП используемой си-
стемы передачи; а(ыгпах)1°тпах— километрическое затухание цепей
кабеля на максимальной частоте рабочего диапазона частот для
этой системы передачи при максимальной температуре среды, ок-
ружающей кабель (грунта, воздуха, воды для подводных кабелей).
Для новых систем передачи или новых типов кабелей длины
ретрансляционных участков определяются путем оценки зависимо-
сти уровня помех и искажений сигналов от длины линии. Длина
линии, при которой эти помехи (или искажения) становятся равны-
ми допустимым значениям, определяют длину ретрансляционного
участка. Методику определения длин регенерационных участков
для коаксиального кабеля с диаметром проводников 2,6/9,4 мм и
системы передачи ИКМ-1920 рассмотрим на следующем численном
примере.
Пример 8.1. Определить максимально допустимые длины регенерационных
участков системы передачи ИКМ-1920, работающей со скоростью передачи
140 Мбит/с, оборудуемой на коаксиальном кабеле с диаметром проводников
2,6/9,5 мм, исходя из требуемой защищенности от термических помех 26, 30 и
33 дБ. Произвести проверку защищенности от помех, обусловленных конструк-
тивными неоднородностями. Передача осуществляется квазитроичным кодом,,
напряжение импульсных сигналов на входе линии Z70~3 В.
Решение. Мощность тепловых шумов, Вт, в кабеле на согласованном со-
противлении определяется из уравнения
И7Т.Ш —/(ГА/^ 1,37-10“23,293 • 106^0,4 • 10“14, (8.8)
где К=1,37*10~23— постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура по
Кельвину (Г—293 К соответствует 20сС); А/— полоса частот, в которой опре-
деляется помеха, в задаче принята Af — 1 МГц.
Уровень мощности помехи,
1 IF
Рт.ш = — 1п—^ = 0,51п (0,4-10-4/10-’)= — 13,12 Нп = —114 дБ, (8.9)
2 w q
где 1FO — мощность, соответствующая нулевому уровню.
Допустимое затухание регенерационного участка
а^ру ~ Р ^9 1g\FT_IU—(8.10}
где р—уровень импульса на передаче, дБ; а — коэффициент затухания кабеля,
дБ; Lpy — длина участка регенерации, км; Дт.ш.з—требуемое отношение сигнал-
помеха (защищенность), дБ; lF-т.ш — мощность теплового шума на входе решаю-
щего устройства, Вт,
lOlg^.^/Vui-LlOlgS+F, (8.11)
где Рт.ш — уровень мощности шума в полосе частот 1 МГц [см. (8.9)]; В— гра-
ничная полоса частот, при квазитроичном коде В = 0,5/т (половина тактовой
частоты); Р— шум-фактор входного усилителя (порядка 6 дБ).
419
Таблица 8.2
Число изме- ренных строи- тельных длин Отклонения, См, от номинального значения Z„=75 Ом В
0...0,05 0,051...0,1 I 0,11...0,2 0,21...0,3 0,31...0,5
Число % Число % Число % Число О/ /® Число _ %
117 37 31,62 31 26,49 30 25,64 17 14,53 2 1,72
При амплитуде импульса на передаче UQ = 3 В, считая волновое сопротив-
ление кабеля 2 = 75 Ом, получим мощность
IF—[/02/Z = 32/75=0J2 Вт.
Уровень импульса на передаче
Г 0,12
р = Ю1р— = 101£---------=20,8 дБ.
В полосе частот B = Q,5jr по (8.11) получаем мощность теплового шума
10 1g Гт.ш = -1144-10 1g 70^6 = -89,55 дБ.
По выражению (8.10)
при Лт.ш.э= 26 дБ затухание на регенерационном участке aLPY = 20,o—-
— (—89,55)—26 = 84,35 дБ;
при ^т.3 = 30 дБ aLpy ~ 80,35 дБ;
при Лу.ш.з ~ зз дБ аБру = 77,35 дБ.
Коэффициент затухания коаксиального кабеля, на полутактовон частоте
7=70 МГц определяем по статистической формуле:
а = 2,44/70 4-0,0063-70 + 0,011 = 20,9 дБ. км.
Тогда длины регенерационных участков при 4г.ш.з = 26, 30 и 33 дБ будут
соответственно равны:
84,35 80,35 77,35
^РУ1 = 4,03 КМ’ ^py2™9QQ = 3,84 км; ^руз~~ 20 9 ~3.7км.
Для проверки защищенности от помех, обусловленных попутным потоком,
возникающим в коаксиальном кабеле, оценим уровень этих помех. Примем сред-
нюю строительную длину кабеля (с учетом наличия укороченных длин) /с.д =
= 0,3 км. Данные о распределении значений отклонений концевых волновых со-
противлений приведены в табл. 8.2.
По данным табл. 8.2 определяем среднее квадратическое отклонение кон-
цевых значений волнового сопротивления
az = [0,052-31,62 4- 0,12-26,49 + 0,22 _р. 25,64 Д- 0.324 4,53 +
+ 0,32'14,53 + 0,52-1,72)|/2/10ч= 0,18 Ом.
420
Как известно, помехи от конструктивных неоднородностей создаются по-
путным потоком от внутренних и стыковых неоднородностей. Если предполо-
жить, что первые примерно в 2 раза меньше последних, что практически имеет
место в коаксиальных кабелях, то эти помехи будут определяться из выра-
жения
I °z I 4
IQcl 2 = -Т7---kpy + 2n(l-e_‘“/'-*)], (8.12)
Щ1 — e сд)
где —среднеквадратичное отклонение концевых значений-волнового сопро-
в
тивления; ZB— волновое сопротивление, Ом; а — коэффициент затухания, Нп/км;
1С.д — строительная длина кабеля, км; £ру —длина усилительного участка, км;
п — число строительных длин на регенерационном участке. В нашем примере
Л] —/-ру/Ес.д—4/0,3—13; м2-3,84/0,3-12,8; = 37/3= 12,3, т. е. п^п2^п3^3.
Подставляя значения коэффициента затухания на полутактовой частоте / —
= 70 МГц, равное а —2,4 Нп/км, и ZB —74,53 Ом в формулу (8.12) будем иметь
0.18*
! Qc Р =----7------ГТ77ГГТ Р Л 3.8 4
1 с 74.534 (1 — е~4‘2*4'0,3)2 1
4-2-13(1 —е-42л'0’3)]^ 11,5-1О~10 или Qc = 3,4 • 10~5.
Полученное значение попутного потока позволяет определить
защищенность от помех, создаваемых конструктивными неоднород-
ностями
А... = Wig = 101g« 39,4 дБ.
Таким образом, защищенность от помех, обусловленных попут-
ным потоком, оказалась достаточной для всех длин регенерацион-
ных участков, определенных по критерию термических шумов.
Длины регенерационных участков Lpy волоконно-оптических
линий связи (ВОЛС) определяются в основном двумя фактора-
ми— затуханием и уширением импульсов. Поэтому при проекти-
ровании ВОЛС выполняют два расчета Lpy— один по критерию
затухания сигналов ТРУ(а), другой—по допустимому уширению сиг-
налов £рУ(ТуШ). Действительное значение Lpy принимается рав-
ным меньшему из полученных значений.
На начальном этапе развития ВОЛС ограничение длины реге-
нерационных участков в основном определялось возрастанием за-
тухания сигналов в линии, дБ,
Рпр. (8.13)
Здесь рс—уровень мощности излучения, вводимого в ВОЛС; рПр—
уровень мощности принимаемого сигнала; а — коэффициент зату-
хания оптического кабеля, дБ/км; dCT — среднее затухание в месте
соединения строительных длин оптического кабеля; п — число со-
единений ОК на регенерационном участке.
421
Длина регенерационного участка, км
. .**pv max аст п Решах Pun min ^стп ,г, ,
Ldv (а) =-. -------=-----------!--------, (8-14
а , а
где Решах — максимальный уровень сигнала, вводимого в ОК для
заданной световодной системы передачи; рпрш/п — минимально до-
пустимый уровень сигнала на приеме ВОЛС для той же системы
передачи.
При проектировании волоконно-оптических систем передачи
следует учитывать, что вследствие неполной когерентности излуче-
ния световодов и полупроводниковых лазеров (ПЛ) ширина спек-
тра несущего колебания во много раз превышает ширину спектра
рабочих сигналов. Поэтому затухание ОК зависит только от сред-
ней длины волны (средней частоты) излучателя и практически счи-
тается постоянной величиной во всем спектре рабочих частот.
Определение длины РУ по критерию допустимого искажения
сигналов на приеме Ару(туш) производится по допустимой величине
уширения сигналов в световоде (тДОп, с). В многомодовых оптиче-
ских волокнах ступенчатого и градиентного профиля уширение им-
пульсов определяется модовой дисперсией:
т .
дои
Мюд
/в
(8.15)
где Тмод с=тА/с — модовая дисперсия многомодовых световодов со
ступенчатым профилем, с/км; тМОдг~пгА2/8с — модовая дисперсия
оптимальных градиентных световодов, с/км; [п\—п2)/п}— от-
носительная разность показателей преломления ОВ; —
значение b зависит от степени перемешивания мод в ОВ.
Максимально допустимое значение уширения импульсов не дол-
жно превышать интервала между импульсами, который обычно ра-
вен Tj2 (Т — период повторения импульсов), с,
(8.16)
Из уравнений (8.20) и (8.21) получаем Ару, км:
(8.17)
Уширение импульсов в одномодовых световодах определяется
волноводной дисперсией и дисперсией в материале, которая для
оптимальных и идеальных конструкций световодов этого типа со-
ставляет 1 пс/км-нм.
Полоса пропускания системы передачи в одномодовом волокне
определяется хроматической дисперсией волокна, шириной полосы
422
Рис. 8.3. Зависимость расстояния
между регенераторами от скорости
передачи данных:
/ — одномодовое волокно; 2 — градиентное
волокно; -3—многомодовое волокно; 4—коа-
ксиальный кабель; 5—симметричный кабель
500
Предельное 1,55мкм
L 1,55 мкм
ЮО
мод
[ 1,3 мкм
0,55 ним
10
Ограничение за
счет шума разде-
ления мод
20 50
50 100 500МГц 1
Скорость передачи данных, дат/с
Ограничение
счет ди
х Персии мод
излучения лазера и шумом
разделения мод. Интенсив-
ность каждой продольной мо-
ды лазера флуктуирует в про-
цессе высокоскоростной двоич-
ной модуляции. Эти флуктуа-
ции вызывают изменение фор-
мы оптического сигнала, назы-
ваемое шумом разделения мод
[12, 13], что приводит к огра-
ничению длины регенерацион-
ного участка.
Если допустимое уменьшение отношения сигнал-шум, обуслов-
ленное шумом разделения мод, составляет 3 дБ, то максимально
возможное произведение скорости передачи информации на длину
световода можно оценить, полагая 1 с помощью соотношения
Lp>./'o=3,5-lO5/(mll7), (8.18)
где fo — скорость передачи, Мбит/с; Lpy — расстояние между реге-
нераторами, км; т — хроматическая дисперсия волокна, пс/km-hmj
№—ширина спектра излучения лазера по уровню половинной
мощности, нм.
============= Шоссе О НУП
Рис. 8.4. Чертеж трассы прокладки кабеля
423
На рис. 8.3 приведена зависимость максимально возможного
расстояния между регенераторами от скорости передачи инфор-
мации для различных типов ОВ. При выполнении расчетов пред-
полагалось, что
точки сращивания расположены через 1 км, потери в кабеле
0,5 дБ/км при л—1,3 мкм и 0,3 дБ,/км при л~1,55 мкм;
средняя мощность оптического излучения, вводимого в волок-
но, равна 5 дБм;
средняя ширина спектра излучения лазера по уровню половин-
ной мощности равна 3 нм.
На этом же рисунке для сопоставления приведены значения для
коаксиального кабеля с коаксиальными парами 2,6/9,4 мм.
Длина регенерационных участков на симметричных кабельных
линиях связи определяется, исходя из трех основных факторов —
затухания сигнала, икажения формы сигнала, а также уровня вза-
имных помех.
8.9. РАБОЧИЕ ЧЕРТЕЖИ
По рабочим чертежам осуществляется строительство и ведутся
монтажные работы. Рабочие чертежи составляются на трассы про-
кладки и защиты междугородных кабелей от опасных влияний
ЛЭП, коррозии и других воздействий кабеля на городских участ-
ках; переходы кабеля через реки, а также на устройства вводов
кабелей в ОУП и НУП. В состав документации рабочих чертежей
включаются: пояснительная записка, ведомости потребных мате-
риалов и объемы работ, смета.
Чертежи трассы прокладки по усилительным (регенерацион-
ным) участкам (рис. 8.4) выполняются с указанием марки кабеля,
размещения ОУП и НУП, пересечений трассы с реками, дорогами,
линиями связи и электропередачи. В таблицах к этим чертежам
приводятся показатели объема работ и способы их выполнения.
На чертежах трасс прокладки кабеля на городских участках ука-
зывается название улиц, по которым намечается прокладка кабе-
ля, трасс проектируемой и используемой телефонной канализации
с указанием ее длины и числа отверстий.
На чертежах речных переходов показываются план и профиль
кабельного перехода.
В рабочих чертежах по устройству вводов приводится план про-
кладки кабелей на территории ОУП, устройства вводов в ОУП
с разрезами, доказывающими размещение кабелей в каналах кана-
лизации, схемы распайки кабелей на боксах, планы ввода кабелей
в НУП, планы расположения контуров заземления и т. д.
В состав рабочих чертежей входят также конструктивные чер-
тежи нетиповых деталей и др,
424
8.10. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМ
КАБЕЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ
В проектах кабельных магистралей наряду с основным объектом
проектирования — линейных сооружений связи разрабатываются
также проекты вспомогательных подсистем, к которым относятся
заземляющие устройства, устройства содержания кабелей под из-
быточным давлением, устройства ввода кабелей в оконечные и про-
межуточные пункты, системы защиты кабельных линий от взаим-
ных и внешних электромагнитных влияний, а также от грозовых
разрядов, системы снабжения кабельных магистралей электриче-
ской энергией и дистанционного питания и др. Проектирование этих
объектов и подсистем осуществляется в соответствующих разделах
проекта с учетом конкретных условий строительства трассы и со-
гласования проектных решений в целом.
Указанные подсистемы кабельных магистралей в основном опи-
саны в соответствующих главах книги. Поэтому в настоящем раз-
деле кратко рассматриваются лишь некоторые особенности проек-
тирования вышеуказанных подсистем. Заземляющие устройства
ЛСС оборудуются для обеспечения электропитанием аппаратуры
систем передачи и защиты от поражения эксплуатационного пер-
сонала, обслуживающего промежуточные и оконечные пункты ли-
ний связи. Необслуживаемые усилительные пункты, которые пита-
ются дистанционно по схеме «провод — провод» и в которых окан-
чивается цепь дистанционного питания, оборудуются рабочим^
защитным и линейно-защитным заземляющими устройствами.
НУП, которые питаются дистанционно по схемам «провод — про-
вод» и «провод — земля» и в которых не оканчивается цепь ди-
станционного питания, оборудуются двумя обособленными зазем-
ляющими устройствами — защитным и линейно-защитным. Если
защита металлических цистерн от почвенной коррозии не требу-
ется. в НУП оборудуется одно заземляющее устройство.
По длине вертикальных заземляющих электродов различают
три типа заземлений: нормальные (2 ... 3 м), углубленные (3 ...
... 10 м) и глубинные (свыше 10 м). Заземляющие электроды из-
готавливаются из стальных прутов круглого сечения, угловой стали
или стальных труб. Выбор конструкции заземляющих электродов
определяется величиной сопротивления грунта [37].
Содержание кабелей под избыточным давлением осуществляет-
ся в целях повышения надежности кабельных линий. В проектах
определяется оборудование систем с автоматическим наполнением
воздуха в кабеле и устройства для определения участка и места
негерметичности в процессе эксплуатации кабельных линий связи.
Системы и основные положения содержания кабелей под давлени-
ем приведены в гл. 9.
425
Проектирование устройств ввода кабелей в оконечные и проме-
жуточные пункты производится с учетом обеспечения: минималь-
ной длины прокладки кабеля внутри НУП или ОУП, надежного
разделения направлений передачи от взаимных влияний, герметич-
ности кабеля в оконечных муфтах. Устройство вводов и конструк-
ции НУП описаны в гл.. 9.
Системы снабжения кабельных магистралей электрической
энергией проектируются с разработкой следующих объектов и под-
систем:
объектов электроснабжения кабельных магистралей от внеш-
них энергосистем — кабельных и воздушных ЛЭП, трансформатор-
ных подстанций;
собственных подсистем и объектов электроснабжения;
автоматизированных дизельных электростанций (АДЭС), пред-
назначенных в основном для аварийного энергоснабжения ЛСС и
предприятий связи;
электропитающих установок (ЭПУ), необходимых для преобра-
зования переменного напряжения 400/230 В в напряжения посто-
янного тока заданных номиналов. В состав ЭПУ входят аккумуля-
торные батареи, обеспечивающие резервирование первичных ис-
точников питания, и вторичные источники питания, предназначен-
ные для преобразования напряжения ЭПУ в другие стабилизиро-
ванные напряжения постоянного тока;
дистанционное питание (ДП) аппаратуры НУП, прилегающих
к данной станции. В систему ДП входят вторичные источники пи-
тания, фильтры, устройства защиты и коммутации, устанавливае-
мые на ОУП;
силовое электрооборудование, предназначенное для освещения
помещения ОУП, вентиляции, кондиционирования воздуха, а так-
же электроснабжения электродвигателей.
8.11. ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ КАБЕЛЬНЫМИ
МАГИСТРАЛЯМИ
Одной из основных задач проектирования кабельных магистра-
лей большой мощности является разработка проектных положе-
ний, определяющих функционирование автоматизированных систем
управления кабельными магистралями страны (АСУ КМ).
Различают два основных типа АСУ КМ.:
автоматизированные системы управления предприятий (АСУП)
различных иерархий, функции которых в основном состоят в сборе
информации об управляемой системе, регулировании управляющи-
ми воздействиями для перевода ее в новое состояние, доставке и
оценке информации об эффективности управляющих воздействий на
426
рабрту управляемой системы, при этом основными объектами уп-
равления АСУП являются планирование, нормирование, стимули-
рование и организация работы на данном предприятии;
автоматизированные системы управления технологическими
процессами КМ (АСУТП КМ), основным назначением которых яв-
ляются контроль и управление техническими системами эксплуа-
тации кабельных магистралей, осуществляемые в полностью авто-
матическом, полуавтоматическом либо в режиме управления опе-
ратором.
Как известно [14, 24], разработка любых систем-АСУ предусма-
тривает применение ЭВМ для сбора, контроля и обработки инфор-
мации о состоянии объекта и выработки управляющих воздействий
с целью изменения параметров системы в желательном направле-
н и и.
Рассмотрим основные вопросы проектирования АСУТП КМ.
Процесс проектирования заданной АСУ можно разбить на сле-
дующие основные связанные между собой этапы: исследование,
планирование, проектирование.
Целью исследования является выбор процессов управления, оп-
ределение возможности управления выбранными процессами с по-
мощью ЭВМ, исследование экономической эффективности и техни-
ческой целесообразности проектируемой АСУТП, а также ее на-
дежности. Особое внимание следует уделить выбору процессов
управления, который должен осуществляться на основе достижи-
мых целей. На этом же этапе оценивается наличие программного
обеспечения управления процессом, а также возможность его аппа-
ратного обеспечения.
Учитывая, что объекты управления эксплуатации КМ (ОУП,
НУП, «ДОС, ОП) обычно расположены на больших расстояниях
от места нахождения управляющих вычислительных машин
(УВМ), при исследовании аппаратурного обеспечения необходимо
рассмотреть вопросы сопряжения и связи УВМ с источниками по-
ступления информации и с объектами управления, а также кон-
троля, расчета и оценки возможных искажений информационных
сигналов в системах связи «УВМ — объекты управления». Резуль-
таты этапа исследования должны быть представлены руководству
с четкой формулировкой принятых допущений, целей АСУТП,
оценки степени риска, а также вывода об экономической и техни-
ческой целесообразности внедрения АСУТП на данной КМ.
На этапе планирования основное внимание уделяется трем ос-
новным вопросам: кадрам, выбору принципов управления и выбору
применяемого оборудования. Вопрос подбора и привлечения специ-
алистов для разработки и реализации целей, поставленных иссле-
довательской группой, является одним из самых существенных.
Наиболее целесообразно комплектовать эту группу из специали-
стов, хорошо знающих эксплуатацию КМ, в том числе и особенно-
сти эксплуатации данной КМ, а также сторонних специалистов по
427
АСУТП, ЭВМ, системным вопросам организации связи, измерени-
ям параметров устройств КМ. При этом на стадии планирования
необходимо предусмотреть надлежащую загрузку сторонних спе-
циалистов.
Вопрос выбора принципа управления охватывает широкий
диапазон решений — от простого сбора данных для анализа на
ЭВМ, установленной вне контура управления (при этом управле-
ние осуществляется оператором на основании данных и рекомен-
даций ЭВМ), до комплексного автоматического и ручного управ-
ления процессами, протекающими на данной КМ, а также на сети
КМ данного региона страны. В этих пределах имеется множество
промежуточных решений, являющихся оптимальными на различных
КМ и сетях, а также на разных этапах внедрения АСУТП. Послед-
нее замечание означает, что вопросы планирования обычно долж-
ны находиться в сфере постоянного внимания руководства проек-
тов АСУТП с целью своевременного внесения необходимых по-
правок или расширения АСУ.
Непременным условием правильного выбора принципа управ-
ления является предварительное планирование применяемого обо-
рудования. Техника измерений и приборов управления развивает-
ся настолько быстро, что необходимо не только быть в курсе новых
разработок, но и уметь отбирать оборудование, прошедшее экс-
плуатационные испытания и доказавшее свою работоспособность в
заданных условиях работы СЭКМ. Осуществление проекта не
должно зависеть от приборов, находящихся на стадии опытных об-
разцов, так как, если они не выдержат испытаний, весь проект ока-
жется под угрозой. Одновременно с выбором аппаратуры опреде-
ляются программы сбора информации и управления процессом.
Координация программирования и технических средств обеспече-
ния позволяет избежать задержек в реализации проекта.
На этапе проектирования осуществляется выбор ЭВМ, опреде-
ление соотношений между аппаратурой и программой реализации
функций ЭВМ, проектирование измерительной системы и линий
связи с объектами управления и помещения для ЭВМ, а также
решение технологических вопросов, связанных с существенным из-
менением СЭКМ в связи с внедрением АСУТП.
Выбор ЭВМ имеет очень большое значение для достижения вы-
сокой эффективности работы АСУТП. Различают три основных
этапа выбора: описание системы, сбор и систематизация данных
об имеющихся типах ЭВМ и средств их программного обеспече-
ния, разработка критериев оценки и метода сравнения ЭВМ.
Описание системы АСУТП в дальнейшем трансформируется в
технические требования к ней и критерии выбора ЭВМ. Обычно
описание системы составляется специалистами по эксплуатации
КМ и охватывает следующее.
1. Перечень аналоговых входных величин с указанием величин,
428
которые будут использоваться для управления, и величин, подле-
жащих только контролю с помощью ЭВМ. В специальных табли-
цах таких величин указываются название и описание формы ана-
логового сигнала, частота опроса, частота сигнала и единицы его
измерения, ожидаемые пределы изменения уровня сигнала, вероят-
ные значения погрешности, помех и уровня шума, а также назна-
чение сигнала в АСУТП для управления, обнаружения, отклоне-
ний, регистрации аварийных ситуаций и т. д.
2. Перечень цифровых входных сигналов, вводимых в ЭВМ, ко-
торые можно разделить на три категории: непрерывные сигналы,
считываемые ЭВМ через правильные интервалы времени; сигналы,
требующие немедленной реакции, например аварийной сигнализа-
ции; сигналы о событиях на КМ, которые должны подсчитываться
на ЭВМ. Кроме входных сигналов, передаваемых с объекта, необ-
ходимо также учитывать сигналы, используемые для взаимодейст-
вия человека с ЭВМ. В перечне цифровых сигналов указываются
номер входа, наименование сигнала, частота, уровень напряжения,
счет импульсов (длина кода), наличие прерывания—приоритета,
номера пульта и терминала.
3. Описание выходных аналоговых и цифровых сигналов. В пер-
вую очередь составляют список технологических переменных, кото-
рыми должна управлять ЭВМ посредством выходных сигналов, а
также сигналов, используемых для взаимодействия человека с ма-
шиной. В последнем случае могут использоваться аналоговые сиг-
налы для устройств графической индикации — самописцев и ос-
циллографов, а также индикаторы с цифровым входом, цифропеча-
тающие устройства и дисплеи. Кроме того, для выходных сигналов
определяют требования к уровню сигналов, быстродействию, а так-
же к оконечным устройствам и цепям связи.
4. Требования к устройствам связи с объектами управления,
к параметрам ЭВМ (быстродействию, объему памяти), к перифе-
рийным устройствам, оценка трудностей программирования и др.
Из перечисленного следует, что первичное описание АСУТП
для КМ, в которой необходимо принять во внимание десятки и
сотни характеристик, особенности КМ и системы управления, яв-
ляется во многом итерационным процессом, в котором в ходе про-
ектирования, реализации и эксплуатации АСУТП проясняются и
оптимизируются требования к АСУ и ее характеристики. Это воз-
можно при гибком подходе к вычислительной системе, что обычно
приводит к необходимости предусмотреть 30%-ный запас входных
и выходных устройств ЭВМ.
Критерии выбора ЭВМ (и других устройств) для АСУТП обыч-
но формируются в виде набора требований к выбираемым ЭВМ,
методам их эксплуатации и другим устройствам, необходимым для
решения поставленных задач. Далее составляются таблицы пара-
метров для изготовляемых промышленностью ЭВМ и устройств и
429
осуществляется сопоставление представленных данных. При этом
учитываются не только статистические параметры, но и их дина-
мические характеристики в системе. Например, если одна система
обеспечивает погрешность 0,03% при полной шкале 50 мВ, а вто-
рая— 0,05%, то при уровне шума в линии 25 мкВ первая система
не дает каких-либо преимуществ по сравнению со второй, так как
с учетом влияния шума обе системы оказываются примерно одина-
ковыми. Поэтому этап сравнения требует детального анализа ожи-
даемых условий работы АСУТП и параметров ЭВМ, включая во-
просы программного обеспечения, быстродействия, объема памяти,
приоритетного прерывания и т. д. Результат оценки сопоставляе-
мых устройств часто не может быть выражен в виде «Годен — не
годен» или «Да — нет», а требует более глубокого анализа.
В [14] рекомендуется составлять специальные таблицы, в кото-
рых указываются рабочие характеристики ЭВМ и оценивается их
эффективность в виде весовых коэффициентов. Предпочтение от-
дается оборудованию, суммарный весовой коэффициент которого
оказывается выше.
Другим весьма эффективным методом выбора являются ознах
комление и использование опыта эксплуатации исследуемых ЭВМ
в аналогичных АСУТП непосредственно на месте их установки.
Оптимизация соотношений ,между аппаратной и программной
реализациями функции ЭВМ заключается в принятии следующе-
го решения: каким способом должна быть реализована данная
функция — непосредственно аппаратурой или посредством про-
грамм, содержащих определенное число команд. Между этими
крайними решениями лежит большое множество промежуточных,
которые должны быть рассмотрены в ходе проектирования. Разно-
образие возможных решений еще более возросло с появлением
микропроцессоров, позволяющих существенно расширить возмож-
ности автоматизации системы управления работой КМ с помощью
передачи части функции сбора и обработки информации. Учи-
тывая большие расстояния между объектами управления КМ, дан-
ное обстоятельство имеет важное значение при создании АСУТП
КМ, особенно при решении вопросов о том, как аналоговая и циф-
ровая информация доставляется в ЭВМ и поступает из нее.
Далее в процессе проектирования должны быть выбраны мето-
ды ввода данных в ЭВМ, способы заполнения, опроса входов и
оценки (сравнения) поступающих данных. Специфичным для ЭВМ,
управляющих технологическими процессами, является использова-
ние внешних прерываний с целью остановки нормальной последо-
вательности команд и перехода к выполнению специальных команд.
Пути решения этих вопросов рассматриваются в [14].
Программное обеспечение ЭВМ обычно испытывается с по-
мощью оценочных программ, предназначенных для решения опре-
деленной эталонной задачи при заданной входной информации.
430
Эта задача должна содержать достаточное число операции для
связи с объектами управления, и ее решение должно требовать
того же набора команд, что и в типичных рабочих режимах.
Одним из центральных этапов проектирования АСУТП являет-
ся программирование прикладных задач," включающее анализ за-
дачи, проектирование программ прикладных задач, запись про-
грамм, отладку программ и составление документации.
8.12. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АБОНЕНТОВ
ПО ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА
И ВЫБОР МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ
СТАНЦИЙ
Системы построения городских телефонных сетей были рассмот-
рены в гл. 2, поэтому вопросы.проектирования ГТС мы начнем с
изучения принципов распределения абонентов по территории го-
рода.
Общая проектируемая емкость городской телефонной сети рас-
пределяется по территории города, его кварталам и домовладени-
ям согласно этапам развития сети. Распределение абонентов по
территории, обслуживаемой проектируемой станцией, производится
на основе материалов обследования, поданных заявок на установ-
ку телефонных аппаратов, наблюдений службы эксплуатации. Рас-
пределение телефонных установок производится с участием пред-
ставителей городских организаций.
Обычно телефонные аппараты делятся на группы: промышлен-
ных’ предприятий, учреждений (административно-хозяйственных,
культурных, социально-бытовых и др.) и квартирные.
Телефонные аппараты промышленных предприятий, админист-
ративно-хозяйственных, культурных и других учреждений распре-
деляются в соответствии с размещением этих предприятий и уч-
реждений. Квартирные аппараты распределяются в соответствии
с жилой площадью, числом квартир, проектируемым развитием
жилого фонда и принятым планом обеспечения телефонной связью
населения.
Место расположения телефонной станции выбирается так, что-
бы сумма расстояний от нее до каждого аппарата была наимень-
шей. Телефонная станция, расположенная в точке, носящей назва-
ние телефонного центра, позволяет построить сеть с наименьшими
капитальными затратами (при прочих равных условиях), а также
с наименьшими последующими расходами при эксплуатации. Для
нахождения телефонного центра на практике используют или ме-
тоды, основанные на использовании ЭВМ [14, 24], или весьма
простой способ, который сводится к следующему. На план города
с указанием размещения абонентов кладут линейку параллельно
преобладающему направлению улиц и передвигают ее параллель-
431
но самой себе до тех пор, пока она не разделит общее число або-
нентов примерно на две равные части. Линия, проведенная по ли-
нейке, в этом месте соответствует одной координатной оси. Поме-
стив линейку перпендикулярно этой оси и повторив процесс, полу-
чают вторую координатную ось. Точка пересечения осей укажет
теоретический телефонный центр.
Теоретический телефонный центр не всегда может быть избран
для расположения здания станции. На практике место постройки
здания телефонной станции зависит от целого ряда условий: нали-
чия свободного для застройки участка, удобства выхода кабеля,
общей планировки района, возможностей использования сущест-
вующего здания, вида оборудования и т. п.
На районированных сетях, кроме абонентских, следует учиты-
вать соединительные линии, которые оказывают влияние на выгод-
ное местоположение телефонной станции, смещая его в сторону
преобладающего направления этих линий.
8.13. ВЫБОР ЕМКОСТИ ШКАФА
И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ГТС
Для составления схемы распределительной кабельной сети
предварительно требуется выбрать емкость распределительных
шкафов и места их установки, а также определить границы шкаф-
ных районов. На ГТС применяются шкафы емкостью 1200x2;
600X2; 300\2 и 150X2. При этом номинальная емкость, предна-
значаемая для включения магистральных п^р, составляет соответ-
ственно 500, 250, 130 и 70.
При проектировании городской телефонной сети перед проек-
тировщиком возникает задача выбора шкафов для различных рай-
онов сети наиболее целесообразной емкости. Эта задача решается
таким образом, чтобы в результате были получены минимальные
расходы на строительство сети и ее эксплуатацию.
При установке шкафов малой емкости общая длина распреде-
лительной сети будет меньше, а магистральной — больше, в связи
с чем расходы на распределительную сеть уменьшатся, а на маги-
стральную— возрастут. Но одновременно возрастут расходы на
установку и оборудование самих шкафов, так как при меньшей
емкости их число будет большим. Величина эксплуатационного за-
паса кабеля также будет большей при меньшей емкости шкафов,
что приводит к удорожанию сети. Кроме того, произойдет некото-
рое удорожание сети за счет введения более мелких по емкости
магистральных и распределительных кабелей.
Таким образом, наиболее выгодная емкость определится путем
суммирования затрат как на кабель, так и на установку шкафов.
На рис. 8.5 показан характер изменения отдельных составляющих
432
₽ис. 8.5, Зависимость стоимости от емкости
шкафа
Смищсть
vs/iepa сети
100 W 270 ООО АОО
шкафа
стоимости оборудования шкафного
района; все стоимости отнесены к од-
ному номеру сети. Кривая а показы-
вает характер изменения стоимости
магистрального кабеля, б — распреде-
лительного кабеля и в — устройства
самого шкафа. Путем суммирования
ординат этих кривых получают кривую г, минимально значение
которой определяет наивыгоднейшую емкость шкафа. Эта емкость
находится в зависимости от так называемой поверхностной теле-
фонной плотности, т. е. от числа телефонов, приходящихся на
единицу площади. Обычно в районах с большей телефонной плот-
ностью шкафы должны иметь большую емкость, а в районах с ма-
лой плотностью установка шкафов большей емкости может при-
вести к излишнему удлинению распределительной сети, а следо-
вательно, и к большей ее емкости.
Наивыгоднейшая емкость шкафа зависит от расстояния между
станцией и шкафами. Основная цель применения распределитель-
ного шкафа — уменьшение расхода кабеля на участке станция —
шкаф (запас в магистральной сети меньше, чем в распределитель-
ной), поэтому следует, что экономия будет тем больше, чем дальше
шкаф расположен от станции. При расположении шкафа рядом со
зданием станции экономия определится фактически лишь на длине
кабеля, проходящей по помещениям здания до кросса. В этом слу-
чае экономия настолько мала, что расходы на устройство шкафа
превысят ее, т. е. установка шкафа окажется ненужной.
По указанным соображениям телефонные аппараты, располо-
женные вблизи здания станции, часто включают непосредственно
в кросс станции, помимо шкафа.
Теоретические исследования показывают, что наивыгоднейшая
емкость шкафа по капитальным затратам может быть определена
из уравнения:
N = (arf 4- AAd-\-AAl'lin)l\aA,r + ar — 2 (а0 + ha) rn/V/Vo], (8.19
где I — расстояние от станции; г — средняя стоимость одной мет-
ро-пары распределительного кабеля; т — средняя стоимость одной
метро-пары магистрального кабеля; у—коэффициент, зависящий
от средней величины эксплуатационного запаса кабельных жил,
примерно равный 1,3 ... 1,4; Л — 1 — среднее число за-
проектированных телефонных аппаратов в распределительной ко-
робке; а~(1 +/)/То/; о — средняя поверхностная телефонная плот-
ность данного района; — отношение сторон территории
433
82.0
wv Г><1
$~//74
Рис. 8.6. Схема распределительной сети
этого района; do и hQ — длина и ширина шцафного района; NQ—
общее число телефонных аппаратов района с телефонной плотно-
стью о, для которого определяется наивыгоднейшая емкость
шкафа.
Выбрав емкость шкафа с учетом последующего развития, опре-
деляют границы шкафного района, стараясь наметить их по полосе
зеленых насаждений, границе домовладений. При этом стремятся
максимально использовать существующие кабели и иметь мини-
мальное число пересечений улиц.
По соображениям наименьшего расхода распределительного ка-
беля наиболее выгодным местом установки шкафа является центр
телефонной нагрузки обслуживаемого им района, так как в дан-
ном случае длина распределительного кабеля будет наименьшей.
К шкафу, помимо распределительных, подходят и магистральные
кабели; расход их будет наименьшим, если шкаф установлен в са-
мом начале обслуживаемого района.
Шкаф следует устанавливать так, чтобы его обслуживание бы-
ло более удобным, не мешало уличному движению и исключалась
необходимость впоследствии переносить его из-за перепланировки
местности или переустройства зданий. Обычно шкаф устанавлива-
ют вплотную к стене здания или в нише стены. Наиболее удобно
устанавливать шкафы внутри зданий на лестничных площадках
первого или подвального этажа, так как он в этом случае защищен
от сырости и резких колебаний температуры.
Разбив территорию по шкафным районам и наметив места уста-
новки шкафов, составляют схему распределительно кабельной сети
для каждого шкафа в отдельности (рис. 8.6). Емкость типовых
434
распределительных коробок, принятых на наших сетях, состав-
ляет десять пар. При малой загрузке таких коробок применяют
параллельное их включение, т. е. на десять пар кабеля, идущих в
сторону шкафа, включают две коробки. .
8.14. ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МАГИСТРАЛЬНОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ
И КАНАЛИЗАЦИИ ГТС
*
Число магистральных пар, включаемых в шкаф, определяется
количеством обслуживаемых им абонентов. Практически число за-
водимых в шкаф пар приходится округлять до целого числа сети
соответственно стандартной емкости боксов.
Выбор типа кабеля по емкости (числу пар) на каждом участке
определяется числом пар, которое должно пройти по данному уча-
стку, и стандартной емкостью кабеля. Прокладку кабелей большей
емкости выгодна как по стоимости самих кабелей (один кабель
всегда стоит меньше, чем два той же общей емкости), так и по
стоимости канализации, поскольку чем крупнее кабели, тем более
эффективно используются каналы канализации.
Диаметр жил кабеля выбирается с учетом соблюдения установ-
ленных норм затухания как при городском, так и при междугород-
ном разговорах. Согласно действующим нормам НТП-322—68 за-
тухание на отдельных участках сети при частоте 800 Гц не должно
превышать величин, указанных на рис. 8.7.
Зная норму затухания а и длину линии /, определяют допусти-
мый коэффициент затухания а=а/1 на частоте 800 Гц. Затем, по
этому коэффициенту находят требуемый диаметр жил кабеля. Для
проверки надежности станционных приборов проверяют сопротив-
ление шлейфа постоянному току.
Схема магистральной кабельной сети приведена на рис. 8.8.
Схема кабельной канализации составляется на основе схемы маги-
Рис. 8.7. Схема распределения
затухания между абонентами
телефонной сети:
а) в пределах одного города; б)
разных городов
435
Рис. 8.8. Схема магистральной сети
-стральной сети. Число каналов канализации на отдельных участ-
ках определяют, исходя из количества и емкости кабелей, при
этом учитываются потребное число каналов для кабелей соедини-
тельных линий и обычно один канал для распределительных кабе-
лей. В зависимости от местных условий на отдельных участках
могут потребоваться дополнительные каналы для междугородных
кабелей, кабелей сигнализации и т. п. Как правило, предусматри-
вается один запасной канал на случай перетягивания кабеля при
повреждени и.
Число каналов и размеры кабельных колодцев на каждом учась
ке выбираются с учетом будущего развития сети. Выбранные на-
правления и емкости канализации наносятся на схему кабельной
канализации.
8.15. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ
СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ ГТС
С развитием районированных телефонных сетей растет число
районных станций и увеличиваются расстояния между станциями,
часто превышающие десятки километров. Поэтому на соедини-
тельных линиях между районными АТС и особенно между район-
ными АТС и междугородными автоматическими станциями МТС,
где норма затухания значительно меньше, приходится принимать
дополнительные меры по снижению затухания линии. Наиболее
эффективным способом создания соединительных линий между
АТС и также АТС и МТС является применение высокочастотных
систем передачи. Такие системы позволяют получить мощные эко-
номические пучки каналов на требуемые дальности.
436
; На кабельных соединительных линиях ГТС получили примене-
ние в основном системы с временным разделением каналов
(ИКМ-30). Эти системы экономически выгодны при длинах соеди-
нительных линий, начиная с 7 ... 10 км. -
В настоящее время на ГТС широко внедряется оптическая
связь. Для этой цели применяется оптический кабель. Малые габа-
риты, низкие значения затухания, огромная пропускная способ-
ность оптических трактов и высокая защищенность позволяет ис-
пользовать на этих линиях системы с ВРК г типа ИКМ-480,
ИКМ-1920 и радикально повысить эффективность системы постро-
ения сети ГТС.
Для снижения затуханий линий ГТС получили некоторое при-
менение способы пупинизации цепей и установка усилителей. Из-
вестны также телефонные аппараты с усилительными устройст-
вами.
8.16. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ГТС
Перспективы создания и широкое внедрение электронных АТС
и переход в связи с этим на цифровые системы передачи, развитие
кабельного телевидения и других широкополосных систем связи
(например, видеотелефона), а также использование ВОЛС, несо-
мненно приведут к изменению основных принципов построения и
проектирования сетей ГТС. Эти изменения прежде всего коснутся
принципов построения соединительной сети ГТС, которая в конеч-
ном счете будет строиться на базе ВОЛС с относительно небольшим
число-м одномодовых или градиентных световодов и с применени-
ем широкополосных ЦСП типа ИКМ-1920 и выше. Средняя длина
регенерационного участка таких систем передачи будет составлять
около 50 км, при скорости передачи по одномодовым волокнам по-
рядка 1 Гбит/с, а градиентных — 200 Мбит/с при длине волны X—
= 1,3 или 1,55 мкм.
Подобные системы обеспечат на линиях ГТС возможность пе-
редачи по одному световоду 4000 ... 20 000 телефонных каналов
без установки регенераторов. Это приведет к полному изменению
соотношений между стоимостью станционных и линейных
устройств, значения оптимальной емкости АТС возрастут в не-
сколько раз, повысится гибкость и надежность сети ГТС в целом
вследствие возможности создания больших резервов телефонных
каналов на соедините льной сети.
Большая пропускная способность оптических систем передачи и
малые значения затуханий изменят также и принципы проектиро-
.вания распределительной сети ГТС. В частности, появится возмож-
ность организации по этой сети кабельного телевидения с органи-
зацией по одному световоду 10 ... 12 телевизионных каналов и
437
большого числа телефонных каналов. Емкость оптических кабелей
магистральной сети уменьшится в сотни и тысячи раз, а средняя
протяженность оптических линий этой сети возрастет. Соответст-
венно уменьшится средняя длина распределительной сети. В рас-
пределительных устройствах (распределительных шкафах) будет
устанавливаться аппаратура, обеспечивающая разделение телефон-
ных каналов и широкополосных трактов магистралей сети, эти
каналы и тракты по металлическим или оптическим кабелям (в
зависимости от расстояния до абонента) будут подключаться к
абонентам.
Естественно, что численные изменения структуры будущей се-
ти ГТС в настоящее время определить не представляется возмож-
ным, поскольку технико-экономические параметры компонентов
сети неизвестны.
Одновременно с изменением структуры сети кардинально из-
менится и технология проектирования ГТС, которая будет харак-
теризоваться широким внедрением вычислительной техники в про-
цессе проектирования, созданием систем автоматизированного про-
ектирования, совершенствованием методов оптимизации ГТС,
повышением производительности проектных работ и улучшением
качества проектов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как организуется проектирование линейных сооружений связи?
2, Сформулируйте основные этапы и пути оптимизации проектирования.
3. Как могут использоваться ЭВМ при проектировании сетей и линий связи?
4. Принципы построения САПР линейных сооружений связи.
5. Как выполняется технико-экономическое обоснование проекта?
6. Какие основные вопросы решаются при разработке проектного задания На
строительство кабельной магистрали?
7. Какими основными соображениями следует руководствоваться при выборе
марки кабеля, системы передачи, трассы прокладки кабеля, места установки
НУП и длин ретрансляционных участков?
8. В чем состоят основные задачи проектирования АСУ кабельных магистра-
лей?
9. Как выбираются места расположения АТС?
10. От чего зависит паи выгоднейшая емкость распределительного шкафа?
11. Какие системы передачи применяются на соединительных линиях ГТС?
12. Основы проектирования сельских сетей ГТС?
Глава 9. СТРОИТЕЛЬСТВО
ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ
ПРОКЛАДКА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИИ
9.1. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Разработка подготовительных мероприятий. В процессе подготов-
ки к строительству изучается проектная документация и трасса
линии в натуре. При этом особое внимание обращают на речные
переходы, пересечения с шоссейными и железными дорогами,
прокладку кабеля по мостам, дамбам, в тоннелях, по обочинам
дорог, в болотах, на скальных и горных участках, в населенных
пунктах и т. д. Одновременно уточняются места расположения
кабельных площадок, состояние дорог вдоль трассы и возмож-
ность подъезда к пунктам разгрузки кабеля, места расположения
строител.ьных подразделений (прорабских участков, механизиро-
ванных колонн и др.), стоянок для транспорта, жилых и быто-
вых фургонов, условия обеспечения работающих питанием, во-
дой, культурно-бытовым и необходимым санитар но-медицинским
обслуживанием.
Проект производства работ. По результатам изучения проект-
ной документации и ознакомления с трассой в натуре составляет-
ся проект производства работ (ППР), который содержит сетевой
график, с указанием сроков и последовательности выполнения от-
дельных видов работ.
Организация производственных подразделений. Для выполне-
ния отдельных видов работ в составе строительных организаций
(СМУ — строительно-монтажных управлений, ПМК— передвиж-
ных механизированных колонн, СМП — строительно-монтажных
поездов и т. п.) создаются производственные подразделения:
строительно-монтажные участки; бригады по проверке и подго-
товке кабеля на кабельных площадках; механизированные колон-
ны; бригады по разработке траншей и прокладке кабеля вруч-
ную; бригады по устройству переходов через шоссейные и желез-
ные дороги; бригады по строительству телефонной канализации
и смотровых устройств; группы разбивки трассы и фиксации;
монтажно-измерительные колонны.
9.2. ПОДГОТОВКА КАБЕЛЯ К ПРОКЛАДКЕ
Размещение кабельных площадок. Кабельные площадки раз-
мещаются, по возможности, ближе к трассе через 15...20 км.
Площадка должна быть ровной, сухой в период таяния снега,
439
разлива рек, осенних дождей и т. п., не должна заливаться
водой.
Площадки оборудуются противопожарными средствами: огне-
тушителями, ящиками с песком, бочками с водой и т. п.
Для своевременной приемки и разгрузки кабеля подготавлива-
ются разгрузочные средства (краны, эстакады, передвижные
платформы) и транспорт (автомашины, кабелевозы, волокуши,
сани и т. п.). При транспортировке тяжелых барабанов пол ку-
зова автомашин устилается настилом из досок толщиной 50...
...60 см. В кузове машины барабаны укрепляются постоянным и
съемным упорами, которые после погрузки барабанов скрепляют-
ся продольными брусьями.
Испытания кабелей. Все строительные длины кабеля, посту-
пившие на кабельную площадку, перед вывозкой на трассу под-
вергаются полной или частичной проверке.
При полной проверке производятся: внешний осмотр бараба-
нов; испытание на герметичность; измерение электрического со-
противления изоляции изолирующих шланговых покровов (обо-
лочка— броня); испытание электрической прочности и измере-
ние сопротивления изоляции жил; проверка целости жил и эк-
ранов.
При частичной проверке производятся внешний осмотр бара-
банов, испытание на герметичность оболочки и измерение изоля-
ции «оболочка — броня» в кабелях со шланговыми покровами.
Кабели, поступившие на площадки без избыточного давления,
а также имеющие вмятины, пережимы, обломанные концы и дру-
гие внешние дефекты, подвергаются полной проверке. После из-
мерений и испытаний все строительные длины устанавливаются
под избыточное давление 90... 110 кПа (0,9... 1,1 кгс/см2). Ре-
зультаты проверки кабеля на площадке фиксируются в прото-
кол а х.
9.3. ГРУППИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ
ДЛИН
Качество передачи Дпо кабелю зависит от электрической одно-
родности цепей. Для/получения максимальной однородности стро-
ительные длины кабеля в пределах одного усилительного участ-
ка группируются перёд прокладкой по конструктивным данным,
размерам строительных длин, волновому сопротивлению коакси-
альных пар, величинам переходного затухания и средним значе-
ниям рабочей емкости.
По конструктивным данным группированию подлежат кабели
всех типов. На усилительном участке укладывают строительные
длины кабеля, имеющие одинаковые материалы и размеры токо-
ведущих элементов, изоляцию, скрутку, расцветку жил и элемен-
440
7 аблмца 9.1
Группа кабеля Волновые сопротивления, Ом, для пар
2,6/9,5 | 1,2/4,6 | 2,1/9,1
I 74,35... 74,65 73,50 ...74,10 72,00 . ..73,20
11 74,66... 74,90 74,1 1 . . . 74,7 73,21 . ..74,40
ш 74,91... 75, 15 74,71 . . . 75,3 74,41 . . . 75,60
IV 75,16... 75,40 75,31 ...75,9 75,61 . . . 76,80
• V 75,41... 75.65 75,91 .. . 76,5 76,81 . .. 77.00
тов, выпускаемых по одному и тому же ГОСТ (ТУ) и, как пра-
вило, изготавливаемых одним заводом. В пределах усилительно-
го участка прокладываются длины с однородными оболочками
(полиэтилен, поливинилхлорид и т. д.), что необходимо для обес-
печения возможности их сращивания при монтаже.
По размерам строительных длин кабели группируются таким
образом, чтобы общая длина участка соответствовала проектной.
При двухкабельной системе подбирают по две одинаковые дли-
ны для того, чтобы муфты были в одном котловане. Кроме того,
при подборе учитываются особые условия трассы (например, ре-
ки, болота и другие препятствия, где размещение муфт невозмож-
но или нецелесообразно).
Строительные длины коаксиальных кабелей разделяются на
пять групп в зависимости от средних значений волновых сопро-
тивлений (табл. 9.1). Рядом расположенные строительные длины
кабелей должны иметь одинаковые или смежные группы.
Неоднородности коаксиальных кабелей в настоящее время из-
меряются преимущественно импульсным методом с помощью им-
пульсных приборов большой чувствительности, которые позволя-
ют наблюдать на экране степень однородности волнового сопро-
тивления кабеля по его длине и устанавливать место и характер
повреждения.
По волновому сопротивлению кабели группируются таким об-
разом, чтобы в месте стыка строительных длин разность конце-
вых значений волновых сопротивлений в каждой соединяемой ко-
аксиальной паре типа 2,6/9,5 не превышала 0,45 Ом, в паре типа
1,2/4,6— 1,2 Ом и кабеле В КП А 2,1/9,7 — 2,4 Ом.
В усилительный пункт (ОП, ОУП, НУП) вводится конец стро-
ительной длины такого кабеля, у которого волновое сопротивле-
ние любой коаксиальной пары типа 2,6/9,5 находится в преде-
лах 754=0,25 Ом, пары типа 1,2/4,6 4=0,3 Ом, а в кабеле типа
ВКПА — 754=0,6 Ом.
Симметричные ВЧ кабели с целью повышения однородности
ВЧ линии группируются по значениям рабочих емкостей, т. е.
устанавливается последовательность прокладки строительных
длин кабелей в соответствии с данными, указанными в заводских
Паспортах кабельных барабанов.
441
Для ВЧ симметричных кабелей предусматривается восемь
групп по средним величинам рабочих емкостей в пределах 25zh
zt0,8 нФ/км, т. е. через каждые ОД нФ/км. Таким образом, строи-
тельные длины кабелей должны укладываться в такой последо-
вательности, чтобы средние рабочие емкости (по данным паспор-
тов на строительные длины- как среднеарифметическое для всех
цепей) смежных строительных длин отличались не более
0,2 нФ/км.
Группирование строительных длин по величинам переходного
затухания производится на симметричных ВЧ кабелях таким об-
разом, чтобы прилегающие к усилительному пункту (ОУП, НУП)
строительные длины на протяжение 2,5... 3 км имели по возмож-
ности наибольшие величины переходного затухания па ближнем
конце, но не менее 65 дБ.
По результатам группирования для каждого кабеля каждого
усилительного участка составляется укладочная ведомость.
9.4. РАЗБИВКА ТРАССЫ
Перед прокладкой кабеля производится разбивка трассы, ко-
торая в процессе проектирования выбирается с учетом наимень-
шего объема строительных работ, максимального использования
механизмов, удобства эксплуатационного обслуживания и мини-
мальных затрат на работы по защите кабелей от коррозии, опас-
ных влияний и повреждений от ударов молнии. Разбивка трассы
производится в соответствии с рабочими чертежами, отступление
от которых допускается только по согласованию с заказчиком
или проектной организацией.
Трасса прокладки кабеля выбирается, по возможности, «пря-
молинейной. Участки с известковыми почвами, сточными водами,
свалки и другие места, опасные в коррозийном отношении, следу-
ет обходить.
Места нахождения существующих подземных сооружений оп-
ределяют по технической документации или с помощью кабелеис-
кателей и путем шурфования.
9.5. ПРОКЛАДКА ПОДЗЕМНЫХ КАБЕЛЕЙ
Способы прокладки. Прокладка подземных междугородных ка-
белей может осуществляться двумя основными способами: 1) спе-
циальными кабелеукладочными механизмами — кабелеукладчи-
ками, с помощью которых комплексно, практически одновремен-
но, производится образование траншей, размотка и укладка ка-
беля;
2) вручную, в предварительно подготовленные траншеи.
442
Как правило, прокладка кабеля осуществляется кабелеуклад-
пиками, что по сравнению с прокладкой кабеля вручную сокра-
щает трудоемкость работ в 20... 30 раз. Траншеи разрабатыва-
ются только на участках, где использование кабелеукладчика не-
возможно (наличие подземных сооружений, стесненные условия
и т. п.) или экономически нецелесообразно ввиду ограниченного
объема работ.
В пределах одного усилительного участка все строительные
длины разматываются концом А в одну сторону, а концом Б —
в другую. Для коаксиальных кабелей это требование относится
к участкам ОУП—ОУП.
При размотке барабан с кабелем должен вращаться от уси-
лия, приложенного с помощью автоматического устройства, или
от рук рабочих, а не от тяги кабеля; это необходимо для сниже-
ния растягивающих нагрузок на кабель и обеспечения свобод-
ной, без натяжения укладки его на дно траншеи.
Глубина прокладки междугородного кабеля —1,2 м. Она уточ-
няется проектом.
Прокладка кабеля кабелеукладчиками. Наиболее распростра-
ненными являются кабелеукладчики, действие которых основано
на-принципе расклинивания специальными ножами грунта и об-
разования в нем узкой щели на заданную глубину (0,7... 1,3 м).
В эту щель по мере движения механизма (рис. 9.1) через нахо-
дящуюся в теле ножа 2 или прикрепленную к нему кассету 3
укладываются кабели 4, сматываемые с барабанов 5, установлен-
ных на корпусе 1 кабелеукладчика или на специальной прицеп-
ной тележке. Перед прокладкой производится пропорка трассы
с помощью специального пропорочного 7 или кабелеукладочного
ножа (без кабеля в кассете), что обеспечивает разрыхление
грунта и предохраняет кабель от возможных повреждений при
пересечении скрытых препятствий (камней, корней деревьев
и т. п.).
Перед началом прокладки для установки ножа в рабочее по-
ложение выкапывается котлован и конец кабеля с установленно-
Рис. 9.1. Прокладка кабеля кабслсукладчиком:
/ корпус кабелеукладчика; 2 — нож; 3 — кассеты; 4
нож проверочный, д — тракторы, 9 — трос
кабель; 5 — барабан, 6 ~ рамки; 7 —
443
Рис. 9.2, Траншея для прокладки кабеля:
с) без крепления; б) с креплением
го ла кабелеукладчике барабана пропускается через кассету.
Когда на барабане останется 1,5... 2 м кабеля, колонна останав-
ливается, краном снимают пустые барабаны, погружают на их
место полные, скрепляют внахлест концы ранее проложенных
длин с концами, подлежащими размотке и продолжают движе-
ние колонны.
Разработка траншеи. На участках трассы, где использование
кабелеукладчика по условиям местности невозможно или эконо-
мически нецелесообразно (при малом объеме работ, высокой сто-
имости транспортировки колонны и т. п.), кабель укладывается
в открытые траншеи, предварительно разработанные механизма-
ми или вручную (рис. 9.2,я). Глубина траншеи определяется про-
ектом и, как правило, должна быть в грунтах I—III групп не ме-
нее 0,9 м, а в скальных грунтах, при выходе скалы на поверх-
ность,— не менее 0,5 м. Коаксиальные кабели прокладываются
на глубину 1,2 м, чем обеспечивается их более надежная защита
от механических повреждений.
Ширина траншей, разрабатываемых механизмами, обычно на-
ходится в пределах 0,4 ...0,7 м.
Для предотвращения обвалов грунта и связанных с этим не-
счастных случаев при разработке траншей и котлованов стены их
крепятся (рис. 9.2,6) или устраиваются откосы.
При пересечении трассы бронированного кабеля с другими
подземными сооружениями выдерживаются следующие размеры
по вертикали: от трамвайных и железнодорожных путей — не ме-
нее 1 м от подошвы рельсов; от шоссейных дорог — не менее 0,8 м
ниже дна кювета; от силовых кабелей — выше или ниже их на
0,5 м при прокладке в трубе —0,25 м; от водопровода и канали-
зации— выше их на 0,25 м, при прокладке в трубе —0,15 м; от
444
продуктопровода— выше или ниже на 0,5 м при прокладке в тру-
бе— 0,15 м; от кабельной канализации — ниже блока не менее
0,1 м; от других бронированных кабелей связи — ниже или выше
на 0,1 м.
На склонах оврагов и подъемах с уклоном более 30° траншея
роется зигзагообразно.
Прокладка кабеля в траншеи. Как правило, прокладка кабеля
производится с барабанов, установленных на кабельные транс-
портеры или автомашины, оборудованные козлами-домкратами.
Кабель сматывается и укладывается непосредственно в траншею
или вдоль нее по бровке, а затем в траншею.
Засыпка траншей. Перед засыпкой траншей все подземные со-
оружения (кабель, трубы и т. п.) фиксируются на планшетах ра-
бочих чертежей с «привязкой», т. е. с указанием расстояний к по-
стоянным ориентирам.
Засыпка осуществляется специальными траншеезасыпщиками,
бульдозерами или вручную. В некоторых случаях, в городах или
на территории промышленных предприятий перед засылкой тран-
шеи кабель покрывается кирпичом для зашиты его от механиче-
ских повреждений.
Кабели, проложенные в районах вечной мерзлоты, подверга-
ются воздействию мерзлотно-грунтовых явлений: пучение, моро-
зобойные трещины, оползни и т. д. Как правило, кабели связи в
районах вечной мерзлоты прокладываются в деятельном слое,
который оттаивает в летнее время и промерзает в зимнее. Тип
кабеля, глубина и способ его прокладки определяются проектом.
Основным мероприятием по защите кабельных линий от воздей-
ствия мерзлотных явлений следует считать применение кабеля с
круглопроволочной броней. Используется также обваловка трас-
сы путем насыпки грунта толщиной слоя в 0,6 м и более.
9.6. УСТРОЙСТВО ПЕРЕХОДОВ
ЧЕРЕЗ ШОССЕЙНЫЕ И ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ
Чтобы не прекращать движения транспорта во время строи-
тельства кабельной линии, на пересечении трассы с шоссейными
и железными дорогами кабели, как правило, укладывают в пред-
варительно заложенные под проезжей частью трубы. Укладка
труб, в основном асбоцементных или пластмассовых, обычно вы-
полняется способом горизонтального бурения грунта. Проклады-
ваемые под железными дорогами
асбоцементные трубы для повышения
а - г х Нювет
их изоляции предварительно покрыва- \
ются горячим битумом. Число труб ш УдС—
. i • _______ - L
Рис. 9.3. Прокладка труб на пересечении с же- f"д
лезной дорогой
445
Рис. 9.4, Прокладка трубопровода с помощью гидравлического бура:
/—опорная плита; 2--гидравлический пресс; 3 — шланги; 4—насос высокого давления; 5—
силовая установка; 6 — стальная штанга; 7 — наконечник; 8 — расширитель; 9 — труба
определяется проектом. Концы труб должны выходить не менее
чем на 1 м от края кювета и лежать на глубине не менее 0,8 м
от его дна (рис. 9.3).
Бурение грунта и затяжка труб осуществляется гидравличе-
ским буром (рис. 9.4), бурильно-шнековой установкой или пнев-
мопробойником. Процесс бурения состоит в следующем. С по-
мощью гидравлического блока цилиндров и насоса высокого дав^
ления в грунт заталкивается стальная штанга, состоящая из от-
резков длиной 1 м, навинченных друг на друга по мере продав-
ливания. После выхода на противоположную сторону шоссе (или
железной дороги) конец первой штанги с навинченным наконеч-
ником, последний заменяют расширителем, протягивают в обрат-
ном направлении; при этом в грунте в результате его уплотнения
образуется канал. Вслед за расширителем в канал заталкивают
трубы, что обычно удается сделать при ширине перехода до 12 м.
9.7. УСТАНОВКА ЗАМЕРНЫХ СТОЛБИКОВ
Спустя некоторое время после прокладки, трасса покрывается
растительностью, а в зимнее время — снегом, что усложняет об-
наружение кабеля, муфт и других элементов линии в процессе экс-
плуатации. Поэтому в процессе строительства на стыках строи-
тельных длин, а также на поворотах трассы, в местах пересече-
ний с шоссе, железными дорогами, реками и другими препятст-
виями устанавливаются замерные столбики. Обычно столбики
изготавливаются из железобетона сечением 0,5X0,15 м и длиной
1,2 м (подземная часть 0,7 м и наземная 0,5 м). В районах с
446
большими снежными покровами предусматриваются столбики
увеличенной длины. Столбики устанавливаются на расстоянии
0,1 м от осевой линии трассы обычно на полевой стороне.
9.8. МЕХАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
Трудовые затраты на строительство линейных сооружений
междугородных кабельных магистралей составляют 50...60% об-
щего объема работ. К наиболее трудоемким видам работ отно-
сятся разработка траншей и котлованов, прокладка кабеля, уст-
ройство просек, строительство НУП и телефонной канализации,
защита от грозы и коррозии. Для сокращения трудоемкости тя-
желые работы должны быть максимально механизированы. Эф-
фективность механизации работ по прокладке кабеля очевидна,
например при сопоставлении следующих данных: трудозатраты
на рытье 1 км траншей и укладку в нее кабеля вручную состав-
ляет примерно 200 ...300 чел.-дн, а при выполнении этих работ
кабелеукладчиком—10 чел.-дн. Как правило, ручной труд дол-
жен применяться лишь для обслуживания механизмов и в усло-
виях, когда использование механизмов технически невозможно
или экономически нецелесообразно.
По принципу построения рабочего органа кабелеукладчики
можно разбить на две группы: пассивные (ножевые) и активные
(роторные, вибрационные, гидравлические). По конструкции хо-
довой части кабелеукладчики разделяются (рис. 9.5) на колес-
ные, гусеничные, типа волокуши (болотные). Колесные кабеле-
укладчики изготовляются на пневматических колесах автомобиль-
ного типа либо на металлических — комбайнового типа. Гусенич-
ные кабелеукладчики изготовляются на базе гусеничных трак-
торов.
Наибольшее распространение получили пассивные, ножевые
кабелеукладчики, так как они имеют простую конструкцию рабо-
чего органа, экономичны и надежны в работе.
Основные технические данные кабелеукладчиков приведены
в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Тип кабелеукладч.ика
Характеристика Единиг измере л КУ-52 | КУ-2 КУ -120 КУ-К-3 КУ-Б-2 КУ-Б-3
Глубина про- кладки Диаметр кабеля Тяговое усилие Число барабанов М ММ кН шт. 0,8 16 40...100 4 1,2 26 80...200 5 1,2 90 150...400 5 1,2 90 200...500 5 1,2 90 150...400 5 1,2 90 150...400 4
447
При прокладке тяжелых кабелей обычно применяются кабеле
укладчики на гусеничном ходу (рис. 9.6). Они могут иметь до
полнительное навесное устройство для укладки проводов (тро
сов), для защиты кабеля от ударов молнии. Колесный кабелеук
ладчик показан на рис. 9.7.
Движение кабелеукладчиков обеспечивается тягой тракторно
го поезда из 3...7 тракторов (типа Т-100). Если по условия*?
Рис. 9.5. Кабе.пеу кладчики:
ci) колесны/i; б) гусеничным; в) болотный
448
Рис. 9.6. Кабелсукладчик на гусеничном ?юду
барабанов; 4 — колеса; 5— дышло; б—лебедка;
Рис. 9.7. Кабелсукладчик на колесном
7 — корпус; 2 — основная рама, 2— рама для
7 —проверочный нож, 8— главный нож
трассы прохождение тракторов невозможно (болото), тяга на ка-
белеукладчик передается с помощью длинного троса. Вместо
тракторного поезда может быть использована якорная трактор-
ная лебедка.
Кабелеукладчики являются основными ведущими механизма-
ми, определяющими производительность работ по прокладке ка-
беля. Для их нормальной работы в зависимости от конкретных
условий требуется комплекс машин и механизмов, называемый
механизированной колонной, в состав которой входят: кабелеук-
ладчик— 1, пропорщик— 1, тросопроводоукладчик—1, тран-
Ы--6136 лло
шеезасыпщик — 1, трактор (типа Т-100)—3—7, бульдозер—1,
автокран или кран на тракторе — 2—3, автобензовоз—1, цистер-
ны для бензина, топлива и воды— 3, авторулетка—1, автомаши-
ны (кабелевозы)—2—4, автомашины для перевозки рабочих —
1, электростанция передвижная—1, сварочный агрегат—1, фур-
гоны (жилые, столовая, склад) —4—6.
Роторные кабелеукладчики применяются для разработки
траншей с одновременной укладкой в них кабеля. Кабелеуклад-
чик состоит из самоходного роторного экскаватора и прицепной
тележки с устройствами для погрузки, транспортировки и про-
кладки кабеля. Преимущество роторных экскаваторов в том, что
ими можно прокладывать кабель не только в талых, но и в мерз-
лых грунтах. Основным рабочим органом комплекта является
диск со сменными режущими зубьями, форма которых определя-
ется категорией и состоянием грунта (талый, мерзлый и т. п.).
Для устройства просек используются электропилы, состоящие
из пильной части, электродвигателя и редуктора. Такую пилу об-
служивает один рабочий, который разрабатывает до 100 м3 леса
в смену. Пила приводится в действие от передвижной электро-
станции. При разработке узких просек, а также при выборочной
вырубке отдельных деревьев используются приводные пилы
«Дружба» с бензиновым двигателем. При прокладке кабеля в ку-
старнике используются кусторезы. С помощью электросучкорезок
обрезают сучья и очищают срубленные деревья от коры и луба.
Для корчевания пней, очистки просек и площадей от крупных
камней и транспортирования их на небольшие расстояния, а так-
же для валки небольших деревьев применяется корчеватель.
Экскаваторы используются для рытья траншей на участках,
где прокладка кабеля кабелеукладчиками технически невозмож-
на или экономически нецелесообразна. Экскаваторы подразделя-
ются на одноковшовые и многоковшовые (рис. 9.8). Одноковшо-
вые экскаваторы применяются также при разработке котлованов
Рис. 9.8. Многоковшовый экскаватор
450
для монтажа муфт, НУП и т. п. В качестве базы для многоков-
шовых экскаваторов используются гусеничные или колесные
тракторы. Наиболее эффективны многоковшовые траншейные эк-
скаваторы роторного типа.
Бульдозеры используются для расчистки и планировки трас-
ты, засыпки траншей и котлованов, перемещения грунта, а в не-
обходимых случаях — в качестве тягового механизма.
Траншеезасыпщики предназначены для сбора грунта и обра-
зования над щелевидной траншеей валика из грунта после про-
кладки кабеля ножевыми кабелеукладчиками.
Для погрузочно-разгрузочных работ используются самоход-
ные автомобильные и тракторные краны, а также автопогрузчи-
ки. При работе с подъемными кранами необходимо строго соблю-
дать соотношение между массой груза, высотой его подъема и
вылетом стрелы.
Для транспортировки барабанов с кабелем, проводов грозоза-
щиты, линейного оборудования, железобетонных изделий и дру-
гих тяжеловесных грузов используются автомашины и тракторы
(при бездорожье) со специально оборудованными транспортера-
ми-кабелевозами.
9.9. кабельная канализация
При строительстве кабельных линий в городах голые (небро-
нированные) кабели прокладывают в специальной кабельной ка-
нализации, состоящей из трубопровода и смотровых кабельных
колодцев (рис. 9.9).
Последнее время для прокладки подземных коммуникаций
различного назначения (кабелей, теплофикации, водопровода,
газопровода и др.) устанавливаются коллекторы-тоннели.
Кабельная канализация обеспечивает возможность дополни-
тельной прокладки по мере надобности необходимого числа кабе-
лей без разрытия уличных покровов. Поэтому число каналов (от-
верстий) трубопровода предусматривается с учетом развития ка-
бельной сети на определенный период времени. Каждый канал
канализации используется для прокладки одного крупного кабе-
ля или двух-трех мелких.
Трубопровод кабельной канализации закладывается на глуби-
не 0,4 ...0,7 м, а под трамвайными путями—1,1 м, считая от верх-
Рис. 9.9. Кабельная канализация
451
Рис. 9 10. Трубы:
а) прямоугольные; б)
цилиндрические
7от&ерс®ная 1S ~ оягберсюмая
ней поверхности трубы. Расстояние между колодцами в зависи-
мости от местных условий обычно не превосходит 125 ...150 м.
Для устройства кабельного трубопровода широкое примене-
ние получили асбоцементные трубы, а также пластмассовые тру-
бы из полиэтилена и винипласта. Известны конструкции труб из
бетона, керамики и др.
Трубы могут быть прямоугольной и цилиндрической конструк-
ций (рис. 9.10). Асбоцементные трубы имеют цилиндрическую
форму с внутренним диаметром 90... 100 мм и длиной 2 ... 3 м.
Полиэтиленовые трубы изготавливаются в основном двух типов
с наружными диаметрами 63 и 110 мм и могут иметь строитель-
ную длину до 10 м.
Достоинством полиэтиленовых труб являются: возможность из-
готовления большими строительными длинами, высокая водо- и
газонепроницаемость, малая масса, стойкость к коррозии от аг-
рессивных грунтов и блуждающих токов. Из одиночных труб
комплектуется многоканальная канализация (рис, 9.11).
Стыки асбоцементных труб выполняются с помощью полиэти-
леновых муфт или стальной манжеты. Для полиэтиленовых труб
применяется способ стыковой сварки.
Известен также способ горизонтального бурения для проклад-
ки труб кабельной канализации. Для этой цели приспособлена
машина ДМ-1 (рис. 9.12).
Ниже приведена классификация кабель-
ных колодцев связи (ККС):
коробка малого типа ККС-1 на один ка-
нал;
коробка малого типа ККС-2 на два ка-
нала;
Рис. 9.11. Блок из прямоугольных труб
452
Рис. 9.12. Гидравлическая машина для прокладки труб
Рис. 9.13. Размещение кабеля в колодце
колодец малого типа ККС-3 до 6 каналов;
колодец среднего типа ККС-4 до 12 каналов;
колодец большого типа ККС-5 до 24 каналов.
По назначению колодцы делятся на проходные, угловые, раз-
ветвительные и станционные. По форме колодцы делятся на пря-
моугольные, овальные и многогранные. Наибольшее применение
получили колодцы овальной формы. Способ размещения кабеля
в овальном колодце показан на рис. 9.13.
Колодцы изготовляются преимущественно из железобетона в
сборном или монолитном виде. Типовой сборный железобетонный
колодец показан на рис. 9.14.
Сверху на входное отверстие колодца устанавливается круг-
лый чугунный люк (рис. 9.15) с двумя крышками — наружной чу-
гунной и внутренней стальной, защищающей колодец от воды и
запирающей его.
Для укладки кабелей внутри колодца устанавливаются крон-
штейны с консолями.
В крупных городах при большом количестве подземных соору-
жений, проходящих в непосредственной близости друг от друга,,
устройство или ремонт одного сооружения иногда приводят к по-
вреждению другого. Во избежание этих недостатков устраивают
453
общие коллекторы-тоннели для
совместной прокладки в них не-
скольких разнородных трубопро-
водов и кабелей. Для удобства
эксплуатации коллектор может
быть оборудован освещением,
вентиляцией, приспособлениями
для перевозки материалов. Высо-
та коллектора соответствует рос-
ту человека (порядка 2 м). Кол-
лектор имеет прямоугольную,
иногда круглую форму и выполня-
ется из сборного железобетона.
Помимо общих коллекторов,
объединяющих трубопроводы и
кабели, могут быть устроены
только кабельные тоннели, пред-
назначенные для прокладки кабе-
лей различного назначения (свя-
Рис. 9.14. Сборный
железобетонный ко-
лодец
Рис. 9.15. Чугунный люк:
1 — наружная крышка; 2 — корпус; 3 —
внутренняя крышка
зи, сигнализации, сильного тока и т. п.). В городах, где имеется
метро, их тоннели также используют для прокладки кабелей. На
рис, 9.16 показан разрез прямоугольного коллектора из железо-
бетона для силовых и связных кабелей и труб теплофикации.
9.10. ПРОКЛАДКА КАБЕЛЯ В КАНАЛИЗАЦИИ
В кабельной канализации прокладываются небронированные
кабели, освинцованные или в пластмассовой оболочке.
Перед началом работ по прокладке кабеля проводятся подго-
товительные работы, состоящие в очистке кабельных колодцев от
454
Рис. 9.16. Железобе-
тонный коллектор для
кабелей связи (2), си-
ловых кабелей (3) и
труб теплофикации
(D
И00
воды и грязи, вентиляции для очистки их от светильного и болот-
ного газов, которые могут скапливаться в колодцах, а также в
подготовке канала канализации к протягиванию кабеля.
Стальной трос, к которому крепится кабель, вводится в канал
с помощью тонкого тросика, каната или капронового шнура, про-
пускание которого в канал трубопровода принято называть загО'
товкой канала. Заготовка может выполняться посредством раз-
личных приспособлений. За последние годы для этой цели успеш-
но используют различные конструкции пневматических или элек-
трических каналопроходчиков.
Пневматический каналопроходчик (рис. 9.17,а) состоит из
двух резиновых конусов 1 и 2, собранных на общей стальной оси.
Для протаскивания капронового шнура 3 он плотно вставляется
в канал канализации, после чего сжатый до 0,4...0,6 МПа воздух
от передвижного компрессора подается в канал через специаль-
ный штуцер. Под давлением воздуха резиновые конусы передви-
гаются по каналу и тянут за собой шнур.
Электрический каналопроходчик (рис. 9.17,6) состоит из элек-
тродвигателя и движущего механизма. Вращательное движение
От электродвигателя, получающего питание от сети переменного
тока, передается двум ходовым осям движущего механизма. На
осях укреплены зубчатые колеса, с помощью которых прибор пе-
редвигается по каналу,.
При отсутствии механических каналопроходчиков или при
протягивании кабеля по частично занятому каналу применяют
455
Рис, 9.17. Каналопроходчики:
а) пневматический; б) электрический: Л' 2 — резиновые конусы, 3 — шнур
1ООО 20
Рис. 9.18, Устройство для заготовки каналов:
а) винтовая палка; б) вращающийся наконечник; в) деревянный наконечник
стальные или дюралевые свинчивающиеся палки длиной 1 м. Пер-
вая палка (рис. 9.18,6/) с навинченными на нее наконечниками
(рис. 9.18,6, в) вводится в канал, вторая — плотно свинчивается
с первой и проталкивается в канал, к ней привинчивается третья
и проталкивается далее по каналу и т. д. до тех пор, пока пер-
вая палка не достигнет другого колодца. После этого к одному из
концов их прикрепляется тонкий трос, который пройдет по кана-
лу от одного колодца до другого вслед за палками.
На месте прокладки кабеля проверяется прочность его обо-
лочки. Обычно кабель поступает с завода под внутренним воздуш-
ным давлением; в этом случае в оболочке делают прокол и по
характерному звуку выходящего воздуха убеждаются в целости
оболочки.
456
Рис. 9.19. Концевой чулок для протяги-
вания кабеля
Рис. 9.20. Схема протягивания кабеля в канализации:
/ — барабан; 2 — кабель; 3 —лебедка
Для скрепления кабеля с тросом на его конец надевается
стальной чулок (рис. 9.19). При протягивании чулок уменьшает-
ся в диаметре и плотно охватывает кабель.
Кабель может протягиваться с помощью моторной или ручной
лебедки, устанавливаемой у люка колодца ('рис. 9.20). Для пред-
охранения от повреждений оболочки кабеля о край канала в от-
верстие трубопровода вставляют предохранительную втулку или
применяют специальный направляющий шаблон (колено). Для
уменьшения трения между стенками канала и кабелем послед-
ний перед поступлением в канал обильно смазывается техниче-
ским вазелином.
В практике строительства кабельных линий применяются ма-
шины КМ, позволяющие значительно ускорить и облегчить про-
цесс прокладки кабеля в канализации. Машина КМ-2 оборудо-
вана на автомобиле ГАЗ-66, на котором смонтирована лебедка
для протягивания кабеля, имеющая тяговое усилие до 19 600 Н>
кран грузоподъемностью до 2000 кг и насос для откачки воды из
колодцев производительностью 16 м3/ч. Машина имеет вентиля-
тор для дегазации колодцев, пневматический кабелеукладчик и
электрогенератор для приведения в действие электроинструмента.
9.11. ПРОКЛАДКА КАБЕЛЯ ПО СТЕНАМ
ЗДАНИЙ И ПОДВЕСКА НА ОПОРАХ
При устройстве абонентских кабельных вводов на городских
телефонных сетях приходится прокладывать кабель по стенам
зданий. В этом случае распределительный кабель выводится на
457
Таблица 9.3
Марка кабеля Длина пролета, м, при типе ливни
о н у ОУ
ВКПАШп-т 83,3 62,5 50,0 35.7
ВКПАШп-ут 150 120 110 80
Рис. 9.21. Крепление троса на про-
межуточной опоре:
7— кабель; 2— клемма; 3— глухарь; 4—
подвеска
стену здания обычно со стороны двора и защищается от механи-
ческих повреждений угловой сталью или желобом на высоте до
3 м от поверхности земли. Если кабель прокладывается по сте-
нам зданий, имеющих карнизы или другие выступающие части,
стараются проложить кабель под ними, чтобы защитить его от
механических повреждений, возможных при сбрасывании с кры-
ши льда и снега.
По опорам воздушных линий кабель подвешивают на сталь-
ном оцинкованном тросе, укрепленном с помощью клемм (консо-
лей). Для закрепления на промежуточной опоре трос зажимают
между губками клеммы (рис. 9.21), укрепленной на столбе глу-
харями. Кабель укрепляется на тросе с помощью подвесок из
оцинкованного железа.
Опоры существующих воздушных линий могут быть исполь-
зованы для подвески однокоаксиального кабеля с несущим встро-
енным тросом, вмонтированным в общую пластмассовую оболоч-
Рис. 9.22. Крепление кабеля с
встроенным тросом:
а) на опоре; б) на траверсе
Рис. 9.23. Крепление кабеля с встроенным
тросом при наличии усилителя или соедини-
тельной муфты:
/-петля. 2— винтовая стяжка, 3 — крюк КНЛ8.
4 — подносной крюк
458
Рис, 9,24, Крепление подвесного кабеля при спуске в землю на оконечной опоре
(а) и при вводе в НУП (б)
чу — ВКПАШп-т. Допустимые длины пролетов приведены
з табл. 9.3.
Способ крепления на опоре подвесного кабеля с несущим тро-
гом приведен на рис. 9.22. На рис. 9.23 показано крепление соеди-
нительной муфты или встроенного усилителя такого кабеля к
опоре.
При подвеске кабеля используют натяжные блоки. Величину
натяжения контролируют динамометром.
При вводе в здание, а также в подземные НУПы подвесной
кабель спускают по опоре на землю (рис. 9.24). Во избежание
повреждений кабель на опоре защищают угловой сталью.
9.12. ПРОКЛАДКА ПОДВОДНЫХ КАБЕЛЕЙ
Способы прокладки речных подводных кабелей зависят от ха-
рактера реки, ширины, глубины ее, наличия судоходства: времени
прокладки, массы кабеля и имеющихся в расположении техниче-
ских средств для прокладки. Кабель может быть проложен с по-
мощью кабелеукладчика или плавучих средств (баржи, баркаса,
Дглота, лодбк ит. п.),ав зимнее время — со льда.
Трасса кабельного перехода располагается по возможности
Ша прямолинейных участках реки с неразмываемым руслом, от-
459
Рис. 9.25. Трасса подводного перехода
Створные знаки
Створные знаки
логими, не подверженными разрушениям оерегами, с наимень-
шей шириной поймы. Для предохранения кабеля от заторов льда
переход через судоходные и сплавные реки, он как правило, раз-
мещается ниже (по течению реки) магистральных автомобильнЫ/Х
и железнодорожных мостов.
Перед началом работ по прокладке кабеля производя! раз-
бивку трассы. Трасса подводного перехода ооозначается репера-
ми (рис. 9.25).
На судоходных и сплавных реках при глубине до о м кабель
заглубляется в дно реки не менее чем на 1 м, на несудоходных •
на 0,7 м. В береговой части до места стыка с подземным подвод-
ный кабель углубляется на 1 м.
Кабелеукладчик обычного типа может применяться для про-
кладки кабелей через реки шириной до 200 м и глубиной до 8 м
Рис. 9.26. Прокладка кабеля через реку каболсукладчиком с помощью лебедки
и троса:
1 — тракторная лебедка, 2 якорь, а капель
460
Рис. 9.27. Кабельное судно для прокладки морских кабелей
при скорости течения реки до 1,5 м/с. Для прокладки кабеля со
сложным рельефом дна применяются специальные гидравлические
кабелеукладчики. Перед прокладкой кабеля проверяют дно и вы-
являют возможные препятствия. Для этого кабелеукладчик про-
ходит трассу вхолостую (без кабеля) или протягивают якорь-
кошку.
Кабелеукладчик с кабелем ставят на одном берегу, а передви-
гающие его тракторы — на другом. Трос трактора прикрепляют
к кабелеукладчику. Затем тракторы перетягивают с одного бере-
га на другой кабелеукладчик, укладывающий кабель по дну ре-
ки (рис. 9.26).
Если использование кабелеукладчиков невозможно, то приме-
няются специальные водолазные средства.
На судоходных и сплавных реках обычно прокладывают два
кабеля: основной и резервный. Расстояние между створами долж-
но быть не менее 300 м. При этом по каждому кабелю передает-
ся 50% информации.
На крутых берегах (более 30°), в слабых грунтах производит-
ся укрепление кабелей путем укладки их от уреза воды в зигза-
гообразную траншею длиной 50 м.
Проложенные на судоходных и сплавных реках кабели ограж-
даются створными знаками с фонарями, зажигаемыми в ночное
время; специальные фотовыключатели автоматически включают
фонари с наступлением темноты и выключают их на рассвете.
Морские подводные кабели прокладываются со специально
оборудованного кабельного судна (рис. 9.27), которое может ма-
неврировать не только на ходу, но и на месте, а также, распола-
гать достаточным помещением для укладки кабеля. В трюмах
судна размещают большие чаны-тэнксы, в которые укладывают
кабель. Для прокладки и выемки кабеля на судне устанавливает-
ся кабельная машина.
461
9.13. ПРОКЛАДКА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
При строительстве волоконно-оптических линий связи (ВОЛС),
как и при строительстве обычных линий связи, выполняются сле-
дующие работы: разбивка трассы, доставка кабеля и материалов
на трассу, испытание кабеля, прокладка, монтаж и устройство
вводов.
В процессе прокладки и монтажа кабели подвергаются раз-
личным механическим воздействиям, таким как растяжение, изги-
бы, скрутка, радиальное давление и т. д. В этом плане представ-
ляет интерес сравнить механические характеристики оптического
волокна и меди (табл. 9.4).
Из приведенных данных следует, что оптическое волокно су-
щественно легче меди и превосходит ее по разрывной прочности.
По воздействию радиальным нагрузкам волокно уступает меди.
В табл. 9.5 приведены некоторые конструктивно-механические
характеристики электрических кабелей городской связи и оптиче-
ских кабелей. Из таблицы видно, что характеристики кабелей е
основном аналогичны, за исключением необходимости проклады-
вания больших строительных длин оптических кабелей.
Допустимое растягивающее усилие оптических кабелей не
должно превышать 120 кгс.
Таблица 9.4
Параметр Медь Оптическое волокно
Плотность, г/см3 8, 9 2,2
Разрывная прочность, Н 20... 28 30 ... 40
Удлинение при разрыве, % 20 1 ...2
Модуль упругости, Н 1400 6000
Радиус изгиба, мм Пластичный материал 5 ... 20
Модуль сжатия, Н 17 000 1900
Таблица 9.5
Параметр Электрический кабель Оптический кабель
Минимально допустимый радиус изгиба кабеля, мм Диаметр кабеля, мм Допустимое тяговое усилие, кгс Предельная длина кабеля, затягиваемо- го в канал, м Масса кабеля, кг/км 100...800 10...80 55... 3100 265... 490 (кабель ТГ) 100 ... 7000 200 ... 300 10... 15 60... 120 500 ... 2000 160
462
Для снижения усилия на оптический кабель целесообразно в
промежуточных колодцах установить дополнительные промежу-
точные лебедки гусеничного типа.
Оптические кабели чаще всего прокладываются в канализа-
ции, а такж§ непосредственно в грунт. Возможна подвеска па
опорах и по бтенам зданий.
В телефонной канализации прокладываются кабели, не имею-
щие поверх оболочки броневых и защитных покровов. Допускает-
ся прокладка в одном трубопроводе нескольких оптических кабе-
лей. Общее число кабелей, прокладываемых в одном канале кана-
лизации, не должно превышать. 20... 25% площади сечения кана-
ла. Уменьшение силы трения при прокладке кабеля достигается
применением соответствующих смазочных материалов.
В свободные каналы затягиваются кабели при помощи сталь-
ных тросов диаметром 5... 6 мм, а в занятые каналы —с помощью
пеньковых тросов или стальных тросов в полиэтиленовых шлан-
гах. Для скрепления кабеля с тросом на его конец надевается
стальной чулок (см. рис. 9.19). Пир протягивании чулок умень-
шается в диаметре и плотно охватывает кабель. Между тросом и
чулком устанавливают компенсатор кручения, который не позво-
ляет кабелю скручиваться. Таким образом, основную нагрузку
при прокладке в канализации воспринимает кабель в целом, а
стеклянные волокна не испытывают растягивающих усилий.
Процесс протяжки кабеля в канализацию иллюстрируется на
рис. 9.20. Для предохранения от повреждений, оболочки кабеля
о край- канала кабель на входе в колодец пропускают через гиб-
кую стальную трубу.
Оптические кабели, как правило, изготавливаются большими
строительными длинами — 0,5... 1 км и больше, поэтому они про-
кладываются транзитом через несколько колодцев кабельной ка-
нализации. На относительно прямолинейных отрезках можно
транзитом затягивать кабель длиной до 1 км, а на трассе, имею-
щей большое число поворотов, строительную длину кабеля сле-
дует сократить до 500 м.
Усилия тяжения на лебедке обычно фиксируются с помощью
динамометра и датчика. При затяжке кабелей связи в прямоли-
нейные каналы трубопроводов эти усилия определяются массой
кабеля, длиной между колодцами и коэффициентом трения по
формуле Т~РГ}У где Р —масса кабеля, кг/м; I — длина пролета,
м; f—коэффициент трения.
Коэффициент трения зависит от материала труб и оболочки
кабеля. Для кабеля в полиэтиленовой оболочке коэффициент тре-
ния составляет при бетонных трубах — 0,38, асбоцементных —
0,32, полиэтиленовых — 0,29 м.
Если трасса прокладки кабеля не прямолинейна, а имеет из-
гиб, то существенно возрастет усилие тяжения, необходимое для
463
протяжки кабеля в канализации. Расчет усиления тяжения на
участке изгиба кабеля можно производить по формуле 7\зг~
= где ф —угол поворота трассы, рад.
Как видно из формулы и подтверждено экспериментально,
прокладка кабеля в изогнутой канализации может/вызвать уве-
личение усилия тяжения в 1,5... 2,5 раза.
Зная максимально-допустимое усилие тяжения (120 кгс), мож-
но определить предельную длину кабеля для затяжки транзитом
в каналы трубопровода.
Допустимый радиус изгиба кабеля определяют исходя из
внешнего диаметра кабеля Rmin = nD, где D— внешний диаметр
кабеля; п — коэффициент, зависящий от типа кабеля, материала
оболочки и защитных покровов и принимается равным 15... 20.
Размеры смотровых колодцев должны быть такими, чтобы это
условие выполнялось.
Непосредственно в грунт прокладываются кабели, имеющие
поверх оболочки защитно-броневой покров. Подземная проклад-
ка кабелей осуществляется двумя основными способами: кабеле-
укладчиками, а также ручным способом в заранее отрытую тран-
шею. Первый способ более производительный и существенно со-
кращает трудоемкость. Глубина прокладки 0,9 ...1,2 м.
При использовании кабелеукладчика практически одновремен-
но производится образование траншеи, размотка и укладка кабе-
ля. После прохода кабелеукладчика образованная в грунте щель
засыпается обрушивающимся грунтом. При необходимости кабе-
леукладчиком можно укладывать одновременно два кабеля.
Прокладка кабеля в заранее отрытые траншеи производятся,
как правило, с барабанов, установленных на кабельном транс-
портере или автомашине, оборудованных козлами-домкратами.
Последнее время применяется также способ прокладки опти-
ческого кабеля в полиэтиленовом трубопроводе. Причем известны
два варианта:
кабель протягивается в заранее проложенную трубу;
прокладывается составная конструкция «кабель — труба», из-
готовляемая в заводских условиях.
Полиэтиленовая труба имеет внутренний диаметр 25 мм и тол-
щину стенок 5 мм. Пространство между кабелем и трубой запол-
няется незасыхающим компаундом. Такая составная конструкция
обладает повышенной защищенностью от механических повреж-
дений, влаги и стойкостью против грызунов.
Для подвески оптического кабеля используется стальной трос,
несущий основную нагрузку от воздействия ветра и гололеда. Пе-
ред монтажом производится приемка проложенного кабеля, в
процессе которой проверяется герметичность оболочки от проник-
новения влаги, правильность размещения и глубины залегания
464
кабелей в траншее и канализации, а также проверка целостности
оптическгЦ волокон с помощью источника света.
В кабёлъных колодцах и коллекторах, примыкающих к теле-
фонным станциям, оптический кабель прокладывается в защит-
ных желобах прямоугольного сечения (30X33 мм) из твердого
полиэтилена; снабженных крышками.
\
i
\ МОНТАЖ кабелей связи
9.14. НУМЕРАЦИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ
ПУНКТОВ И КАБЕЛЕЙ
Для облегчения строительства и эксплуатации междугород-
ных кабельных линий связи установлена следующая система ну-
мерации ОУП, НУП, кабелей и муфт: счет усилительных пунктов
(ОП, ОУП, НУП)—от административного центра большего зна-
чения к меньшему; на линиях, соединяющих центры одинакового
значения,— с севера на юг и с запада на восток, на кольцевых
линиях — по часовой стрелке; на линиях, предназначенных для
обслуживания продуктопроводов,— по ходу продукта.
Нумерация необслуживаемых усилительных пунктов ведется
внутри каждого участка ОУП—ОУП дробью: в числителе указы-
вается номер НУП, а в знаменателе — номер предыдущего ОУП
(ОП), На высокочастотном кабеле муфты нумеруются внутри
участка НУП—НУП.
Нумерация кабелей в траншее ведется слева направо по ходу
счета усилительных пунктов. Стороной А принято считать усили-
тельный пункт низшего порядкового номера, стороной Б — выс-
шего.
9.15. РЫТЬЕ КОТЛОВАНОВ И ПОДГОТОВКА
РАБОЧЕГО МЕСТА
Для выполнения работ по монтажу муфт и укладки их после
монтажа выкапывается котлован. Вход в котлован делается сту-
пенчатым, вдоль траншеи со стороны, противоположной направ-
лению ветра. В слабых грунтах стенки котлованов укрепляются
досками или щитами. При монтаже кабеля, протянутого в теле-
фонную канализацию, до начала работ около колодца устанав-
ливается ограничительный знак, с помощью газоанализатора про-
веряется, нет ли в колодце вредных газов и вентилируется ли
колодец.
Над котлованом (колодцем) устанавливается палатка, внутри
' которой располагаются инструмент и монтажные материалы.
465
9.16. МОНТАЖ СИММЕТРИЧНЫХ КАБЕЛЕЙ
До разделки концов кабеля проверяется герметичность и со-
противление изоляции шланговых изолирующих покровов сращи-
ваемых отрезков кабеля. Затем производится электрическая про-
верка сердечника кабеля; концы сращиваемых кабелей уклады-
вают на монтажные козлы, закрепляют и разделывают по задан-
ным размерам.
Разделка концов кабеля перед монтажом показана на
рис. 9.28. До начала монтажа цилиндрическую муфту надвигают
на один -из концов кабеля. Четверки и пары разбивают по пови-
вам. Сращивание жил начинают с центрального повива. Техноло-
гия сращивания и изоляция сростка показаны па рис. 9.29. Про-
пайка скрутки жил производится в стаканчиковом паяльнике оло-
вянно-свинцовым припоем типа ПОС. После просушки над пламе-
нем паяльной лампы (особенно кабелей с бумажной изоляцией
жил) сросток обматывают двумя слоями кабельной бумаги, меж-
ду которыми укладывается паспорт на смонтированную муфту.
Сращивание жил кабелей ГТС производится либо скруткой,
либо соединителями сжимаемого типа. Горячая пайка жил, как
правило, не применяется.
Рис. 9.28. Разделка концов кабеля перед монтажом муфты:
джут; 2~ проволочный бандаж; 3 — броня; 4 — оболочка; 5 — бандаж из
жилы; 7 —провода для перепайки брони и оболочки; 3 — пропайка бандажа
ниток; 6 —
Рис. 9.29. Сращивание жил симметричного кабеля
466
Рис. 9.30. Десятипарный соединитель для кабелей ГТС
Известно много разновидностей соединителей сжимаемого ти-
па, но наибольшее использование находит многопарный соедини-
тель. На рис. 9.30 показан соединитель на 20 жил кабеля. Кон-
тактирование сращиваемых жил обеспечивается сжатием соеди-
нителей с помощью пресс-техники. При этом изоляция жил про-
резается на остриях контактов и происходит надежное электри-
ческое соединение одновременно всех жил. Достоинством таких
соединителей являются хорошее и стабильное контактное сопро-
тивление и надежная изоляция жил. Многопарные соединители
особенно эффективны при монтаже крупных кабелей связи (свы-
ше 500X2).
Методы сращивания обо-
лочек кабелей описываются
ниже.
Особенности монтажа
кабелей с алюминиевыми
жилами состоят в сварке
концов скрученных жил на
пламени паяльной лампы
или газовой горелки с при-
менением специального
флюса, например флюса
Рис. 9.31. Диаграмма состояния
оловянно-свинновых сплавов
467
Рис. 9.32. Чугунная муфта
Ф-54А при рабочей температуре плавления 200°C. Алюминиевые
жилы соединяются с медными с помощью медно-алюминиевой
вставки, представляющей отрезок алюминиевой проволоки, покры-
той на одном конце слоем меди.
Свинцовая муфта надвигается на сросток и с помощью дере-
вянного молотка ее края формируются в виде конусов, плотно
прилегающих к оболочке кабеля. Для запайки муфты использу-
ется припой типа ПОС.
Припои маркируются в зависимости от процентного содержа-
ния в них олова, например ПОС-ЗО (30% олова), ПОС-40 (40%)
и т. д. Кроме того, в марке припоя указывается содержание в
нем сурьмы, например ПОССу-40-0,5 (т. е. сурьмы 0,5%). На
рис. 9.31 показана диаграмма состояния оловянно-свинцового
сплава в зависимости от соотношения компонентов и температу-
ры. При содержании менее 16% ПОС крупнозернист и спайка
оказывается непрочной. Наиболее прочной и мелкозернистой по-
лучается спайка свинца при 29 ...31 % олова (ПОС-ЗО). (При
спайке токопроводящих элементов кабеля используется припой
марок ПОС-40 и ПОС-61.)
При спайке свинцовых муфт температура припоя должна быть
близкой к температуре плавления свинца — при этом достигает-
ся наилучшее молекулярное сцепление.
Запайка муфты производится следующим образом: места,
подлежащие пайке, подогревают пламенем паяльной лампы (га-
зовой горелки) и протирают стеарином; над местом спайки подо-
гревают пруток припоя (одновременно подогревают место спай-
ки) до размягчения, накладывая его на будущий шов. Чугунная
муфта (рис. 9.32) предназначена для защиты свинцовой муфты от
механических повреждений, а также от почвенной коррозии
Муфта заливается разогретой до 130... 140°C и остуженной до не-
обходимой температуры (в зависимости от типа кабеля и допусти-
мой температуры его нагрева) битумной массой через имеющий-
ся в верхней половине муфты лючок.
468
До засыпки котлована фиксируют место расположения замер-
ного столбика, который обычно устанавливается против середи-
ны муфты кабеля № 1, на расстоянии 10 см от осн трассы в сто-
рону поля.
9.17. МОНТАЖ КОАКСИАЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ
Сращивание внутреннего проводника производится с помощью
медной гильзы с прорезью, а внешнего проводника и экрана —
с помощью медных и стальных разрезных муфт, шейки которых
обжимаются кольцами. Сросток изолируется полиэтиленовой
гильзой. Общий вид сростка коаксиальной пары типа 2,6/9,5 в
разрезе показан на рис. 9.33. Затем сращиваются симметричные
четверки. После монтажа симметричных четверок сросток обма-
тывают тремя-четырьмя слоями кабельной бумаги или стекло-
ленты, между которыми укладывают паспорт. Запайка свинцовой
муфты, установка и заливка чугунной муфты проводятся так же,
как и на симметричных кабелях.
Для монтажа малогабаритных коаксиальных пар типа 1,2/4,6
используются специальные инструменты и детали, в основном
подобные применяемым на парах типа 2,6/9,5. Особенность мон-
тажа пар типа 1,2/4,6 состоит в том, что после разделки коакси-
Рис. 9.33. Монтаж коаксиальной пары типа 2,6/9,5:
1—экранные ленты; 2—внешний проводник; 3 — муфта стальная; 4—кольцо обжимное
большое; 5 — кольцо обжимное малое; 6 —внутренний проводник; 7—место, пайки; 8 — шай-
ба фторопластовая малая; 9 —муфта медная; !0~гильза латунная; Л— шайба фторопласто-
вая большая
Рис. 9.34. Разделка малогабаритного коаксиального кабеля типа 1,2/4,6 (показа-
на одна коаксиальная и одна симметричная лара):
/—оболочка; 2 —изоляция коаксиальной пары; 3—экран; опорная втулка; 5 — внешний
проводник; 6~полиэтиленовая изоляция; 7—внутренний проводник; 8 — симметричная пара
469
Рис. 9.35. Основные
этапы монтажа одно-
коаксиального кабеля
типа 2,1 /9,7:
а) разделка концов; б)
сращивание внутреннего
проводника; в) восста-
новление изоляции; г)
сращивание внешнего
проводника: / —полиэти-
леновый шланг; 2—внеш-
ний проводник; >7—внут-
ренний проводник; 4~
трубка алюминиевая: 5—
гильза медная; 6'—трубка
полиэтиленовая
альных пар на каждую из них надвигается латунная опорная
втулка (рис. 9.34), скрепляющая концы экранных лент и создаю-
щая опору для медпых и стальных муфт при их обжиме в про-
цессе сращивания внешнего проводника и экранных лент.
Монтаж коаксиальных пар комбинированного кабеля типа
КМБ-8/6 осуществляется инструментами и деталями, применяе-
мыми для кабелей КМБ-4 и МКТСБ-4.
Монтаж однокоаксиального кабеля типа ВКПА-2,1/9,7— раз-
делка концов кабеля и основные этапы монтажа — показаны на
рис. 9.35. Сращивание внутреннего проводника производится так
же, как и на парах типа 2,6/9,5. Изоляция между внутренним и
внешним проводниками восстанавливается путем выпре-ссования
полиэтилена, разогретого до вязкотекущего состояния с помощью
пресс-формы и ручного штокового пресса. Сращивание алюминие-
вого внешнего проводника выполняется методом опрессования
(см. § 9.18). Восстановление полиэтиленового шланга осущест-
вляется одним из методов, изложенных в § 9.19.
9.18. МОНТАЖ КАБЕЛЕЙ В АЛЮМИНИЕВОЙ
И СТАЛЬНОЙ ОБОЛОЧКАХ
Сращивание алюминиевых оболочек может осуществляться
следующими основными методами: горячей пайкой, склеиванием,
опрессованием, сваркой взрывом.
При горячей пайке на алюминиевую оболочку в местах
сочленения со свинцовой муфтой наносится слой цинково-оловян-
ного припоя (ЦОП), а поверх него слой оловянно-свинцового при-
470
Рис. 9.36. Монтаж кабеля в алюминиевой оболочке клеевым методом:
7 — оболочка кабеля; 2 — клеевой шов; 3 — свинцовый конус; 4—место пайки; 5—перепайка
оболочки с муфтой; 6— свинцовый цилиндр; /--сросток сердечники
поя (ПОС). Этот процесс называется залуживанием. Затем свин-
цовая муфта припаивается к залуженной оболочке с помощью
ПОС обычным способом. Для монтажа кабелей с полистирольной
или полиэтиленовой изоляцией используется ЦОП с 10...40%
цинка, а при бумажной или масляной изоляции (например, в си-
ловых кабелях) допускается 60 % цинка. Совокупность разных ме-
таллов (алюминий, свинец, олово, цинк и др.) при данном методе
монтажа приводит часто к коррозии, разгерметизации муфт и по-
этому данный метод получил ограниченное применение.
Особенность клеевого метода заключается в том, что отрезные
конусы свинцовой муфты соединяются с алюминиевой оболочкой
с помощью клея путем ручного обжима. Затем, после монтажа
сердечника, к свинцовым конусам обычным способом припаивает-
ся свинцовый цилиндр муфты (рис. 9.36).
По методу опрессования (рис. 9.37) сращивание концов алю-
миниевой трубки-муфты с алюминиевой оболочкой кабеля произ-
водится путем опрессования. Перед опрессованием концы оболоч-
ки с помощью специального устройства расширяются примерно
до диаметра алюминиевой трубки-муфты. Для предохранения
сердечника кабеля от деформации в процессе опрессования и соз-
дания необходимой опоры под расширенную часть оболочки вво-
дятся стальные опорные втулки. Контактирующие поверхности
оболочки и трубки тщательно зачищаются под слоем кварцево-ва-
зелиновой пасты.
Опрессование производится с помощью ручного гидравличе-
ского пресса и специальных пуансона и матрицы, обеспечивающих
механически прочное, герметичное соединение.
Рис. 9.37. Монтаж кабеля в алю-
миниевой оболочке методом опрес-
сования:
/—шланг; 2— оболочка; 3—место оп-
рессования; 4 —опорная втулка; 5 —
алюминиевая трубка; 6 — сросток
сердечника
471
Рис. 9.38. Монтаж кабеля в алюминиевой оболочке метолом сварки взрывом:
о) подготовка к снарке; б) после сварки: / — шланг; 2 — оболочка: 3—опорная втулка; 4—
заряд ВВ; 5 — уплотняющий полиэтиленовый поясок; 6 — полиэтиленовое копыто; 7— алю-
мин иевая трубка; 8 — защитный стальной цилиндр
Метод сварки взрывом основан на известном свойстве холод-
ной сварки металлов давлением. Физическая сущность этого свой-
ства состоит в том, что в результате сближения под действием
давления поверхностей свариваемых деталей до величин, соизме-
римых с межатомным расстоянием, образуется неразъемное мо-
нолитное соединение, при котором возникают межмолекулярные
связи. Давление создается взрывной волной.
Технология монтажа сводится к следующему: между оболочкой
(после ее расширения) и сердечником кабеля устанавливаются
опорные стальные втулки. После монтажа сердечника на сросток
надвигается алюминиевая трубка-муфта с полиэтиленовыми коль-
цами, в пазы которых закладывается заряд взрывчатых веществ
(ВВ) — отрезок детонирующего шнура. Электродетонатор соеди-
няется с детонирующим шнуром и магистральными проводами,
противоположные концы которых на расстоянии около -20 м от
муфты присоединяются к взрывной машинке (типа ручного индук-
тора).
Этапы монтажа муфты взрывным способом показаны на
рис. 9.38.
Для монтажа кабелей в стальной оболочке используется обыч-
ная свинцовая муфта, припайка которой производится после пред-
варительного облуживания стальной оболочки специальной пастой
марки ПМКН-40.
9.19. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОЛИРУЮЩИХ
покровов
Для защиты оголенной алюминиевой или стальной оболочки и
смонтированной муфты от коррозии, вне зависимости от метода
сращивания оболочек, производится восстановление изолирующих;
покровов. Восстановление осуществляется горячим или холодным-
способом, а также с помощью термоусаживаемых трубок.
472
Горячий способ предусматривает нанесение на оголенную обо-
лочку и муфту нескольких слоев влагоотталкивающего липкого
полиизобутиленового компаунда (ЛПК), чередующихся с обмот-
кой полиэтиленовыми лентами. Затем на сросток надвигаются де-
тали пластмассовой муфты, свариваемые с оболочкой кабеля.
Холодный способ отличается от горячего тем, что после нане-
сения на сросток ЛПК вместо пластмассовой муфты на него на-
носится несколько слоев разогретой битумно-резиновой мастики
(МБР), чередующихся с обмоткой пластмассовыми лентами и
защищенных слоем стеклоленты. Способы сращивания пластмас-
совых шланговых покровов с помощью пластмассовых муфт или
термоусаживаемых трубок изложены в следующем параграфе.
9.20. МОНТАЖ КАБЕЛЕЙ
В ПЛАСТМАССОВЫХ ОБОЛОЧКАХ
Полиэтиленовые оболочки восстанавливаются:
сваркой деталей полиэтиленовой муфты с оболочкой кабеля
путем обмотки места сварки несколькими слоями полиэтиленовой
ленты и стеклоткани, сквозь которую открытым пламенем паяль-
ной лампы (горелки) разогреваются свариваемые поверхности до
вязкотекучего состояния, образуя монолитное соединение;
опрессование сростка сердечника кабеля с захватом оболочки
разогретым до вязкотекучего состояния низкомолекулярным поли-
этиленом (рис. 9.39);
сваркой деталей полиэтиленовой муфты с оболочкой с помо-
щью электроспирали, размещенной между свариваемыми поверх-
ностями (способ электронагрева);
многослойной обмоткой сростка сердечника с захватом оболоч-
ки, с промазкой полиизобутиленовым компаундом, т. е. холодным
способом.
Поливинилхлоридные оболочки восстанавливаются:
сваркой поливинилхлоридных деталей
муфты с оболочкой с помощью медных
нагревательных вкладышей, один конец
которых вводят в щель между сваривае-
мыми поверхностями, а второй разогре-
вают пламенем лампы или горелки. Пос-
ле разогрева свариваемых поверхностей
до вязкотекучего состояния вкладыши
удаляют, а конец муфты оказывается
приваренным к оболочке (рис. 9.40);
Рис. 9.39. Опрессование сростка расплавленным
полиэтиленом:
1 — ручной пресс; 2 —расплавленный полиэтилен; 3 —
пресс-форма; 4 — сросток; 5 — кабель
473-
Сборка
Рис. 9.40. Монтаж пластмассовой оболочки с помощью медных вкладышей:
а) процесс сварки; б) общий вид муфты: /— оболочка кабеля; 2—медные вкладыши; 3 —
бандаж из резины; 4 —• муфта; 5 — медная фольга
многослойной обмоткой сростка поливинилхлоридными лента-
ми, смазанными смесью пластификаторов, с последующей провар-
кой в насыщенном водном растворе поваренной соли.
В настоящее время наиболее прогрессивным и технологичным
способом восстановления изолирующих покровов кабелей с ме-
таллическими оболочками и сращивания кабелей в пластмассовых
оболочках является использование термоусаживаемых трубок,
изготовленных из термопластичных материалов (полиэтилен, по-
липропилен) и подвергнутых радиационной вулканизации (облу-
чению у- и (З-лучами). Если изготовленную из такого материала
трубку разогреть и растянуть, а затем в расширенном состоянии
охладить, то приданная детали форма окажется как бы «заморо-
женной». Если такую трубку надвинуть на сросток кабеля и разо-
греть до температуры выше той, при которой производилось рас-
ширение (раздув), трубка усаживается, принимая исходное со-
стояние, и плотно обжимает сросток (рис. 9.41).
Для герметичности и прочности стыка на внутреннюю поверх-
ность трубки наносят подклеивающий слой, который в процессе
нагрева размягчается, заполняя зазоры между трубкой и кабелем.
Трубка поставляется потребителю в расширенном состоянии
с «эластичной памятью формы»; радиальная усадка составляет не
менее 50% от раздутого состояния.
При монтаже металлическую оболочку кабеля с помощью
свинцового конуса спаивают со стальной трубкой, а полиэтилено-
iLtiiiii iiiiHijiijiiioHiii пт
Ряс. 9.41. Термоусаживасмая трубка:
а) з исходном положении; б) после нагревания; / — кабель; 2 — трубка
474
вую оболочку сваривают с полиэтиленовым слоем трубки ТМП
с помощью полиэтиленовой муфты.
Для монтажа кабелей с разнородными оболочками целесооб-
разно применять термоусаживаемые трубки.-
9.21. МОНТАЖ КАБЕЛЕЙ НА РЕЧНЫХ
ПЕРЕХОДАХ
Особенности монтажа подводных кабелей сводятся к способам
сращивания круглопроволочной брони на стыке строительных
длин. Существует два способа сращивания проволочной брони
подводных кабелей: 1) безмуфтовый и 2) с помощью защитных
стяжных муфт.
При безмуфтовом соединении бронепроволоки кабеля укреп-
ляются несколькими бандажами из проволоки диаметром 2,0...
...2,5 мм, плотно наложенными с помощью специальной клетнев-
ки. Технология монтажа показана на рис. 9.42,а.
Если диаметр свинцовой муфты на подводном кабеле значи-
тельно больше диаметра кабеля по оболочке, применение безмуф-
тового соединения проволок может вызвать деформацию сростка.
Так, диаметр кабеля КМК-8/6 по оболочке равен 55 мм, а диа-
метр муфты—132 мм. Для этого кабеля используется стяжная
болтовая муфта (рис. 9.42,6).
Описанными выше способами осуществляется также монтаж
кабелей с круглой проволочной броней при их прокладке в местах,
где имеют место растягивающие нагрузки на кабель и муфты, на-
пример в районах вечной мерзлоты, на крутых подъемах в сме-
щающихся грунтах и т. п.
9.22. МОНТАЖ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
Исходные положения. Монтаж оптических кабелей является
наиболее ответственной операцией, предопределяющей качество и
дальность связи по оптическим кабельным линиям. Соединение
волокон и монтаж кабелей производится как в процессе производ-
ства, так и при строительстве и эксплуатации кабельных линий.
Монтаж ОК подразделяется на постоянный (стационарный) и
временный (разъемный). Постоянный монтаж производится на
стационарных кабельных линиях, прокладываемых на длительное
время, а временный — на мобильных линиях, где приходится не-
однократно соединять и разъединять строительные длины кабелей.
Соединитель оптических волокон, как правило, представляет
собой арматуру, предназначенную для юстировки и фиксации
соединяемых волокон, а также механической защиты сростка.
Основными требованиями к соединительным устройствам являют-
ся простота конструкции, малые переходные потери, устойчивость
475
X -г-
476
к внешним механическим и климатическим воздействиям, надеж-
ность. Дополнительно к разъемным соединителям предъявляются
требования стабильности параметров при многократной стыковке.
Эффект смещения сопрягаемых волокон. Основной задачей
соединения одиночных оптических волокон является обеспечение
строгой их.соосности, идентичности геометрии торцов, перпенди-
кулярности поверхностей последних оптическим осям волокон и
высокой степени гладкости торцов. При этом подразумевается, что
поверхность торцов плоская.
Важным требованием является также высокая стабильность
состояния оптического контакта и малые потери, вносимые срост-
ком. Нарушение этих условий создает отражения, ухудшает ис-
пользование поля излучения торца возбуждающего волокна, т. е.
снижает эффективность ввода в возбуждаемое волокно. Кроме
того, некачественный оптический контакт представляет собой не-
однородность, влияние которой на распространение сигналов за-
висит от степени несовершенства контакта и числа мод (увели-
чиваясь с уменьшением их количества). С увеличением диаметра
волокна облегчается выполнение необходимых условий, обеспечи-
вающих малые потери оптического соединения, поэтому соедине-
ние многомодовых одиночных волокон осуществляется легче, чем
маломодовых.
Рассмотрим, пользуясь геометрической оптикой, влияние основ-
ных факторов на качество оптических соединений многомодовых
волокон. На рис. 9.43 приведены основные возможные дефекты
сопряжения оптических волокон (радиальное, угловое и осевое
смещение). Если коэффициент передачи энергии от одного свето-
вода к другому т], причем для идеальных условий т|= 1, то при
1 $
радиальном смещении *----------;
при угловом т)8 ~ 1----;
при осевом тц —
s tg 9а
2d
Здесь 0а — апертурный угол световода, определяемый по внеш-
ней среде (и).
Приведенные выражения достаточно хорошо согласуются с экс-
периментальными данными при относительно малых значениях s,
б, 0, а именно — < 1; — <1 1; 6 <3 10°.
d d
Теоретическое и экспериментальное рассмотрение допусков на
сопряжение одномодовых световодов дает следующие результаты.
Если q— диаметр сечения поля основной моды, определенный на
уровне максимальной интенсивности поля е-1, то максимально
477
Рис. 9.43. Смещение сращиваемых
волокон:
а) радиальное; б) угловое; в) осевое
! стеклянная трубка; 2 — жидкая масса;
3 и 4 — волокна
допустимый зазор между торцами
наличии согласующей среды) s
сопрягаемых световодов (при
6 ,
—q~, максимальное угловое
5 7
смещение осей световодов QQ^3/q и максимальный допустимый
сдвиг между осями b^q/Ъ.
Например, при 7—2,5 мкм; 5=7,5 мкм; 6=0,5 мкм; 0=1,2°
При этом потери не превосходят 0,4 дБ. Отсюда видно, что наи-
более жесткие требования предъявляют радиальное и угловое
смещения. Наличие зазора между торцами волокон меньше влия-
ет на величину потерь.
Соединение оптических волокон. Наиболее распространенными
способами соединения оптических волокон (ОВ) являются:
применение соединительных трубок;
разъемные соединители;
механические сростки;
электросварка;
применение металлических наконечников.
В последнее время для стационарного монтажа оптических
кабелей прочно утвердился метод сварки электрической дугой,
а для разъемного монтажа многократного использования — метод
разъемных соединителей.
Рассмотрим некоторые характерные способы соединения опти-
ческих волокон.
Применение соединительных трубок — один из самых распро-
страненных способов соединения волокон. Он состоит в использо-
вании прецизионных втулок или трубок, которые, будучи изготов-
лены точно по наружному диаметру оптического волокна, прида-
ют ему требуемое положение и фиксируют его. Трубки чаще всего
стеклянные. Конические концы трубок облегчают ввод оптическо-
го волокна. Конструкция одного из таких соединений показана на
рис. 9.44. Соединитель состоит из полой стеклянной втулки I
с отверстием для заливки массой 2, которая одновременно служит
478
Рис. 9.45. Разъемное соединение:
о) гнезда; б) штырь; 1 - волокно; 2 — покрытие волокна;
а) гнезда; 6J штырь: 1 — волокно; 2 — покрытие волокна;
и для фиксации соединяемых волокон 3 и 4. Сросток вносит зату-
хание около 0,3... 0,4 дБ.
Разъемный соединитель, предназначенный для соединения мно-
гомодовых световодов с пластмассовым покрытием, показан на
рис. 9.45. Один из соединяемых световодов 1 с изоляцией 2 за-
крепляется в штыре, другой — в гнезде путем сжатия концов тру-
бок из стали, надетых на пластмассовую оболочку. Штыревая
часть имеет с обеих сторон конические каналы, обеспечивающие
соосность световодов. При выполнении операции соединения на-
ружные сопрягаемые поверхности 3 тесно соприкасаются друг
с другом и фиксируются между собой гайкой с накаткой.
Наиболее характерная конструкция механического страстна
приведена на рис. 9.46. В сростке соединяемые волокна 7, 2 вво-
дятся в-пластмассовую втулку 4 и свободное пространство запол-
няется клеющей жидкостью 3, оказывающей скрепляющее и им-
мерсионное действие (уменьшение потерь на отражение от тор-
цов). Снаружи сросток герметично закрывается и механически
защищается полумуфтами 5, 6.
Электродуговая сварка производится с помощью электриче-
ской дуги или лазера путем нагревания концов сращиваемых оп-
тических волокон. Процесс сращивания ОВ состоит из следующих
операций (рис. 9.47,а):
юстировки соосности расположения торцов ОВ, размещаемых
на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга;
предварительного оплавления торцов ОВ электрической дугой;
плотного прижатия друг к другу торцов ОВ, находящихся
в непрерывном дуговом разряде;
Рис. 9.46. Механический сросток:
/ и 2 — волокна; 3 — жидкая масса; 4~ пласт-
массовая втулка; 5 и 6 — полу муфты
479
Рис. 9.4/. Электродуговая сварка волокон:
а) процесс сращивания; б) сварочный прибор: / — волокна; 2—зажимные губки- 3~ микпо
скоп; 4 — подсветка ’ р
Рис. 9.48. Сращивание с помощью металлических наконечников:
1
и) наконечник; г5) соединение волокон.' 1 — наконечник; 2 — отверстие для заливки эпоксид-
ной смолы; 3 — стекловолокно; 4 — капилляр; 5 — втулка; ‘6 — шайба
окончательного этапа сращивания.
Устройство для сварки представляет собой! легко переносимый
прибор (рис. 9.47,6) с габаритными размерами 20X30X15 см
Переносной сварочный агрегат весит примерно 15 кг. Снаружи
располагается микроскоп для юстировки и визуального наблюде-
ния за процессом сварки.
Такой метод сварки волокон позволяет получать соединение
с потерями порядка 0,1. ,.0,3 дБ и разрывной прочностью не ме-
нее 70 % от целого волокна. Он легко реализуем в полевых усло-
виях,. поскольку не требует предварительной обработки торцевых
поверхностей перед сращиванием.
На конце каждого оптического волокна монтируется металли-
ческий наконечник (рис. 9.48,а). Для этого с конца ОВ на рас-
стоянии 40 мм снимается защитное покрытие. Затем одевают на-
конечник 1 так, чтобы стекловолокно 3 выступало из него пример-
но на 15... 20 мм. На выступающий конец ОВ одевают капилляр 4
(стеклянная трубка с отверстием) длиной 10 мм. Капилляр вво-
дится в наконечник так, чтобы конец капилляра выступал на;
1 ... 2 мм. На стекловолокно и капилляр наносится слой эпоксид-
ной смолы 2. Эпоксидная смола также заливается в отверстия
наконечника. Зате?и торец ОВ шлифуется на стеклянной плите-
с применением образивного порошка и полируется на полировоч-
ном круге,
480
Рис. 9.49. Каркасный монтаж:
а) каркас на шесть сростков; б) крепление сращиваемых волокон; в) кабельная муфта: 1—
каркас; 2 — волокна; 3 — сростки; 4 — защитная оболочка
Соединение оптических волокон производится с помощью втул-
ки 5 и разрезных шайб 6 (рис. 9.48,6). Втулка и шайбы имеют
нарезки, с помощью, которых плотно стыкуются сращиваемые ОВ.
Монтаж кабеля в целом. При монтаже оптического кабеля
в целом должны быть обеспечены: высокая влагоустойчивость
сростка, надежные механические характеристики на разрыв и
смятие и стабильность характеристик сростка при длительной
эксплуатации в подземных условиях. В настоящее время получили
развитие различные методы монтажа многоволоконных оптических
кабелей. Рассмотрим наиболее характерные из них.
Каркасный монтаж. Для монтажа оптического кабеля
используют металлический каркас 7 с числом продольных стерж-
ней, равным числу сращиваемых волокон (рис. 9.49,а). Оптиче-
ские волокна 2 сращивают одним из вышеуказанных способов.
Сростки волокон 3 размещают на эбонитовых пластинках и кре-
пят так, чтобы сросток не испытывал продольного воздействия на
разрыв (рис. 9.49,6). Поверх каркаса накладывают несколько
слоев полиэтиленовой ленты, а затем надевают термоусаживае-
мую муфту 4 с подклеивающим слоем (рис. 9.49,в). Достоинством
муфты является плотное обжатие конусов сростка при воздейст-
вии положительной температуры.
Монтаж кабеля с с и л о в ы м и э л е м е н т а м и. Как вид-
но из рис. 9.50, силовые элементы соединяются напрямое и при-
нимают на себя растягивающую нагрузку, а волокна укладыва-
ются в муфте петлей, и сростки не испытывают растяжения. Во-
локна соединяются одним из вышеизложенных способов. Муфта
состоит из двух частей и гидроизолируется посередине и в конусах.
М о н т а ж плоских оптических кабеле й. Монтаж оп-
тических кабелей, выполненных в виде многоволоконных плоских
лент с общим пластмассовым покрытием, осуществляется следую-
щим образом. Волокна на конце ленты оголяют на расстояние
.50. Монтаж оптического кабеля с си
Рис 9
о б bi и? э л ем с-и т а .м и:
4 — соединение волокон;
4 - гидроизоляция; 5 —
ментон; 3— волокно; 7—
ментов; 3 — соединитель;
2 — кольцо; 3— кабель
соединение силовых эле
укрепление силовых зле
san муфта
16—61 36
481
Рис. 9.51. Монтаж плоских кабелей:
с) процесс монтажа; б) муфта: / — прецизионные канавки; 2 ~~ шаблон; 3 —- лента с во-
локнам и
1 см, и ленту помещают в матрицу (рис. 9.51,а). Концы волокон
укладывают на участке, имеющем прецизионные канавки, и в мат-
рицу заливают пластический материал, который обволакивает
волокна и препятствует их дальнейшему перемещению. Волокна,
залитые пластмассой, выдерживают в матрице до ее застывания.
В узком зазоре, где расположен прецизионный участок, волокна
пластмассой не заливают. Затем волокна разрывают путем их
изгиба и растяжения. Застывшая пластмасса фиксирует волокна
в торце ленты. После этой операции лента готова к сращиванию.
Концы двух лент закладывают в шаблон (рис. 9.51,6), а в зазор
между торцами для скрепления лент друг с другом заливают
эпоксидный компаунд с соответствующим коэффициентом прелом-
ления.
Пресс-форма разъемная и выполнена из латуни; прецизионные
зазоры сделаны из стали и вставляются в латунную пресс-форму.
Зачистку концов волокон в полимерном покрытии производят пу-
тем растворения материала покрытия полиэфирной смолой и уда-
лением его с волокон. Толщина полимерного покрытия составляет
25 мкм. По результатам испытаний потери в таких соединителях
составляют не более 0,2 дБ.
Для монтажа кабеля, состоящего из 12 лент по 12 волокон
в каждой ленте, требуется приблизительно 1 час 45 мин. При су-
ществующей технике соединений основное время (около 1 ч) за-
трачивается на подготовку и укладку концов волокон. Резка
концов лент требует около 15 мин. После обрезки концы лент
укладывают на центрирующие гребенки, имеющие пазы. Укладка
волокон в канавки производится механически — путем встряхива-
ния. После этого эпоксидным компаундом фиксируются концы
лент. Место соединения закрывают крышкой, которую приклеи-
вают к основанию быстродействующим эпоксидным клеем. Через.
482
Рис. 9.52. Фигурный соединитель:
1 — волокно; 2 — эластичная пластмасса; 3 — каркас
щели в крышке иммерсионный компа-
унд подается в место соединения.
Данный метод не требует шлифов-
ки и полировки соединяемых концов
оптического кабеля. Средние потери
в месте соединения составляют
0,20 дБ, - стандартное отклонение
0,32 дБ. Результаты испытаний пока-
зали, что 5 % соединений имели потери меньше чем 0,1 дБ, а
95 % — меньше чем 0,8 дБ.
Применение фигурного соединителя. Соединитель,
предназначенный для многоволоконных кабелей и не требующий
операций шлифования, полирования и склеивания волокон, при-
веден на рис. 9.52. Каждое стекловолокно 1 надежно удерживается
в пространстве, образованном тремя цилиндрическими поверхно-
стями 2, изготовленными из эластичной пластмассы. Эти поверх-
ности создают направленное к центру давление на волокно подоб-
но трехкулачковому патрону дрели, который держит сверло. После
того как две половины соединителя установлены, они скрепляются
вместе, и каждое волокно занимает надлежащее положение между
тремя цилиндрическими поверхностями, снаружи располагается
каркас 3. Потери в соединителе не превышают 0,3 дБ. Сросток
изолируется термоусаживающей муфтой с предварительной обмот-
кой пластмассовыми лентами.
9.23. МОНТАЖ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ ГТС
Кабели городских телефонных сетей, которые заводятся в зда-
ние станции, включаются на защитные полосы щита переключе-
ний. На каждую полосу включается, как правило, 100 пар кабеля.
Концы кабелей, заходящих в распределительные муфты, раз-
делываются в боксы. Применяемые на городских телефонных се-
тях боксы (рис. 9.53) состоят из металлического корпуса с кони-
ческим основанием, в центре которого сделано отверстие с труб-
кой для ввода кабеля. На лицевой стороне бокса укрепляются
плинты. Они делаются фарфоровыми или пластмассовыми и на
лицевой стороне имеют два ряда зажимов (винтов), от которых
через тело плинта пропускают штифты-перья для распайки кабе-
ля. Число плинтов, устанавливаемых на боксе,, зависит от емко-
сти последнего. Емкость плинтов 10X2, следовательно, в боксе на
100X2 их будет десять/ Кабель заводится на внутреннюю часть
бокса, где его жилы распаиваются по перьям плинтов. Оболочка
483
Рис. 9.54. Распределительный шкаф
ГТС
Рис. 9.53. Бокс городской телефон-
ной сети (100X2)
кабеля заделывается во втулке бокса. Кабель в неметаллической
оболочке заделывается посредством поливинилхлоридной ленты.
В распределительном шкафу (рис. 9.54) соединение жил маги-
стральных и распределительных кабелей между собой осуществ-
ляется с помощью кроссировочных проводов.
Конструкция распределительной коробки, предназначенной для
соединения кабеля 10X2 с кабелями 1X2, показана на рис. 9.55.
Внутри коробки помещается плинт, аналогичный плинтам, уста-
навливаемым на боксах распределительных шкафов. Под зажимы
с лицевой стороны плинта включаются однопарные кабели, отхо-
дящие к телефонным аппаратам.
Для соединения кабеля с проводами воздушных линий приме-
няются кабельные ящики. Кабельные ящики, устанавливаемые на
столбах и стойках городских телефонных сетей (рис. 9.56), изго-
тавливаются емкостью 10X2 и 20X2. Внутри ящика помещается
бокс с укрепленными на нем фарфоровыми или пластмассовыми
плинтами, на которых монтируются угольные разрядники и пред-
охранители для защиты кабельных жил от атмосферного элект-
ричества и линий сильного тока.
484
Рис. 9.55, Распределительная короб-
ка (10X2)
Рис. 9.57. Междугородный бокс
Рис. 9.56. Кабельный я ши к
Для соединения междугородного кабеля со^станционной про
водкой применяются боксы с дужками (рис. 9.о7), устанавливае
мне на вводных кабельных стойках. Бокс состоит из корпуса со
съемной задней крышкой.
ВВОД КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЬНЫЕ
пункты
9.24. ВВОД КАБЕЛЕЙ В ЗДАНИЯ
ОУП И ОП
Ввод междугородных кабелей в здания оконечных J* ^ро^ У
точных обслуживаемых усилительных пунктов (ОП, С ) У
ществляется либо в специально предназначенные для эТ0Г
бельные шахты, либо непосредственно в помещения для раз
ния аппаратуры (линейно-аппаратный цех).
485
Разрез по A-S'
Рис. 9.58. Ввод междугородных кабелей в усилительный пункт:
/ — газонепроницаемая муфта; 2 — магистральный кабель; 3 — вводный блок; 4 — воздухо-
вод; 5 — устройство для подкачки воздуха; 6 — каркас для разветвительных муфт; / — рас-
пределительные кабели; 8 — разветвительная муфта
Внутри помещения от вводного блока до оконечных устройств
(стоек ВДС, вводно-кабельных шкафов ВКШ, оконечных муфт)
бронированные кабели освобождаются от защитных покровов и
укладываются на консоли, воздушные или стенные желоба, кар-
касы (рис. 9.58). Магистральные комбинированные, а также сое-
динительные кабели больших емкостей распаиваются в разветвлен-
ных муфтах на распределительные кабели. Для повышения защи-
щенности цепей от взаимных влияний кабели с высоким уровнем
передачи (исходящие) объединяются в один пакет, а с низким —
в другой. Расстояние между пакетами должно быть не менее
50 мм.
Для защиты станционного оборудованиями обслуживающего
персонала от опасных напряжений оболочки и брони всех кабелей
на выходе из вводного блока соединяются перепайкой между
собой и с защитным заземлением.
Для ввода кабелей в крупные городские телефонные станции
в ее. подвальном помещении устраивается кабельная шахта, кото-
рая с помощью кабельной канализации или специального тоннеля
соединяется со станционным колодцем (рис. 9.59). Линейные ка-
бели распаивают на 100X2 кабели, которые включаются в защит-
ные полосы щита переключений, расположенные в помещении
486
Рис. 9.59. Ввод кабелей ГТС в здание.
' ~~ еоэдуховоды; 2 — газонепроницаемыс муфты; 3 — отверстия для кабелей; 4 — перчатки
шахты или специальном помещении — перчаточной. Линейные
кабели распаивают в вертикальных или горизонтальных перчат-
ках. От перчаток кабели 100X2 собирают в общие пакеты и по
желобу вводят в помещение кросса, где они могут быть подведены
к щиту переключений снизу или сверху в зависимости от способа
включения.
К распайке линейных кабелей в перчаточной прибегают в тех
случаях, когда кросс находится на несколько этажей выше шахты.
Воздушные, подвесные кабели вводят в здание станции по
трубам, пропускаемым через стену в помещение кросса.
9.25. НЕОБСЛУЖИВАЕМЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ
ПУНКТЫ И ВВОД В НИХ КАБЕЛЕЙ
На междугородных кабельных линиях большинство усилитель-
ных станций размещается в необслуживаемых усилительных пунк-
тах. Между двумя ОУП размещают до 60 НУП, эксплуатация
оборудования которых осуществляется в основном автоматически.
Установленная в НУП усилительная аппаратура получает элект-
ропитание дистанционно от источников тока, расположенных
в ОУП. Питание передается по тем же цепям, что и основная ин-
формация (телефонная связь, телевидение и т. п.). Контроль за
работой усилительной аппаратуры, оборудованием для содержа-
ния кабеля под постоянным избыточным давлением и обеспечени-
ем нормального режима в НУП осуществляется также автомати-
чески с помощью специальной системы телесигнализации и теле-
управления. Системы телемеханики позволяют передавать из НУП
в ОУП сигналы об открытии двери, появлении в цистерне воды,
неисправности усилителей, понижении давления в кабеле, необхо-
димости замены баллона с воздухом и т. п.
Конструкция НУП определяется типом магистрального кабеля
и системой передачи. Обычно НУП состоит из металлической
487
Рис. 9.60. НУП симмет-
ричного кабеля с горизон-
тальной цистерной:
/ — кабель; 2 —насыпной
грунт; 3 — уровень воды
подземной части (цистерны, контейнеры), в которой размещается
вводно-коммутационное и усилительное оборудование, и неболь-
шой подземной части, предохраняющей вход (крышку) подземной
части от атмосферных осадков, ветра и т. п. В некоторых типах
НУП надземная часть используется для размещения оборудования
содержания кабеля под давлением, изолирующих муфт, устройств
сигнализации.
Для симметричных кабелей типа МКС с полупроводниковой
аппаратурой типа К-60П НУП представляет собой стальную гори-
зонтальную одностенную цистерну подземного типа (рис. 9.60).
Вход в цистерну осуществляется через люк и горловину, над кото-
рыми размещается металлическая или каркасно-шиферная будка.
Кабели вводятся непосредственно в подземную часть через метал-
лические патрубки, расположенные в торцевой части. Внутри цис-
терны кабели сращиваются с газонепроницаемыми муфтами, рас-
положенными в ВКШ. Оборудование для содержания кабелей под
давлением размещается непосредственно в цистерне. Для лампо-
вой аппаратуры К-60 применяются НУП в виде вертикальной
стальной камеры (рис. 9.61).
Для симметричных одночетверочных кабелей типа МКС и ЗКП
применяют малогабаритные НУП с полупроводниковыми усили-
телями (рис. 9.62). Усилители смонтированы в специальных кас-
сетах, которые помещаются в корпусе из стеклопластика или ви-
нипласта. Вводы кабелей в НУП осуществляются через патрубки
в нижней части стального корпуса. Для включения кабеля имеют-
ся вводные кассеты. Для обеспечения герметизации в заводских
условиях монтируют вводные кабели, к которым присоединяют
линейный кабель при установке НУП на трассе. Корпус НУП
устанавливают на железобетонную плиту в колодце с чугунным
люком. Люк размещают на возвышении.
Для коаксиальных кабелей КМ-4, используемых для системы
передачи К-1920П на полупроводниках, применяют цистерны, ана-
логичные цистернам НУП К-60П (рис. 9.63), но с другим обору-
дованием. Состав оборудования комплектуют в зависимости от
организации связи. Наземную часть выполняют так же, как и над
НУП К-60П.
488
0 2560
----------— . -
Рис. 9.61. Подземный НУП симметричного кабеля с вертикальной термокамерой
овод магистральных кабелей А и Б (однокабельная система)
в термокамеру осуществляют через вводные патроны, расположен-
ные горизонтально в торцевой части. Кабель Л вводят в правый,
кабель Ь в левый патрон, если смотреть на ввод из цистерны.
С помощью прямой муфты введенные линейные кабели соединяют
со стабкабелями, идущими
к контейнеру с усилителя-
ми. Пятиблочныи контей-
нер содержит линейные vch-
СВЯЗИ
и служебной
Рис 9.62. Малогабаритный
ка кХтусаР^ К°ЛОДЦа; крыш-
ка корпуса. •? —обваловка- 5-mim
железобетонная; 6 ~ вво-ткй Л
овады кабелей
489
Рис. 9.63. FI У П коаксиального кабеля
вариант):
1 — стальная цистерна; 2 — АК.ОУ; 3 ~ ввод
труба
системы К-1920П (полупроводниковый
кабеля; 4 — входной люк; 5 — вентиляционная
(один блок ПСС, другой УСС и телемеханика). Размер контейне-
ра 1050X600X600 мм.
Датчики позволяют передавать из каждого НУП три сигнала
извещения: «Открыт люк цистерны», «Вода в НУП», «Падение
давления в баллоне» или «Утечка воздуха» — при нарушении гер-
метичности оболочки кабеля (через систему УСКДС Кроме того,
система телемеханики обеспечивает возможность включения гене-
ратора контрольной частоты на любом НУП и определение участ-
ка обрыва кабеля.
490
Для коаксиальных кабелей КМ-4, используемых для системы
передачи К-1920 в ламповом варианте, применяют НУП с удли-
ненной горизонтальной цистерной длиной 4,5 м. Снаружи камера
имеет гидроизоляцию. Вход цистерны представляет собой горло-
вину с закрывающимся люком, над которым устанавливают будку.
В основном техническом помещении НУП две стойки усилителей
и одна стойка вводов. В тамбуре размещена автоматическая конт-
рольно-осушительная установка с баллоном сжатого воздуха или
щит переключения воздуха.
Для НУП коаксиальных кабелей КМ-8/6 используют горизон-
тальные цистерны. В коротких цистернах размещают до четырех
контейнеров, из которых один содержит аппаратуру телемеханики
и служебной связи, остальные — линейные усилители. В удлинен-
ных цистернах размещают до шести контейнеров с усилителями
с усложненными схемами (корректирующие, выравнивающие, ре-
гулирующие) и аппаратурой выделения групповых трактов. Раз-
меры контейнеров 540X500X640 и 540X720X640 мм. В основном
НУП на полностью задействованном кабеле устанавливают: два
контейнера линейных усилителей (на две системы К-3600 каж-
дый), один контейнер на три системы К-1020 и один — для блоков
системы телемеханики и служебной связи.
Ввод кабелей в камеру осуществляется аналогично вводу ка-
белей КМ-4. Внутри термокамеры линейные кабели прямой про-
межуточной муфтой соединяют с УОК (устройство оконечное
кабельное). Соединительными шнурами УОК подключают к кон-
тейнерам. В НУП монтируют оборудование для содержания кон-
тейнеров и кабеля под избыточным давлением.
Рис. 9.64. НУП системы К-300 для малогабаритного коаксиального кабеля
491
Рис. 9.65. НУП системы К'120 для
однокоаксиального кабеля
Рис. 9.66. НУП одночетверочных ка-
белей КСПП
Для коаксиальных кабелей МКТ-4 используют полуподземиый
НУП К-300 (рис. 9.64). Корпус НУП выполнен из листовой стали
толщиной 9 мм. Он представляет собой цилиндр высотой 930 и
диаметром 720 мм. Общая высота с крышкой 1,1 м. Масса в со-
браном виде около 350 кг. Наружная поверхность покрыта анти-
коррозийным покрытием.
На трассу НУП поставляется в готовом виде. К проложенным
линейным кабелям МКТ-4 его подключают стабкабелями посред-
ством коаксиальной газонепроницаемой соединительной муфты
(КГС). Длина стабкабелей около 5 м. Внутри корпуса НУП смон-
тирована поблочно усилительная аппаратура и другое необходи-
мое оборудование. Блочный монтаж удобен для замены повреж-
денных блоков. Сверху под крышкой расположены линейные щит-
ки с разъемами, соединяющими аппаратуру с парами линейного
кабеля. Там же расположены гнезда для подключения телефон-
ного аппарата служебной связи. Над крышкой устанавливают
будку из деревянного каркаса, обшитого шифером.
Для коаксиальных кабелей ВКПА-1 используют закапываемый
НУП К-120 (рис. 9.65). При установке подземного НУП на трассе
линейный кабель монтируют прямой муфтой со стабкабелями,
имеющими оконечную заводскую заделку. Корпус НУП имеет две
крышки: верхняя снабжена специальным замком, под ней смон-
тирована розетка для подключения переносного телефона; нижняя
крышка обеспечивает герметичность. При поднятии крышки сни-
мается напряжение (в целях электробезопасности) и обеспечива-
ется доступ к оконечным разъемам. Конструкция разъема дает
возможность параллельного подключения к коаксиальной цепи.
492
Для одночетверочных кабелей типа КСПП с шестиканальной
двухполосной аппаратурой типа КНК-6 устраиваются подземные
НУП, показанные на рис. 9.66. Такой НУП представляет собой
герметизированную латунную коробку с наружным чугунным кор-
пусом, в котором размещены усилители. Коммутационные коробки
размещаются на железобетонных установках и содержат небходи-
мые гнезда для контрольных измерений и держатели для разряд-
ников типа Р-350. Наружная часть кабелей, подводимых к ком-
мутационной коробке, защищается от механических повреждений
металлическими кожухами.
СОДЕРЖАНИЕ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ ПОД
ИЗБЫТОЧНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
9.26. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СОДЕРЖАНИЯ
КАБЕЛЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Содержание кабелей связи под постоянным избыточным газо-
вым давлением является наиболее эффективным средством повы-
шения надежности кабельных линий, так как позволяет система-
тически контролировать состояние оболочки кабелей, определять
место ее повреждения и предохраняет кабель от проникновения
влаги. Для содержания междугородного кабеля под давлением ка-
бельная линяя разделяется на секции герметичности. Длина сек-
ции герметичности составляет для коаксиальных кабелей
КМ-8/6 — 24 км; КМ-4 и МКТС-4— 18 км; симметричных МКС —
4X4 и 7X4 — 20 км и МКС-1X4 — 40 км. Герметичность концов
секций обеспечивается газонепроницаемыми муфтами, которые
устанавливаются в усилительных пунктах перед включением
. в оконечные устройства.
На симметричных кабелях используются газонепроницаемые
муфты, залитые внутри эпоксидным компаундом, а на коаксиаль-
ных кабелях — специальные газонепроницаемые муфты заводского
изготовления типа ОКГМ.
Постоянное избыточное давление в кабеле может поддержи-
ваться двумя способами: автоматической подкачкой газа по мере
его утечки или периодической подкачкой газа. В настоящее время
наибольшее распространение получил первый способ. Для этой
цели используются установки УСКД.
Схема содержания междугородного кабеля с длиной секции
герметичности 18 км под постоянным избыточным давлением с ис-
пользованием установок УСКД приведена на рис. 9.67. В качестве
источников сжатого газа применяются баллоны высокого давления
или компрессорные установки. Емкость баллонов 40 л, давление
газа 14 700 кПа (150 кГс/см2). Давление компрессора 294...
...786 кПа (3 ... 8 кГс/см2). Допускаются следующие величины
493
Рис. 9.67. Схема содержания кабелей под избыточным газовым давлением:
/— кабель; 2— разветвительная муфта; 3 — распределительные кабели; Т — газопровод; 5 —
муфта ['МС; 6 -—муфта ОГКМ; 7 — иске; 8 — УСКД; 9 — баллон: М1 —муфта соединительная
давления в различных кабелях: КМ-8/6—44 (0,45); КМ-4—64
(0,66); МКС-7Х4—62 (0,65); МКС-4X4—72 (0,73); МКС-1Х4—
108 (1,1) кПа (кГс/см2).
Эффективность содержания кабеля под избыточным давлением
в значительной степени зависит от количества газа, помещающе-
гося в кабеле (на единицу длины), а также от скорости распро-
странения газа. При разгерметизации кабельной линии, т. е. по-
явлении отверстия, струя входящего через него газа предохраняет
кабель от проникновения влаги. Чем больше отверстие, тем быст-
рее будет снижаться давление в районе повреждения, и поэтому
чем больше запас газа (в кабеле) и чем быстрее он будет рас-
пространяться от источников подкачки до района повреждения,
тем продолжительнее будет защитное действие избыточного дав-
л е н и я.
Количество и скорость распространения газа в кабеле зависит
от его типа и конструкции, особенно от плотности сердечника. Сво-
бодный объем газа в 1 км кабеля составляет КМБ 8/6—860;
КМБ 4—450; МКС 7X7—150; МКС 1X4—35 л. Пользуясь этими
данными, можно определить, сколько необходимо газа для накач-
ки кабельной линии любой длины до заданного избыточного дав-
ления.
Для осуществления непрерывного контроля за герметичностью
оболочки кабеля, а также определения района повреждения ис-
пользуются методы учета расхода газа и манометрический.
494
Метод учета расхода газа основан на учете расхода газа, по-
даваемого в кабель, с обоих концов участка для компенсации
утечки, вызванной повреждением оболочки. Учитывая, что при
установившемся режиме распределения давления в кабеле объем
газа, подаваемого с обоих концов участка для компенсации утеч-
ки, обратно пропорционален расстоянию до места утечки, по рас-
ходу газа за единицу времени определяют район повреждения.
При этом методе отпадает необходимость в специальных сигналь-
ных жилах. Метод позволяет определить район повреждения, если
на участке имеется только одно место утечки.
Манометрический метод основан на одновременном измерении
манометрами давления в нескольких точках участка, расположен-
ных на одинаковом расстоянии друг от друга. По результатам
измерений строят график распределения давления, характеризую-
щийся двумя наклонными кривыми, расходящимися от места
утечки газа. Пересечение этих кривых соответствует району утеч-
ки газа (рис. 9.68).
Для определения места нарушения герметичности кабеля (пос-
ле установления района повреждения) наиболее эффективным яв-
ляется метод использования индикаторных газов, способных пере-
мещаться в почве (или другом газе) в сторону меньших концен-
траций. Распространяясь по кабелю, индикаторный газ выходит
сквозь поврежденную оболочку в грунт и через некоторое время
достигает поверхности земли, где его можно обнаружить с помо-
щью индикаторных приборов. В качестве индикаторного газа для
определения места повреждения обычно используется фреон-22
(дифторхлорметаи). Место утечки определяется галоидным тече-
искателем ГТН (рис. 9.69). Через 12... 15 ч после введения фрео-
на приступают к обследованию трассы, для чего в шурфах вынос-
ным щупом течеискателя берут пробы воздуха/ Максимум газа
наблюдается непосредственно над местом повреждения кабеля.
При неблагоприятных условиях прохождения фреона в грунте
место повреждения кабеля может быть обнаружено через 5—
7 суток.
Рис 9.68. Манометрический метод оп-
ределения района повреждения кабе-
ля
Рис. 9.69. Г алоидный тсчеискатель
гти
495
Определение места повреждения оболочки кабеля и ее негер-
метичности производится в два этапа: сначала с помощью устано-
вок содержания кабеля под давлением определяется район по-
вреждения кабеля, а затем путем подачи индикаторного газа точ-
но находится место негерметичности оболочки.
Установка УСКД позволяет определить район повреждения
кабеля манометрическим методом (см. рис. 9.68) с точностью до
1 км. Точное место повреждения оболочек и ее негерметичности
определяется подачей в кабель индикаторного газа. Распростра-
няясь по кабелю, газ выходит сквозь поврежденную оболочку на
поверхность земли, где и обнаруживается индикаторными прибо-
рами. Для указанной цели используются углекислый газ, радон,
радиоактивный газ и фреон. Наибольшее применение получил газ
фреон. Он инертен к металлам, нетоксичен и не воспламеняется.
В качестве индикатора используются галоидные течеискатели
ГТИ.
9.27. СИСТЕМЫ СОДЕРЖАНИЯ
ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Установка для содержания кабеля под давлением УСКД пред-
назначена для автоматической подачи воздуха в кабели связи,
поддержания в них постоянного избыточного давления и контроля
герметичности. Установка позволяет следить за величиной давле-
ния и расходом газа, получать сигнал о нарушении герметичности
и определять район повреждения кабеля. Габаритные размеры
УСКД 480X200X540 мм, масса 37 кг. Общий вид установки при-
веден на рис. 9.70, а структурная схема — на рис. 9.71.
Газ из баллона высокого давления 1 через осушительную ка-
меру высокого давления 2 подается в редуктор 3 с обратным кла-
паном (при питании установки от компрессора газ подается через
штунер 75), а затем в редуктор низкого давления 4, на выходе
которого образуется стабильное давление 49 кПа (0,5 кГс/см2),
поддерживаемое автоматически. Далее газ прохолп через осу-
шительную камеру низкого давления 5, пневматический сигнали-
затор 6, индикатор влажности 7 и
блок рота метров 8, где с помощью
9 контролируется расход газа в
к а ж дом к а б ел е. Э л е к т р о к о н т а к т и ы и
манометр 19 контролирует давле-
ние в баллоне, а манометр II —
давление газа, подаваемого в ка-
бель. Безопасность работы уста-
Рис. 9.70. Общий вид установки УСКД
496
Рис. 9.71 Структурная схема УСКД.’
/ -- баллон; С и 5 — осу(,иитсль'!;>н? рамсом: -7 - рг!уктор высокого еанления: 9 — ррдуктор
низкого давления; 6 — сигиализатор; 7— и’н.т\ ктор влажности; Ю-- блок ротаметров; 9 — ро-
тл.метры; Д' и /1 — манометры; /?. /.?, 14 — предохранительные клапаны; /л — штуцер
иовки обеспечивается тремя предохранительными клапанами—
/2, 13 и 14. Обратный клапан редуктора 3 служит для отключения
баллона высокого давления от установки при снижении давления.
Пневматический сигнализатор 6 оборудован группой электри-
ческих контактов, при замыкании которых подаются сигналы
в цепь телесигнализации.
Район нарушения герметичности определяется по расходу газа
с помощью воздушного контактного прибора В1\П-1, входящего
в комплект установки УСКД.
Для содержания городских телефонных кабелей под избыточ-
ным давлением предназначена компрессорно-сигнальная установ-
ка (КСУ). Последняя устанавливается на АТС и позволяет содер-
жать под давлением до 30 кабелей и следить за герметичностью
оболочки каждого кабеля. В качестве источника питания исполь-
зуется переменный ток напряжением 220 В или постоянный ток
напряжением 60 В. В кабели подается избыточное давление по-
рядка 50 кПа.
Структурная схема КСУ приведена на рис. 9.72. Установка
состоит из компрессорной группа? 1, блока осушки и автомати-
ки и распределительного статива 3. При понижении давления
в каоеле и ресивере 4 до предельно допустимой величины сраба-
тывает электроконтактный манометр 5, регулирующий давление
в ресивере, с помошью устройств автоматики 18 включается элек-
тродвигатель 6 и запускаются компрессоры 7. В случае повышения
давления в ресивере до верхнего предела компрессоры останав-
ливаю гея. Контроль за величиной давления на выходе осуществ-
ляется ротаметром 15. С помощью ротаметра 14 по расходу газа
можно определить район повреждения оболочки кабеля. Установ-
ит
Д сети
В кабель с
авар. утечкой
Рис. 9./2, Структуоная схема КСУ:
1 — компрессорная группа; 2 — Спок осуи-кн; 3 — рпснрсде/н! гс-льный статив; 4 — ресивер:
5, /5 — манометры; 6 — электродвигатель; / --компрессоры; 3 — обратный канал; 9 — осуши-
тель; 10 — клапаны; // — индикатор влагкностн; /2—редуктор; 13 — коллектор; 14 — ротаметр;
15—сигнальный ротаметр; 17—обводной, вентиль; 18 — автоматика
ка имеет общую звуковую и оптическую сигнализацию о появле-
нии аварийной утечки.
Герметичность концов кабелей обеспечивается газонепроницае-
мыми муфтами, которые устанавливаются в шахтах перед перчат-
кой, где линейный кабель распаивается на 100X2, а на другом
конце — в шкафных колодцах на кабелях 100X2, включаемых
в боксы.
ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
9.28. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАБОТ
ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ ВОЗДУШНЫХ
ЛИНИЙ связи
При строительстве воздушных линий связи выполняются следующие основ-
ные работы: разбивка линии, развозка линейных материалов, оснастка столбов,
рытье ям и установка столбов, подвеска проводов, контрольный осмотр линии
и нумерация опор.
При разбивке линии определяется ее направление на местности и обозна-
чаются места установки опор. Линия разбивается на отдельные участки, ограни-
ченные точками изменения направления линии. На прямых участках и ровной
местности разбивка производится с помощью трех вех, устанавливаемых в ство-
ре одна с другой (рис. 9.73). На участках пересеченной местности обычно поль-
зуются четырьмя вехами. Габаритные размеры опор и расстояния между прово-
дами даны на рис. 9.74.
При оснастке опору предварительно очищают от остатков коры, затем за-
тесывают вершину на два ската, размечают и просверливают отверстия для крю-
ков и траверсных болтов, ввертывают крюки, устанавливают траверсы, крон-
498
штейны,
Рис. 9.73. Разбивка линии
насаживают изоляторы
на крюки и штыри. Оснастка столбов арматурой
(ввертывание крюков, пришивка траверс)
обычно производится на линии до их
установки. Оснастка опор крюкового профиля
приведена на рис. 9.75, а тра-
версного— на рис. 9.76.
на рис. 9.77.
На угловых опорах
Крепление траверс на железобетонных опорах показано
при вылете угла более 7,5 м, на переходных, кабельных,
вводных, полуанкерных и других специальных опорах устанавливаются двойные
траверсы. В местах устройства скрещиваний столбы оснащаются необходимой
для этого арматурой (кронштейнами, накладками).
Изоляторы насаживаются на крюки и штыри с
предварительным наверты-
ванием каболки или полиэтиленовых наперстков.
Рытье ям и установку столбов выполняют бурильно-крановыми машинами.
Яма, вырытая вручную, должна иметь ступенчатую форму (рис. 9.78,я). Ямы
располагают вдоль линии, как указано на рис. 9.78,6. Столбы должны устанав-
ливаться так, чтобы гребень их был расположен вдоль линии для траверсного
профиля и перпендикулярно линии для крюкового профиля.
Промежуточные опоры устанавливаются вертикально и выравниваются
в линию с ранее установленными опорами, при этом крюки и траверсы должны
быть расположены перпендикулярно линии. По окончании выравнивания опоры
ямы засыпаются грунтом и трамбуются.
Угловые опоры устанавливаются с наклоном вершины в сторону, противопо-
ложную равнодействующей тяге проводов, и укрепляются оттяжками или под-
порами. Опоры, оснащенные траверсами, устанавливаются так, чтобы на прямых
участках линии траверсы были расположены поочередно с одной и с другой
стороны опоры.
В болотистых грунтах деревянные и железобетонные угловые опоры укреп-
ляются дополнительно. Противоветровые и противогололедные деревянные опо-
ры укрепляются подпорами, а железобетонные — оттяжками.
После установки и укрепления столбов производится размотка провода. При
механизированной размотке используется тамбур с проводом, устанавливаемым-
на автомашине, при ручной — переносная рама.
Концы стальных проводов соединяют между собой сваркой с помощью
термитно-муфельного патрона (рис. 9.79). При сварке верхний антикоррозийный
499
500
.11
Рис. 9.75. Оснастка опор крюкового
профиля
Рис. 9. /6. Оснастка опор
траверсного профиля
ф;
Рис. 9.77. Крепление тра-
верс на железобетонных
опорах:
а) прямоугольного сечения;
б) круглого сечения
слой оцинковки сгорает, поэтому для предохранения места сварки от коррозии
провод покрывают битумом, петролатумом или суриком на 10 см по обе сторо-
ны от стыка. Концы проводов из цветных металлов соединяют с помощью тру-
бок— медных или алюминиевых — в зависимости от материала линейного про-
вода. Концы соединяемых проводов вводят с обоих концов в трубку, которую
затем закрепляют в струбцины вильчатого клупа и скручивают ключом в 1,5 обо-
рота (рис. 9.80).
Провода подвешивают по участкам в четыре — восемь пролетов в зависимо-
сти от числа взрывчатки. На начальной опоре провод закрепляют оконечной
вязкой (рис. 9.81), а затем его поднимают на последующие опоры и укладывают
в -желобки изоляторов на промежуточных опорах и на шейки изоляторов на
угловых опорах. После этого провод натягивают (посредством блоков) до тре-
буемой стрелы провеса. Стрела провеса контролируется с помощью реек
(рис, 9.82).
Вязку проводов на изоляторах промежуточных опор выполняют двумя кус-
ками вязочной проволоки, а на угловых — одним (рис. 9.83). При вязке прово-
501
Рис. 9.78. Ямы для установки опор:
а) форма; б) расположение вдоль линии
Рис. 9.79. Соединение
стальных проводов
Рис. 9.80. Соединение концов медньы
и биметаллических проводов:
7 —клупп; 2— струбцина; 3 — ключ
Рис. 9.81. Оконечная вязка проводов:
&) стальных; б) медных или биметаллических
502
У
Рис. 9.83. Вязка проводов на изоляторах:
uj промежуточная; и) углозая
Рис. 9.82. Регулировка стрелы провеса
Рис. 9.84. Усиленная вязка
проводов
.104 из цветного металла используют плоскогубцы с медными вкладышами.
В районах, где наблюдается вибрация проводов, вязка делается усиленной (рее-
сонной) (рнс. 9.84).
Счет опор ведется от крупного административного центра к более мелкому.
Пои соединении двух одинаковых пунктов счет ведется с севера на юг и с запада
па восток
Пересечения ВЛС через шоссейные и железные дороги, линии электропере-
дачи и реки выполняются с соблюдением следующих трех условий: переходная
опора должна быть ппочнее промежуточной, провода на опоре должны иметь
более надежное крепление и провода в пролете должны обладать достаточным
запасом прочности. При затруднениях в выполнении этих условий применяется
кабельная вставка и кабельный переход.
При выполнении скрещивания проводов исходят из того, что скрещивание
в пролете осуществляется на длине двух пролетов, а точечное скрещивание по
длине линии занимает всего 18 ... 25 см.
Цля того чтобы среднее расстояние между проводами влияющей и подвер-
женной влиянию цепей было выравнено в вертикальной и горизонтальной пло-
скостях, направление вращения проводов при скрещивании в пролете должно
производиться на длине секции в одну и ту же сторону.
503
9.29. МЕХАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
Применение механизмов при строительстве линейных сооружений ускоряет
и удешевляет строительные работы.
Для погрузки и разгрузки материалов используются автомобильные краны
(К-32, К-51, К-46), гидравлические краны, установленные на автомобилях
ЗИЛ-150 или ЗИЛ 164, подъемники кранового типа, устанавливаемые на авто-
мобилях ГАЗ-66.
Для бурения ям и установки столбов при строительстве и ремонте воздуш-
ны?; линий широко используются бурильно-крановые машины. Известны буриль-
но-крановые установки на базе автомобилей повышенной проходимости (ГАЗ-66)
и базе тракторов. Колесные машины маркируются БУС-7, БМ-202 и БМ-302,
тракторные машиныБМ-303, БМ-204 и БКГО-67. Бурильно-крановая машина
БУС-7 показана на рис. 9.85. Машины производят бурение ям и. установку опоры
в готовую яму за 2 ... 4 мин. Диаметры буров 350 ... 800 мм. Грузоподъе
ность кранов I ... 1,5 т. Максимальная длина устанавливаемых опор 10 ... 12
При строительстве и обслуживании воздушных линий применяются пе?
движимо телескопические вышки типа ТВ (рис. 9.86). Такая вышка позволь
поднять одного-двух рабочих на высоту 7 ... 21 м.
Размотка и сращивание проводов может производиться с помощью май
ны П-282. Оборудование монтируется на автомобиле Г АЗ-66 и используется д
выполнения: раскатки двух стальных или цветных проводов диаметром 2
... 4 мм; сращивания стальных проводов диаметром до 4 мм электросварка
Рис. 9.85. Бурильно-крановая машина БУС-7
Рис. 9.86. Телескопическая вышка ТВ-1
504
электропрогрева скруток цветных проводов для пропайки; скрещивания разма-
тываемых проводов; наматывания в бухты одного-двух проводов при демонтаже
линии.
Кроме указанных машин для уплотнения грунта вокруг устанавливаемых
опор применяются трамбовки с электрическим или мотоприводом.
При обработке столбов для снятия коры и резки сучьев используют электро-
сучкорезки, для отпиливания комля столба и заделки его вершины — различного
рода электропилы или мотопилы. Сверловка отверстий под крюки, болты и глу-
хари, завинчивание гаек, болтов и штырей, навинчивание изоляторов на штыри
производятся электросверлами.
Электроинструменты работают, как правило, от источников тока напряже-
нием 220 В. В полевых условиях их питание осуществляется от передвижных
электростанций. При строительстве и ремонте воздушных линий используются
специальные комплекты инструментов, работающие от гибкого вала.
9.30. УСТРОЙСТВО вводов
ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
Вводы цепей воздушных линий устраиваются, как правило, кабельными. При
этом должно предусматриваться согласование параметров воздушных цепей
с кабельными.
Повышенные требования предъявляются к устройству подходов и вводов
высокочастотных цепей в усилительные пункты (УП), с тем чтобы избежать
недопустимых влияний между цепями входа и выхода. При влиянии с выхода
усилителя на его вход (рис. 9.87,а) образуется цепь обратной связи, которая
может привести к самовозбуждению усилителя или возникновению значительных
искажений. Во избежание этого переходное затухание между входом и выходом
усилителя должно быть на 26,1 дБ больше величины усиления.
Если в УП заводится несколько высокочастотных цепей (рис. 9.91,6), пере-
ходное затухание должно иметь большую величину, так как кроме опасности
возникновения искажения от обратной связи, приходится считаться с влиянием
выхода одного усилителя на вход другого.
Для обеспечения требуемых величин переходного затухания высокочастот-
ные цепи систем передачи В-12 на входе и выходе в усилительные пункты рас-
полагаются на отдельных линиях. Воздушный ввод допускается при одной ВЧ
*' ¥
цепи. При наличии нескольких ВЧ цепей их ввод в УП осуществляется отдель-
ными кабелями с разных кабельных опор.
Для уменьшения влияния через третьи цепи (наряду с подвеской цепей вхо-
да и выхода на разных линиях), в УП, кроме ВЧ цепей, вводятся все остальные
цепи и провода, подвешенные
на той же линии. Применяются
также дополнительные защитные
устройства — запирающие катуш-
Рис. 9.87. Влияние между цепями
входа и выхода:
а) при одной цепи; б) при двух цепях
505
ки (см. гл. 7) и запирающие фильтры (ЗФ). Запирающие катушки включаются
во все цепи и телеграфные провода, вводимые в УП (на входе и выходе), а так-
же ВЧ цепи из цветного металла при их вводе в оконечные пукты. Запираю-
щие фильтры предназначаются для увеличения переходного затухания между
выходом и входом ВЧ цепей через третьи цепи (двух- и однопроводные), нахо-
дящиеся на одной линии с ВЧ цепью.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ
ВЫПОЛНЕНИИ ЛИНЕЙНЫХ РАБОТ
Общие понятия. Все работники, занятые на строительстве, эксплуатационном
обслуживании и ремонте кабельных линий связи, обязаны знать и неуклонно
соблюдать меры безопасности ведения работ и противопожарные мероприятия.
Основные требования ио безопасным методам выполнения работ изложены
в Правилах техники безопасности при работах на кабельных линиях связи и ра-
диофикации (М.: Связь, 1969.— 176 с.), а по противопожарным мероприятиям —
в ^Правилах пожарной безопасности на объектах Министерства связи СССР»
(М.: Связь, 1975. — 82 с.).
До начала работ необходимо тщательно проверить наличие и исправность
инструмента, защитных средств, предохранительных приспособлений, лестниц,
стремянок и т. п. Защитные диэлектрические средства должны проверяться
в установленные специальными правилами сроки.
Особое внимание соблюдению правил техники безопасности необходимо уде-
лять при выполнении следующих наиболее опасных работ: погрузке и разгрузке
барабанов, железобетонных изделий, люков, цистерн НУП и других тяжелых
предметов; рытье траншей и котлованов вблизи силовых кабелей и газопрово-
дов; прокладке кабеля с плавсредств и со льда; на пересечениях с воздушными
ЛЭП, контактными проводами трамвая, троллейбуса и электрифицированных
железных дорог; ремонте кабелей, используемых для дистанционного питания
и при работах вблизи таких кабелей и т. п. Перед началом работ ьа особо опас-
ных участках производится соответствующий инструктаж по технике безопас-
ности.
В каждой колонне или бригаде должна иметься походная аптечка. Каждый
монтер, кабельщик, спайщик при работе на линии должен иметь индивидуаль-
ный антисептический пакет.
Инструменты и приспособления. Напряжение переносного электроинструмен-
та должно быть не выше 220 В в помещениях без повышенной опасности и не
выше 36 В в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и вне поме-
щений. Допускается применение электроинструмента напряжением до 220 В при
обязательном использовании диэлектрических перчаток. Корпуса электроинстру-
ментов с напряжением более 36 В должны быть заземлены.
Электроинструменты и переносные электролампы должны подключаться
к источникам тока с помощью штепсельных соединений с недоступными для слу-
чайного прикосновения токоведущими частями. При сильном нагреве электро-
инструмента работу следует прекратить и отключить его от сети до полного
охлаждения (охлаждение снегом или водой запрещается). Работать с инстру-
ментом на высоте более 2,5 м с приставных лестниц запрещается.
506
Запрещается работа с пистолетами с приставных лестниц, стремянок, а так-
же во взрыве- и пожароопасных помещениях.
Паяльные лампы следует разжигать на поверхности земли на расстоянии не
менее 2 м от колодца или котлована.
Газовой горелкой могут пользоваться лица не моложе 18 лет, прошедшие
специальный инструктаж и сдавшие соответствующие экзамены. Баллоны с газом
должны располагаться вне колодца или котлована на поверхности земли, закры-
тые от прямых солнечных лучей. Отбор газа из баллона можно производить до
минимального давления, равного 20 кПа.
Погрузочно-разгрузочные работы. Погрузочно-разгрузочные работы произ-
водятся, как правило, механизированным способом — с помощью кранов, авто-
погрузчиков, блоков, трален и т. п. Механизированный способ является обяза-
тельным для грузов массой более 60 кг, а также при подъеме грузов на высоту
более 3 м.
Подростки до 16 лет к переноске тяжестей не допускаются. Подростки от
16 лет до 18 лет и женщины допускаются к погрузке и разгрузке только нава-
лочных (песок, гравий), штучных (кирпич, асфальт) грузов и пиломатериалов.
Предельные нормы при переноске тяжелей для девушек от 16 до 18 лет — 10 кг,
юношей от 16 до 18 лет —16 кг, для женщин старше 18 лет — 20 кг, для муж-
чин старше 18 лет — 60 кг. Все погрузочно-разгрузочные работы должны выпол-
няться в рукавицах, при работах с пылящими материалами пользуются
защитными очками и респираторами. Перевозка рабочих в кузове автомобиля
с погруженным барабаном или на транспорте запрещается.
Земляные работы. Производство земляных работ в зоне расположения ка-
белей, газопроводов и других подземных коммутаций допускается только с пись-
менного разрешения организации, эксплуатирующей эти сооружения. Работы
должны производиться под наблюдением прораба или мастера, а на расстоянии
ближе 2 м от действующих кабелей и газопроводов, кроме того, под наблюде-
нием представителей организаций, которым принадлежат эти сооружения. Для
обнаружения подземных сооружений, пересекающих проектируемую трассу,
роются шурфы длиной 1 м и по оси будущей траншеи. Если подземные соору-
жения проходят параллельно проектируемой трассе, шурфы роются перпендику-
лярно к оси проектируемой трассы через каждые 20 м. Длина шурфа должна
превышать ширину проектируемой траншеи на 0,3 м с каждой стороны.
При обнаружении газа в траншеях или котлованах работы в них должны
быть немедленно прекращены, а люди выведены из опасной зоны.
Прокладка кабелей. Прокладка кабеля кабелеукладчиком разрешается на
участках, не имеющих подземных сооружений. Обслуживающему персоналу за-
прещается находиться на кабелеукладчике или в кузове автомашины во время
транспортировки. Если между трактором и кабелеукладчиком или другим меха-
низмом находятся люди, запрещается приводить трактор в движение. Запре-
щается также следить за прокладкой кабеля, стоя на раме кабелеукладчика
(а не на специальной площадке); выполнять работы под трактором при рабо-
тающем моторе; перевозить на тракторе посторонних лиц.
При прокладке кабеля вручную на каждого рабочего должен приходиться
участок кабеля массой не более 35 кг. При подноске кабеля к траншее на пле-
чах или руках все рабочие должны находиться по одну сторону от кабеля. Пе-
507
ревозить барабаны с кабелем через замерзший водоем можно только при тол-
щине льда не менее 0,5 м. Размотка и разноска кабеля осуществляется на той
стороне вырубленной во льду траншеи, которая ниже по течению. Нс разрешает-
ся скопление работников ' (более 10 человек) в одном месте на краю пробитого
льда.
Монтажные работы. К спаечным работам допускаются лица не моложе
18 лет. Особое внимание должно быть уделено выполнению требований по безо-
пасному обращению с паяльными лампами и газовыми горелками. Масса Для
заливки чугунных .муфт должна разогреваться на жаровнях без открытого огня,
при этом следует пользоваться ведром с носиком и крышкой. Температура мас-
сы должна контролироваться термометром.
Клеящие составы необходимо хранить в закрывающейся посуде, нельзя до-
пускать попадания клея на кожу или в зону дыхания.
Руководитель работ даст распоряжение приступить к работе только после
личной проверки отсутствия напряжения на кабеле. При разрезании кабеля
ножовка должна быть заземлена на металлический штырь, вбитый в землю на
глубину 0,5 м.
На кабельных линиях, имеющих сближения с электрофицированной желез-
ной дорогой переменного тока, необходимо:
выполнять работы только по предварительно выданному наряду, в котором
указываются основные меры по безопасности;
проверять наличие и исправность защитных средств, приспособлений и
инструмента;
выполнять работы бригадой в составе нс менее двух человек, один из ко-
торых назначается ответственным за соблюдение правил техники безопасности:
вес работы по строительству и ремонту вести с применением перчаток, га-
лош, ковриков и инструмента с изолирующими ручками;
контролировать отсутствие напряжения на жилах и оболочках кабеля с по-
мощью указателя напряжения с неоновой лампой или вольтметра.
Электрические измерения и содержание кабеля под давлением. Все работы,
связанные с измерениями на линии, должны производиться двумя лицами, одно
из которых является ответственным за технику безопасности. При испытаниях
электрической прочности изоляции у дальнего конца кабеля, проложенного
в земле, должен находиться дополнительно третий участник измерений. Во время
измерений металлические корпуса приборов и кожухи трансформаторов должны
быть заземлены. Во время грозы производить измерения категорически запре-
щается.
Запрещается также проводить измерения без защиты от атмосферных осад-
ков; переключать провода и собирать схемы измерений под напряжением; рабо-
тать без использования защитных средств—диэлектрических перчаток, коври-
ков и т. п.
Компрессорные установки производительностью более 15 м3/мин должны
удовлетворять Правилам устройств содержания и обслуживания воздушных
компрессоров и воздухопроводов.
Баллоны с фреоном необходимо хранить в\пециальном помещении, запи-
рающемся на замок, не допускается попадание на них прямых солнечных лучей.
Вентиль баллона должен быть закрыт колпаком, который снимается с помощью
508
специальных ключей. В случае замерзания вентиля нельзя его отогревать пламе-
нем (следует использовать горячую воду).
Строительство и монтаж НУП. Находиться в котловане для НУП при уста-
новке плит фундамента и цистерн запрещается. Спускаться в цистерну разрешает-
ся только по установленной в ней лестнице с поручнями. Полы в цистерне долж-
ны быть покрыты диэлектрическими ковриками.
Все работы в НУП должны производиться не менее чем двумя лицами, из
которых одно назначается старшим, ответственным за соблюдение правил безо-
пасности. Работы в НУП, в котором отсутствует вентиляция, должны вестись
при открытой крышке горловины цистерны, при этом перед началом работ и
в ее процессе помещение должно проветриваться с помощью ручного вентиля-
тора. При работе в цистернах НУП допускается использовать электроинстру-
мент и переносные электролампы напряжением не более 36 В.
Работа в смотровых устройствах. При работах в смотровых устройствах
кабельной канализации их люки должны быть открыты для проветривания за
час до начала работы, кроме того, должны быть открыты люки и соседних ко-
лодцев. При открывании люков колодцев необходимо соблюдать особую осто-
рожность, чтобы не получилось искры от ударов ломом, молотком и т. ш До
спуска людей в колодец необходимо убедиться в отсутствии в нем газа. При на-
личии газа следует тщательно, с помощью вентилятора, очистить от него коло-
дец. До тех пор, пока не будет полной уверенности в том, что газ отсутствует
и опасность взрыва исключена, не допускается около колодца разведение огня.
Курить во всех смотровых устройствах (колодцах, шахтах и т. п.) категорически
запрещается. Помимо взрывоопасных газов, таких как светильный, в колодцах
может находиться ядовитый углекислый газ. Проверка наличия газа производит-
ся с помощью специальных индикаторов, газоанализаторов.
Прн производстве работ в подземных смотровых устройствах разрешается
пользоваться переносными лампами напряжением не свыше 12 В. Трансформа-
торы, выключатели, аккумуляторы, штепсельные соединения и т. п. должны на-
ходиться на поверхности земли.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Организация работ по строительству сооружений связи.
2. Какие основные механизмы применяются при строительстве кабельных и воз-
душных линий связи?
3. Назначение и способ строительства кабельной канализации.
4. Методы группирования строительных длин коаксиальных кабелей.
5. Как выполняется монтаж симметричных и коаксиальных кабелей?
6. Как осуществляются переходы через шоссейные и железные дороги?
". Особенность монтажа кабелей в алюминиевых, стальных и пластмассовых
оболочках.
8. Назначение кабельных боксов и их конструкция.
9. Прокладка подземных кабелей.
10. Устройство речных переходов.
11. Как осуществляется ввод кабелей в ОУП и НУП?
12. Ввод кабелей в здания АТС и МТС.
13. Объясните назначение и способы содержания кабелей под газовым давле-
нием.
509
14. Сравните различные способы монтажа световодов и оптических кабелей
связи.
15. Особенности прокладки оптических кабелей связи.
16. Основные виды работ по строительству воздушных линий связи.
17. Устройство НУП на линиях различных типов.
18. Какие меры техники безопасности применяются при строительстве сооруже-
ний связи?
Глава 10. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ
10.1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ОРГАНИЗАЦИЯ
ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛСС
Основные задачи технической эксплуатации ЛСС—(ТЭЛСС)
состоят в следующем [27]:
обеспечение бесперебойной высококачественной и надежной
работы обслуживаемых ЛСС;
внедрение новой техники, развитие средств связи, повышение
качества обслуживания и производительности труда, проведение
мероприятий по экономии ресурсов и использованию внутренних
резервов;
постоянное совершенствование технической эксплуатации
ЛСС;
внедрение автоматизированных систем управления кабельными
магистралями (АСУКМ);
осуществление реконструкций ЛСС, их содержание в пределах
установленных норм и требований;
проведение профилактических и ремонтных работ, электриче-
ского контроля состояния каналов и трактов;
определение характера и места аварий и повреждений и их уст-
ранение;
ведение первичного учета и эксплуатационно-технической до-
кументации в соответствии с утвержденными формами и инструк-
циями.
Организация ТЭЛСС осуществляется:
магистральных линий связи — Главным управлением линейно-
кабельных и радиорелейных сооружений Министерства связи
СССР (ГУМТС) через подчиненные ему технические центры уп-
равления магистральных связей (ТЦУМС);
магистральных линий связи республиканского значения и ли-
ний зоновых сетей — министерствами связи союзных республик
510
через подчиненные им производственно-технические узлы союзных
магистральных связей и телевидения (ТУСМ);
республиканских и внутризоновых кабельных линий связи —
областными производственно-техническими управлениями связи
(ОПТУС) и республиканскими управлениями магистральных
связей и телевидения через подчиненные им эксплуатационно-
технические узлы связи. (ЭТУС) или технические узлы республи-
канских связей и телевидения (ТУРМ).
Основными производственными структурными подразделения-
ми ТУСМ, ТУРМ и ЭТУС, осуществляющими эксплуатацию меж-
дугородных кабельных линий связи, является кабельный участок
(КУ); кабельные участки располагаются вдоль трассы ЛС через
20... 25 км.
Производственными лабораториями, ремонтно-восстановитель-
ными бригадами, группами по ремонту и эксплуатации граждан-
ских сооружений и другими подразделениями выполняются рабо-
ты по контролю за электрическим состоянием линейных сооруже-
ний, защите кабелей от ударов молнии, электромагнитных
влияний, коррозии, ликвидации аварий и неисправностей, симмет-
рированию кабеля и т. д.
Организация эксплуатации ЛСС на кабельном участке осуще-
ствляется тремя методами: централизованным, децентрализован-
ным (участковым) и комбинированным.
При централизованном методе обслуживания весь штат ка-
бельщиков-спайщиков и монтеров сосредоточен на кабельном
участке. Моторизованный осмотр трасс кабельных линий, их ре-
монт и профилактику повреждений осуществляют специализиро-
ванными бригадами. Для связи бригад с кабельными участками
используются радиостанции. Работа бригад организуется началь-
ником КУ.
Бригады проводят охранно-разъяснительную работу и текущее
обслуживание ЛСС и планово-предупредительный ремонт. -Функ-
ции бригад определяются Правилами ТЭЛСС, соответствующи-
ми инструкциями и особенностями каждой линии связи. В част-
ности, инструкциями и правилами ТЭЛСС предусматривается
выполнение следующих основных функций:
периодические осмотры ЛСС, установка постоянных и времен-
ных предупредительных знаков, выполнение работ по защите ка-
белей от механических повреждений при производстве работ
строительными организациями в охранной зоне линии связи, про-
ведение разъяснительной работы среди населения и сторонних
предприятий по обеспечению сохранности ЛСС;
плановые проверки технического состояния ЛСС и их ремонт,
своевременное устранение аварий и повреждений, контроль элект-
рического состояния ЛС; содержание кабелей под избыточным га-
зовым давлением и устранение мест негерметичности и др.
Децентрализованный (участковый) метод обслуживания при-
511
меняется в случае невозможности моторизованного осмотра трасс
из-за отсутствия дорог или транспорта.
При комбинированном методе обслуживания часть трасс ка-
бельных линий КУ обслуживания обслуживается централизован-
ным методом, другая часть — участковыми монтерами.
С целью систематического анализа состояния ЛС, эффектив-
ности применяемых методов эксплуатации, приборов и устройств;
причин, характера и длительности устранения аварий и повреж-
дений; накопления статистического материала о работе ЛС все
эксплуатационные предприятия и управления ведут соответствую-
щую производственную документацию. Формы и содержание про-
изводственной документации утверждается Министерством связи
СССР. Производственная документация подразделяется на опе-
ративно-техническую и техническую.
В состав оперативно-технической документации входят: прото-
колы измерений и контроля параметров ЛС, протоколы и жур-
налы проверки содержания кабеля под избыточным газовым дав-
лением, данные измерений параметров средств защиты от внеш-
них влияний и коррозии, сведения о повреждениях и авариях
ЛСС, документация по охране ЛСС.
В состав технической документации входят: электрические па-
спорта ЛС; рабочая и монтажная документация ЛС; паспорта
телефонной канализации, трассы ЛС, оборудования и механизмов,
а также нормативные документы.
Сбор и анализ материалов по повреждениям ЛСС является
основным источником информации о надежности ЛСС. При ана-
лизе должны учитываться все аварии и поверждения, в том числе
и без простоев связи. Головной организацией по сбору и обработ-
ке статистических данных по эксплуатации кабельных линий
связи является Киевское отделение ЦНИИС (КОНИИС).
Производственные лаборатории ТЦУМС, ТУ СМ и ПТУС,
ЭТУС решают следующие основные задачи:
совершенствование технической эксплуатации с целью по-
стоянного улучшения качественных показателей эксплуатации ЛС;
внедрение новой техники, участие в проведении линейных
испытаний линий связи, аппаратуры и оборудования;
анализ и разработка мероприятий по повышению производи-
тельности труда работников ТЭЛСС, экономии и сбережению ма-
териальных ресурсов;
разработка и внедрение: предложений по повышению надеж-
ности ЛСС, приспособлений и устройств, улучшающих состояние
ЛС и их техническую эксплуатацию;
руководство работой производственных отделов и измеритель-
ных групп в подчиненных предприятиях, оказание им помощи в
техучебе, освоении новой техники и др.
Эксплуатационно-техническое обслуживание ЛСС включает:
охрану кабельных линий связи;
512
техническое обслуживание и профилактику ЛСС;
контроль за техническим состоянием ЛСС;
ремонт ЛСС;
аварийно-восстановительные работы;
реконструкцию ЛСС;
электрические измерения;
защиту ЛС от внешних влияний и коррозии;
содержание кабелей под избыточным давлением.
10.2. ОХРАНА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Охрана кабельных линий связи осуществляется с целью пре-
дупреждения механических повреждений кабелей при проведении
строительных и земляных работ в полосе трассы ЛС. Наиболь-
ший эффект в этой работе, имеющей очень важное значение, так
как механические повреждения от земляных работ составляют
около 60 % общего числа повреждений, дают профилактические
мероприятия. Эти мероприятия включают следующие виды работ:
систематический технический контроль за состоянием трасс ЛС,
разъяснительную работу на предприятиях и строительных орга-
низациях о важности выполнения правил по защите ЛС от по-
вреждений, выдачу технических условий и согласований на работы
в охранных зонах кабельных линий или вблизи их, инспектиро-
вание и надзор за работами, проводимыми сторонними организа-
циями в этих зонах.
Объем и порядок выполнения этих работ определяются [27,
32], а также другими нормативными документами.
10.3. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ
И ПРОФИЛАКТИКА ЛСС
Техническое обслуживание ЛСС подразделяется на текущее и
планово-профилактическое. В процессе текущего обслуживания
осуществляется технический надзор, уборка и ремонт замерных
столбиков трассы кабельных линий. При планово-профилактиче-
ском обслуживании осуществляются контрольные электрические
измерения ЛСС; обслуживание устройств защиты ЛС от корро-
зии и ударов молнии, а также систем содержания кабеля под
избыточным газовым давлением; чистка и регулировка искровых
разрядников; осмотр и чистка телефонных колодцев и телефон-
ной канализации. Кроме того, контролируются глубины залегания
кабеля, приводится готовность трассы к паводкам.
В районах вечной мерзлоты глубина залегания кабеля и муфт
со временем может изменяться в местах возможного пучения
грунта 2 раза в год — в периоды максимального промерзания и
оттаивания почвы.
17—6136 б*3
Точки измерения глубины залегания кабеля фиксируются на
хместности с помощью замерных столбиков. Определение глуби-
ны залегания производится кабелеискателем. В случае уменьше-
ния глубины залегания кабеля и муфт на 200 мм и более долж-
ны быть приняты меры к углублению кабеля до проектного уров-
ня. Для оценки и снижения относительной погрешности измере-
ний следует перед измерением проверить погрешность показании
прибора.
При прохождении трассы кабеля в барханных песках в усло-
виях их подвижности должны приниматься меры по защите ее
от выдувания песка и песчаных заносов. В этом случае также
возникает необходимость регулярного контроля глубины залега-
ния кабеля.
Основной задачей профилактического обслуживания ЛСС яв-
ляется своевременное выявление и устранение повреждений ЛСС,
чтобы не допускать нарушения действия или ухудшения качества
каналов связи. Под повреждением ЛСС понимают такое состоя-
ние ЛСС, при котором часть параметров ЛС и трактов не удов-
летворяют требованиям норм, однако действие связи не прекра-
щается. Выявление повреждений производится или в процессе
проведения электрических измерений параметров КМ [29] или
в результате показаний автоматизированных систем контроля за
состоянием КМ.
Служебная связь между линейными бригадами и отдельными
монтерами при выполнении работ по обслуживанию и ремонту
ЛС поддерживается средствами радиосвязи. При отсутствии ра-
диостанций связь с КУ осуществляется периодически по служеб-
ной проводной связи с ближайшего НУП.
10.4. КОНТРОЛЬ ЗА ТЕХНИЧЕСКИМ
СОСТОЯНИЕМ КЛС
Контроль за техническим состоянием, автоматизация и тех-
обслуживание междугородных кабельных линий связи осуществ-
ляется автоматически путем непрерывного контроля электриче-
ских параметров, что позволяет практически немедленно получать
сигналы извещений о недопустимых отклонениях параметров от
нормы.
Непрерывный контроль позволяет в ряде случаев прогнозиро-
вать и предотвращать аварийные ситуации, сокращать объем
электрических профилактик с закрытием связей, а в ряде случаев
полностью отказаться от закрытия связи.
Чаще всего используются следующие виды непрерывного кон-
троля:
автоматический контроль и регулировка уровня (АРУ) с сиг-
нализацией недопустимого занижения уровней контрольных ча-
стот;
514
за избыточным газовым давлением газа в кабеле;
изоляции цепей дистанционного питания, работающих по схе-
ме «провод—провод»;
сигнализаторами понижения электрического сопротивления
изоляции свободных (сигнальных) жил или средних точек линей-
ных трансформаторов.
На междугородных кабельных линиях широко применяется
автоматизация и телеобслуживание кабельной магистрали. К ав-
томатизированным кабельным магистралям относятся те, которые
содержат комплекс устройств, позволяющих вести автоматический
контроль за состоянием кабеля и необслуживаемых усилитель-
ных пунктов. При этом предусматривается возможность, не дожи-
даясь выхода из строя кабеля или НУП, принять необходимые
меры по устранению предполагаемого повреждения и тем самым
избежать прекращения (перерыва) связи. Для осуществления
указанных целей автоматизированные магистрали оборудуются:
устройствами, позволяющими содержать кабель под избыточ-
ным газовым давлением с возможностью передачи на обслуживае-
мый усилительный пункт сигналов о понижении давления и авто-
матического пуска компрессорных установок для периодической
подкачки воздуха;
устройством автоматической сигнализации и телемеханики
ддя контроля за состоянием помещений НУП и техническим со-
стоянием установленных в них усилителей и других устройств;
устройством для подачи и приема в НУП дистанционного
электропитания;
контрольно-измерительными пунктами для измерения потен-
циалов на оболочках кабелей, а также служебной связью для вы-
зова линейным обслуживающим персоналом техперсонала ОУП
(без захода в НУП).
Для контроля за работой усилительной аппаратуры, созда-
ния нормального режима в необслуживаемых усилительных пунк-
тах применяемые системы телемеханики обычно обеспечивают
передачу с контролируемых пунктов (НУП) основных сигналов:
об открытии двери, о неисправности промежуточных усилителей,
нарушении температурного режима, повышении влажности выше
нормы, понижении давления в кабеле.
Для возможности переключения основных усилителей (НУП)
на резервные предусматривается установка дистанционно управ-
ляемых или автоматических устройств с посылкой на ОУП квити-
рующих (ответных) сигналов исполнения или сигналов извещения
о срабатывании автоматических переключающих устройств, а так-
же сигналов управления, необходимых для сохранности связи при
повреждении станционной аппаратуры и линейных сооружений
(автоматический пуск компрессорных установок для подкачки
воздуха и др.).
515
На кабельных магистралях применяется несколько систем те-
леуправления и телесигнализации. В одних системах используют-
ся отдельные физические цепи, в других — телефонные каналы
НЧ и ВЧ. Наличие сигнальных жил в симметричных ВЧ кабе-
лях междугородной связи и коаксиальных кабелях позволяет ор-
ганизовать на магистралях простую импульсную систему теле-
управления и телесигнализации на постоянном токе. Для обра-
зования сигналов (импульсов) обычно используется источник по-
стоянного тока напряжением 220 В. Такая система обеспечивает:
телеуправление двухпозиционными объектами (например, пе-
реключение усилителей, включение и выключение освещения и
вентиляции);
автоматическую телесигнализацию с НУП на ОУП при изме-
нении любого объекта телесигнализации (датчика);
ответную сигнализацию после выполнения распорядительной
операции (квитирующие сигналы);
вызов телесигнализации по запросу из ОУП.
Для выполнения указанных операций система передает на
каждый НУП до 18 сигналов телеуправления и телесигнализа-
ции, Передачи осуществляются по четырем сигнальным жилам,
обратным проводом служит земля. Система очень проста, однако
использование земли в качестве обратного провода снижает на-
дежность ее работы, а на участках влияния эл.ж.д. она вообще
мало приемлема. Построение системы на контактных переключаю-
щих элементах делает ее недостаточно устойчивой в работе. Кро-
ме того, использование четырех сигнальных жил удорожает ка-
бель и вносит дополнительное затухание в рабочие цепи.
В последние годы нашли применение частотные системы теле-
сигнализации. В одном из вариантов этих систем телесигналы пе-
редаются в тональном спектре 300 . .. 2400 Гц. Система обеспечи-
вает передачу с каждого НУП трех сигналов: неисправности про-
межуточных усилителей НУП, открытия дверей НУП, общего
сигнала о нарушении температурного режима и влажности поме-
щения НУП, понижения воздушного давления в кабеле. Конт-
роль исправности аппаратуры телесигнализации на НУП осуще-
ствляется с ОУП. Для квитирования этой операции используется
общий сигнал. Такие системы могут работать по каналу служеб-
ной связи с одновременным использованием его для служебных
переговоров.
Частотные системы обладают рядом преимуществ перед им-
пульсными системами постоянного тока: не требуют наличия в
кабеле сигнальных жил и могут работать по служебному каналу
или фантомным цепям; не являются источником помех в рабочих
каналах связи; обеспечивают независимую телемеханическую
связь с каждым НУП и, следовательно, выход из строя телеме-
ханическом аппаратуры в одном НУП не нарушает телемеханиче-
ской связи с другими НУП.
516
Использование в указанных системах бесконтактных элемен-
тов позволяет значительно повысить надежность их работы. Од-
нако имеющиеся частотные системы допускают передачу мень-
шего числа сигналов, но это не снижает перспективности их
применения. Как показывает практика, в передаче большого чис-
ла сигналов нет необхх^димости. Можно ограничиться сигналами
о повреждении усилителя, открытии двери, понижении воздуш-
ного давления в кабеле. Необходимость в передаче сигналов из-
вещения о повышении тепературы и влажности при хорошем со-
держании магистрали возникает редко.
В настоящее время для магистральных междугородных КМ с
большим числом каналов создаются автоматизированные системы
управления технологическими процессами кабельных магистра-
лей — АСУТП КМ. Их создание и внедрение позволит существен-
но повысить эффективность работы КМ.
10.5. РЕМОНТ И РЕКОНСТРУКЦИЯ ЛСС
Различают три основных вида ремонтных работ ЛСС: теку-
щий, капитальный и аварийно-восстановительный.
Текущий ремонт ЛСС производится эксплуатационным персо-
налом кабельных участков. Основной целью текущего ремонта яв-
ляется поддержание трассы ЛС и кабелей связи в исправном
состоянии. Примерами ремонтных работ, осуществляемых при те-
кущем ремонте трассы ЛС, являются: покраска шкафов, ящиков,
арматуры, кабель-ростов, замерных столбиков, сигнальных огра-
дительных столбов, ремонт и замена отдельных кронштейнов,
люков, замков, накладок в телефонных колодцах, углубление и
выноска кабелей в пределах одной строительной длины, установ-
ка новых замерных столбиков и предупредительных знаков, рас-
чистка трассы кабеля от кустарников.
Текущий ремонт кабельных линий связи включает следующие
виды работ: ремонт устройств защиты от коррозии, замена и ре-
монт отдельных деталей и узлов (оборудования для содержания
кабеля под избыточным газовым давлением), устранение негерме-
тичности оболочки кабеля, ремонт контрольно-измерительных
пунктов, замена и ремонт отдельных анодных протекторов, газо-
непроницаемых и изолирующих муфт.
Капитальный ремонт производится периодически по отдельным
проектам и сметам хозяйственным или подрядным способом за
счет амортизационных отчислений. Для выполнения капитального
ремонта организуются ремонтно-восстановительные бригады, в
которые входят обычно и работники кабельных участков. При ка-
питальном ремонте выполняются следующие основные работы:
выноска и углубление кабеля; ремонт подводных переходов; ре-
конструкция существующей ЛС (обычно с целью использования
517
кабеля в более широком спектре частот и улучшения качества
работы ЛС), проведение мероприятий по защите кабеля, установ-
ка кабелей под постоянное газовое давление, ремонт и замена не-
исправных узлов кабельных изделий, ремонт гражданских соору-
жений КУ и НУП.
Аварийно-восстановительный ремонт осуществляется при пол-
ном прекращении работы линейного тракта одной и более систем
связи. Аварии на кабельных линиях связи устраняются силами
КУ и ремонтно-восстановительных бригад (РВБ), ТУСМ, ЭТУС.
При больших объемах восстановительных работ, вызванных сти-
хийными разрушениями, в устранении аварии принимают уча-
стие работники ОУП и СУС, а также сторонние организации.
Меры по ликвидации аварий принимаются немедленно, про-
водятся непрерывно независимо от времени суток, условий пого-
ды и других факторов в следующей последовательности:
после извещения об аварии бригады смежных КУ и РВБ
ТУСМ выезжают на место аварии;
организуется служебная связь с ОУП (МТС) из соседнего
НУП, одновременно определяется расстояние до места повреж-
дения кабеля, погрешность измерения не должна превышать од-
ну строительную длину кабеля;
при повреждении одного кабеля при двухкабельной системе
передачи часть систем переводится на работу по однокабельной
системе. При большом объеме ремонтно-восстановительных ра-
бот и наличии устройств однокабельной работы (УОР) обеспечи-
вается возможность осуществления связи по однокабельной сш
стеме без потери числа каналов связи и ухудшения качества свя*
зи [14]. Организация связи на время аварии обеспечивается также
путем устройства временных вставок гибким кабелем и при-
менения радиорелейных вставок;
после определения поврежденной строительной длины осуще-
ствляется внешний осмотр трассы на этой длине, а также вскры-
тие муфт, в которых оборудуются временные вставки;
определяется (путем внешнего осмотра или измерений) по-
врежденный участок трассы с возможно большей точностью,
вскрывается кабель, уточняется характер повреждения и в соот-
ветствии с технологическими картами осуществляется его ремонт;
в случае необходимости с разрешения ТЦУМС или главной
станции на кабеле оборудуется постоянная вставка.
После устранения аварии осуществляют контрольные измере-
ния параметров кабеля и линейных трактов. Возвращение с ли-
нии ремонтных бригад разрешается только после получения под-
тверждения головной станции о нормальной работе систем
связи.
Причины аварии, ход и эффективность ремонтно-восстанови-
тельных работ расследуются вышестоящими организациями. На
518
виновников аварии накладываются дисциплинарные взыскания, а
если виновниками аварии являются сторонние организации или
частные лица, то с них взыскивается часть нанесенного аварией
ущерба.
Реконструкция Л С сопряжена с необходимостью проведения
ремонтных работ, а также работ по переустройству ЛСС. Kqk
указывалось выше, основной целью реконструкции ЛС является
повышение мощности действующей магистрали путем замены
устаревшего оборудования новым, более производительным. Часто
реконструкция ЛС осуществляется с целью улучшения системы
технической эксплуатации, повышения надежности и качества
связи. В ряде случаев причиной реконструкции ЛС является не-
обходимость изменения трассы кабельной линии связи вследст-
вие нового строительства в районе залегания кабеля; изменения
трассы дорог, вдоль которых проложен кабель; засыпки кабеля
большими селевыми потоками и оползнями грунта и т. д.
Основной особенностью работ по перестройке трассы кабеля и
реконструкции кабельных магистралей является не только их
относительно большая длительность, но и необходимость обеспе-
чения устойчивой связи между оконечными и промежуточными
объектами, которые обслуживаются связью через данную КМ.
Для решения этой задачи в проекте реконструкции КМ наря-
ду с вопросами непосредственного проектирования рассматрива-
ются также вопросы изыскания методов проведения работ без
нарушения действующих связей. При поэтапном способе орга-
низации ремонтных работ возможно (при наличии радиорелей-
ных вставок или УОР) осуществление многих (или всех) работ
без закрытия связи на реконструируемой кабельной магистрали.
Возможно использование обходных направлений (подменных
трактов) для сокращения времени вышеуказанного простоя дей-
ствия связи.
10.6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА И ХАРАКТЕРА
ПОВРЕЖДЕНИИ ЛИНИЙ СВЯЗИ
В процессе эксплуатации линейных сооружений связи возника-
ет необходимость проведения измерительных работ.
Приемосдаточные измерения проводятся рабочими и Государ-
ственными комиссиями по приемке законченных строительством
ИЛ;И реконструкцией линий связи с целью проверки качества вы-
полненных работ и соответствия электрических параметров ЛСС
нормативным параметрам. В комплекс приемосдаточных электри-
ческих измерений входят измерения:
электрических параметров кабеля в полном объеме электри-
ческого паспорта;
519
электрических параметров и их частотных характеристик в
полном объеме электрических паспортов линейных трактов;
электрических параметров устройств защиты от внешних по-
мех ЛЭП, коррозии, грозовых разрядов;
рабочих и защитных заземлений;
глубины закопки кабеля.
Эксплуатационные электрические измерения принято [38]
разделять на профилактические, аварийные, контрольные и изме-
рения, проводимые в начальный период эксплуатации Л С.
Профилактические измерения выполняются с целью выявле-
ния и устранения возникших в процессе эксплуатации отклонений
электрических параметров ЛСС от установленных норм. Програм-
ма этих измерений в основном сходна с программой приемосда-
точных измерений. Особенное внимание при измерениях обраща-
ется на параметры данной линии связи, значения которых нс
удовлетворяют нормам. Методика и периодичность профилакти-
ческих измерений определяется соответствующими руководства-
ми и ГОСТ.
Аварийные измерения проводятся с целью определения харак-
тера и места повреждения или аварии кабельных линий. Вна-
чале определяются характер повреждения, затем устанавливают
район повреждения или аварии и находят место повреждения на
трассе. Основными требованиями к аварийным измерениям яв-
ляются высокая скорость определения характера аварии и точ-
ность определения места аварии. Решение этих двух задач позво-
ляет существенно сократить время восстановления связи. В слу-
чае необходимости поврежденное место кабеля вырезается л
оборудуется постоянная кабельная вставка.
Контрольные измерения проводятся после окончания ремонт-
ных и аварийных работ. При этом измеряются все параметры
(сопротивление, асимметрия, сопротивление изоляции и др.); пе-
реходное затухание и защищенность в симметричных кабелях; не-
однородность волнового сопротивления в коаксиальных кабелях.
Основные методы электрических измерений и принципы пост-
роения измерительных устройств изложены в[15, 29, 36... 38].
Рассмотрим методы измерения основных параметров передачи це-
пей, работающих в квазистационарном режиме, параметров вза-
имных влияний, а также методы определения мест повреждений
кабельных магистралей.
1. При определении места повреждения изоляции обычно поль-
зуются переносным кабельным прибором ПКП-3 [29, 37]. Если
на данной линии есть исправный провод, применяют мостовые ме-
тоды с переменным и постоянным отношением плеч.
Измерения мостом с переменным отошением плеч проводят по
схеме, представленной на рис. 10.1, а. При равновесии моста име-
ем —Отсюда сопротивление поврежденного
520
Рис. 10.1. Определение места повреждения при измерении:
а) по методу моста с пер сменным отношением плеч; б) по методу моста с постоянным от-
ношением плеч
провода от места измерения до места повреждения Rx~r2R/ (ri +
4-г2), где А!~£ч+^2 — сопротивление цепи, составленной из ис-
правного и поврежденного проводов.
Если сопротивления исправного и поврежденного проводов
одинаковы (Ri — R?), по, зная сопротивление цепи R и длину ли-
нии Е, по сопротивлению /?Л- определяют расстояние до места
повреждения;
1Х — 2Lr2f (г i-pr?).
(Ю.1)
Измерения по методу моста с постоянным отношением плен
проводятся по схеме, изображенной на рис. 10.1,6 (ключ К в по-
ложении 1). Установив нужное соотношение плеч rjr2 = n, изме-
нением третьего плеча г3 добиваются равновесия моста. При
этом (гз+^х) = r2 (/?i+^2 — Rx), откуда
Rx = (/? — лгз)/(1 +n). (10.2)
Сопротивление = может быть измерено этим же при-
бором (ключ К в положении 2). При Ri=R2 расстояние до ме-
ста повреждения по сопротивлению Rx определяется так;
/Л- = 2£ (/? — /zr3) /R (1 + п), (10.3)
При п=== 1 имеем
L (R nr^/R. (10.4)
2. Определение места обрыва жил кабеля может осуществ-
ляться по результатам измерения электрической емкости. При оп-
ределении места обрыва сравнивают емкость оборванного провода
Сх с емкостью исправного Q, а расстояние до места поврежде-
ния находят по формуле lx = LCx/Ci. Провода соседних цепей в
момент измерения заземляются. Измерения емкости производят
постоянным током мостовым или баллистическим методом (рис.
10.2,6 и 10.2, в).
521
Рис. 50.2. Схема измерений при
определении места обрыва жил:
<;) на переменном токе; б) на постоян-
ном токе; в) баллистический метод
Рис. 10.3. Упрошенная схема изме-
рителя емкостной связи
Измерения на переменном токе мостовым методом проводят по
схеме, изображенной на рис. 10.2, а. Из условия равновесия моста
имеем Ti/itoCx —T2/i<o(C] + C2)? откуда
lx^2LrJ (ri —j— r2) •
(10.5)
3. Измерение емкостных связей и асимметрия выполняется с
помощью комплекта ИЕА (измерителя емкостной асимметрии)
[28, 37].
Основной частью комплекта ИЕА является мост переменного
тока, схема которого может изменяться в зависимости от измеряе*
мой емкостной связи между цепями (йд k2\ £3) и емкостной асим-
метрии цепей относительно земли (в], е2, е3) с помощью специаль-
ного курбеля. Измерения производятся в диапазоне частот 0,8...
... 1 кГц. Пределы измерений: при нажатой кнопке — до ±50 пФ,
при отжатой — до ±250 пФ, а с дополнительными конденсатора-
ми— до ±2500 пФ.
На рис. 10.3 приведена упрощенная схема измерения емкост-
ной связи между цепями 1 и 2. Равновесие моста достигается
с помощью дифференциального воздушного конденсатора, шкала
которого проградуирована в пикофарадах. Для более точной на-
стройки моста в приборе предусмотрена возможность компенса-
ции фазовых сдвигов сигнала в линии, которая осуществляется
путем изменения потенциала статора дифференциального конден-
сатора. н
4. Измерение затухания цепей, а также переходных затуханий
цепей строительных длин на дальнем и ближнем концах кабеля <
522
Рис. 10.4. Схема измерения затухания методом:
с) измерения разности уровней; б) методом сравнения
и длинных линий производится методами: разности уровней, срав-
нения и панорамным.
Метод измерения разности уровней (рис. 10.4, а)
основан на использовании избирательных измерителей уровня
(ИИУ), включаемых на вход и выход измеряемой линии. При
измерении переходного затухания на ближнем конце линии изме-
ряемые цепи нагружаются на согласованную нагрузку. Значение
затухания цепи определяется разностью уровней измеряемых сиг-
налов. Измеритель уровня с высокоомным входным сопротивле-
нием включается вначале параллельно генератору (для измере-
ния уровня напряжения р10 (ш)), а затем — параллельно нагруз-
ке цепи, подверженной влиянию (для измерения уровня помехи —
P20n(w)). Величины Л0(со) и Л/(со), определяются ^разностью
этих уровней:
А о (СО ) = р 10 (w ) — р20п (со) 4“ 101g (ZB2/ZB1) ,
Al (о)) —p\l (to) — р2/п (со) + 101g (ZB2/ZB1) ,
(10.6)
(10.7)
где рю(со) и ри(со)—уровни напряжения в начале и конце
влияющей цепи при частоте со на нагрузке Z/2 = ZBl, дБ; р2оп(со),
Р2/п(со)—уровни помехи в конце цепи, подверженной влиянию
на нагрузке Z/2 = ZB2, дБ.
Основными недостатками метода является ограниченность ди-
намического диапазона измеряемых величин и большой объем
измерительных работ для определения частотных характеристик
затухания.
Метод сравнения (рис. 10.4,6) позволяет измерить зату-
хания «по точкам», т. е. на отдельных частотах. В случае измере-
ния переходных затуханий процесс измерения состоит в вырав-
нивании (в результате сравнения) показаний избирательного
индикатора напряжений (ИИН) при последовательном его подклю-
523
чении к цепи, подверженной влиянию, когда ко входу ИИН вклю-
чено напряжение помехи П2оп или и к выходу образцового
магазина затухания, когда к ИИН подключается напряжение
U1Q или Uu 10“°’05£Ч.з/,
где t/ю и Uи — напряжения сигнала на ближнем и дальнем конце
влияющей цепи, ам.з0 и a^i— затухание магазина затуханий
при измерении Л0(со) и X/(со) соответственно. Изменяя значения
ам.зо или Дм.з? добиваются одинаковых показаний ИИН, при ко-
торого H20n(to) = С/ю(со) Ю“°’О5а?л.зо или U<ziv (to) = Uy (со)
При этом ям,3 измеряется в децибелах.
Из полученных равенств следует, что
Al (со) = Ям.з/ и Ло(й))=йм.зО-
Основными недостатками метода является увеличение числа
измерений по сравнению с методом измерения уровней, по мень-
шей мере, в 2 раза, что приводит к низкой производительности
измерительных работ.
Панорамный метод измерений частотных характе-
ристик затуханий позволяет получать частотную характеристику
затухания при непрерывном изменении частоты. Принцип метода
поясняется на упрощенной структурной схеме измерения частот-
ной характеристики переходного затухания на дальнем конце ли-
нии (рис. 10.5, а).
Измерительные сигналы генератора качающейся частоты
(ГКЧ) Пгкч изменяются во времени по закону
С/гкч — t/0 sin [2r (fc д- kt) t <рогкч]
(10.8)
при пТ0</< (ft+l)To—/п. где То— период посылок ГКЧ, f0 —
начальная частота, k— скорость изменения частоты, /п— длитель-
ность паузы между посылками, п — номер посылки.
На рис. 10.5,6 показан график напряжения ГКЧ, который
представляет собой посылки напряжений постоянной амплитуды
(По) и линейно-изменяющейся со скоростью k частоты в преде-
лах И ... fpmax. Посылки следуют с периодом То и разделяются
паузой /п. Влияющая цепь включается на вход Л1 панорамного
измерителя (ПИ), а цепь, подверженная влиянию, — на вход
Л11. Для одновременного наблюдения на экране электронно-лу-
чевой трубки (ЭЛТ) ПИ сигнала Uu (со) помехи П2/п(со) во вход-
ных каскадах производится выравнивание амплитуд этих напря-
жений. Напряжение влияющей цепи Пн (со) с помощью делителя
напряжения ДН ослабляется на ад.н, дБ, а напряжение H2/n(to)
усиливается в усилителе (S) на Зу, дБ. Подключение измеряе-
мых напряжений к измерительному каналу производится с по-
мощью электронного коммутатора ЭК, который поочередно под-
524
ли
s)
Рис. 10.5. Панорамный метод измерения
частотных характеристик затухания:
а) схема измерения; б) график напряжения ГКЧ
ключает напряжение [Ун (со) 10 0,0^х.^контрольного канала» (КК)
(рис. 10.5,а), или напряжение помехи Л72/П(со) 100,0о5з’ — рабочего
канала (РК). Эти сигналы поступают на измерительный канал,
который состоит из усилителя переменного тока, детектора и
усилителя постоянного тока. Переключение каналов происходит
в моменты пауз между посылками. Измеряемое напряжение по-
дается на вертикально отклоняющие пластины, вызывая откло-
нение электронного луча по оси у, проградуированной в децибе-
лах. С изменением частоты ГКЧ от /0 до [Ртах напряжение Бц((о)Х
X 10-0’0опд-и уменьшается вследствие увеличения затухания линии
(U\i (со) = Сдо!0~°’05/аы))). Кривая напряжения £/2/п (<о) изменяет-
ся в соответствии с зависимостью £У2ы (юо+2л&/).
Величина измеряемого переходного затухания на частоте ъ)
А / (о)) =Пд.и~(~5уЧ- [рк.к (о) —Рр.к (со) ] ,
(10.9)
где ад.н и Sy — соответственно затухание делителя напряжения
и усиление входного усилителя, дБ, устанавливаемые вручную;
рк.к(ш) и рР.к((о)—уровни напряжения контрольного и рабочего
каналов на частоте со, отсчитываемые на экране ЭЛТ панорам-
ного измерителя переходного затухания, дБ.
Изложенный метод в несколько раз повышает производитель-
ность работ по измерению частотных характеристик затуханий
по сравнению с методами измерения на отдельных частотах.
5. Измерения передаточных функций цепей (ПФЦ) и взаим-
ных помех (ПФВП) позволяют получить наиболее полную ха-
525
рактеристику измеряемой системы. Измерение этих функций осу-
ществляется либо на отдельных частотах («по точкам») с опре-
деленным шагом дискретизации, либо панорамным способом, при
плавном изменении -частоты. Измерение ПФВП «по точкам» мож-
но производить различными приборами [38]. Панорамный метод
измерения ПФВП использован в приборе измерителя комплекс-
ных связей ИКС-600, предназначенном для измерения ПФВП
Ло(1(о) и Л/(1со) в диапазоне 20 ... 600 кГц. Прибор можно так-
же использовать и для измерения частотных характеристик ко-
эффициента передачи четырехполюсников и линий связи.
Подключение линий связи к прибору ИКС-600 производится
по схеме, аналогичной рис. 10.5,а.
Отсчет результатов измерения частотной характеристики
ПФВП удобнее вести в логарифмическом масштабе. Используя
зависимость между £Рез(1со) и Д(1со) [см. (6.39) и (6.40)], по-
лучим
z (jСО) = { (Яд.н + Sy) + (со) —р21п (со) ]} X
Хехр i [ф2/п (со) —ср 1Z (со) ],
(10.10)
где Пд.н и Sy — затухание входного делителя напряжения и уси-
лителя, дБ; рн(со)—Pztn (со) — разность уровней влияющего сиг-
нала и помехи на частоте шгкч, отсчитываемая на экране
ИКС-600, дБ; ф2/п(со)—фн(со)—фазовый сдвиг между напряже-
ниями U\t И ОХп-
<§) ю
Рис. 10.6. Поиск трассы кабеля и глубины его заложения:
а) включение генератора в жилы кабеля; б) поиск трассы кабеленскателем; в) определение
глубины заложения кабеля; / — заземлитель; J? — генератор; 3 — кабелеискатель; ^—катуш-
ка кабелеискателя
526
Рис. 10.7. Схема испытаний электрической
прочности изоляции напряжением
6. Определение трассы кабеля и глубины его заложения про-
изводится кабеленскателем. В состав любого искателя входят
приборы: генератор и искатель. Наибольшее применение получил
искатель ИП-7. Схема соединения генератора и кабеля показана
на рис. 10.6,а. Определение трассы ведется индуктивным методом
по схеме рис. 10.6,6. Оператор движется вдоль трассы с искате-
лем и включенным головным телефоном. В положении 1 катушки
на искателе поиск ведется по максимальному звуку в телефоне,
а в положении 2— по минимальному.
Глубина залегания кабеля определяется по схеме рис. 10.6,в.
Передвигая искатель перпендикулярно трассе, находят место,
где звук будет максимальным. Расстояние от центра катушки до
линии трассы (на рисунке линия А—Б) соответствует глубине
залегания кабеля.
7. Место повреждения пластмассового шланга, расположенно-
го поверх металлической оболочки кабеля, находится с помощью
искателя ИМПИ-2, содержащего генератор, индикатор импуль-
сов, штырь кабелеискателя, контактный штырь, заземлитель и
катушки. Генератор, дающий редкие импульсы с частотой сле-
дования- 0,5 Гц, включается в металлическую оболочку кабеля
и землю. Оператор движется по трассе кабеля с контактным шты-
рем и индикатором импульсов и определяет место повреждения
шланга. Точность определения места ±20 см.
8. Место понижения электрической прочности изоляции кабе-
ля обычно определяют высоковольтным мостом (ВВМ). Послед-
ний имеет на выходе ОВых (см. рис. 10.7) постоянное напряже-
ние 4 ... 5 кВ, что позволяет осуществлять пробой изоляции ка-
беля в месте с пониженной электрической прочностью.
Для ограничения передаваемой в кабель мощности приме-
няется контур RC. Емкость конденсатора 0,1 ... 0,25 мкФ, со-
противление резистора подбирается таким образом, чтобы период
заряда конденсатора находился в пределах 2 ... 5 с.
При испытании электрической прочности изоляции коаксиаль-
ной пары к точкам 1 и 2 подключают ее внутренний и внешний
527
/ Зондируют,.
импульс
/ Зендирующ.
импульс
I Отраженный
\ импульс
\ Отраженный
\ импульс
Рис. 10.8. Расположение импульсов на эк-
ране осциллографа
проводники. В случае испытания
симметричных кабелей к одному
полюсу подключают пучок соеди-
ненных между собой жил, а к дру-
гому — заземленную оболочку ка-
беля. Определение места пробоя
с помощью ВВМ. известно как мостовой метод или метод Муррея.
Балансировка моста производится дискретно, в момент про-
боя изоляции. Погрешность определения расстояния до места
повреждения высоковольтным мостом примерно 2 % На усили-
тельном участке кабельной магистрали сначала определяется
дефектная строительная длина, а затем-— место пробоя на строи-
тельной длине. После отрытия котлована место пробоя уточ-
няется с помощью искателя места пробоя (ИП), включенного
на входе усилителя тональной частоты. На выходе усилителя
включен индикатор, стрелочный прибор и головной телефон. По-
грешность определения места повреждения с помощью ИП —
примерно 5 %.
9. Определение мест повреждения кабелей импульсными мето-
дами осуществляется с помощью импульсных приборов Р-5. Им-
пульсный метод основан на использовании явления отражения
электромагнитных волн от места изменения волнового сопро-
тивления (обрыв, короткое замыкание, плохой контакт, смятие
внешнего проводника коаксиальной пары, место перепутанных
жил кабеля и др.).
Зная скорость распространения электромагнитной энергии д
и время t с момента посылки импульса и возвращения его об-
эатно, определяют расстояние до места повреждения: 2lx^vt.
Направление выброса на импульсной характеристике позволяет
судить о характере повреждения: направление, совпадающее с
зондирующим импульсом (рис. 10.8,д), соответствует увеличению
сопротивления (обрыву, асимметрии); выброс импульса противо-
положного направления (рис. 10.8,6) соответствует повреждению,
связанному с понижением сопротивления (пониженная изоляция,
короткое замыкание).
Преимущества импульсного метода заключается в возможно-
сти его использования на оптических кабелях, высокой скорости
измерения, определении функции распределения неоднородности
по длине линии, непосредственном отсчете результата на экране
прибора или на цифровом индикаторе. Существенный недостаток
этого метода — его слабая чувствительность к понижению со-
противления изоляции кабеля, так как даже значительно пони-
женная по сравнению с нормами величина сопротивления изо-
ляции не изменяет волнового сопротивления линии.
528
10.7. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ‘
Оптические кабели (ОК) предназначены для применения на
обычных сетях связи, поэтому условия их эксплуатации долж-
ны в основном удовлетворять общепринятым принципам экс-
плуатации линий связи. Вместе с тем особенности оптических
кабелей, в которых электромагнитная энергия распространяется
по оптическим волокнам (ОВ), обусловливает своеобразие ме-
тодов измерения и контроля их параметров.
Измерение затухания ОК и световодных ли-
ний связи является одним из основных видов эксплуатацион-
ных измерений. Важность измерения затухания и уровней сиг-
налов в ОК определяется тем, что в ОК наличие световодного
тракта или «контакта» можно проверить только путем измере-
ния уровня сигнала. При эксплуатации СЛС измеряются уровни
и затухание световых сигналов для контроля за их прохожде-
нием по ОВ и качеством сростков ОВ в основном используют-
ся два метода: метод обратного рассеяния и ме-
тод измерения уровней мощности сигнала на входе и
выходе ОК, называемый иногда «методом измерения разности
°)
рис. 10.9. Измерение затухания оптических волокон методом обратного рассея-
ния:
а) схема измерения; б) осциллограмма мощности обратного рассеяния; в) осциллограмма
френелевских отражений оптического волокна
529
уровней». Метод обратного рассеяния применяется для измере-
ния собственного затухания строительных длин ОК или корот-
ких отрезков СЛС, а метод измерения разности уровней — в
основном для определения затухания регенерационных участков
СЛС или переходных затуханий между световодами ОК.
Особенность измерения затухания ОК заключается в необ-
ходимости соблюдения примерного равенства ширины полос из-
лучения светодиода (СД) или полупроводникового лазера (ПЛ)
в режиме измерения затухания и в рабочем режиме. Несовпа-
дение этого параметра может привести к большему различию
измеренного значения затухания и его значения в эксплуатаци-
онном режиме.
Схема измерения затухания методом обратного рассеяния по-
казана на рис. 10.95а. В основе метода положено измерение мощ-
ности светового потока обратного рассеяния, обусловленного рас-
сеяния Рэлея и Френеля (см. гл. 5). Потери мощности, обуслов-
ленные рассеянием Рэлея определяются формулой (5.97). Фре-
нелевские отражения возникают в локальных неоднородностях.
Регистрируя уровень рэлеевского рассеяния светового потока,
движущегося в направлении, обратном направлению распростра-
нения возбуждающего сигнала, можно определить не только за-
тухание оптического сигнала, но и функцию его распределения
по длине линии, а также потери в местах локальных неоднород-
ностей, например в точках соединения строительных длин ОК-
При измерении по этому методу в кабель вводится световой
импульс малой длительности. Вначале в схеме накачки (СН) вы
рабатывается электрический импульс, который запускает полупро-
водниковый лазер, генерирующий короткий световой импульс.
Этот импульс через ответвитель подается в измеряемое оптиче-
ское волокно. По мере его прохождения по линии мощность сиг-
нала Рс(х) уменьшается вследствие затухания:
(10.12)
где а(х) — затухание сигнала от начала линии до точки х; Рс(0) —
мощность сигнала в начале линии.
Сигнал обратного рассеяния через оптический ответвитель по-
ступает в оптический приемник (ПР) и затем на измерительное
устройство (осциллограф). Мощность сигнала обратного рассея-
ния может быть выражена функцией:
Рсобр(х)=Рос(0)10-^Ч
(10.13)
Среднее значение собственного затухания ОВ между точка-
ми ли и х? найдем по перепаду кривой зависимости мощности
обратного рассеяния от х (рис. 10.9,6) по формуле, дБ/км:
« (хг — xj =-----— 51g JP^, (xJ/P^ (x2)].
X2 — Aj
(10.14)
530
Рис. 10.Г0. Схема изме-
рения затухания опти-
ческого кабеля методом
разности уровней
Генератор
опта ческих
сигналов
Измеритель
уровня
роти чески х
Сигналов
Этот метод позволяет также обнаружить распределение ло-
кальных неоднородностей по длине ОК, которые вызывают по-
явление выбросов на кривой распределения мощности обратного
рассеяния от длины линии (рис. 10.9,6). В режиме измерения
распределения неоднородностей и места обрыва ОВ осциллограм-
ма кривой распределения мощности обратного рассеяния диф-
ференцируется в точке, соответствующей двойному времени про-
хождения сигнала от канала линии до места обрыва ОВ, на-
блюдается всплеск амплитуды мощности отраженного сигнала
и затем резкое падение мощности отраженного светового пото-
ка до нуля (рис. 10.9,в).
Основными недостатками этого метода измерения затухания
является низкая точность .и малый динамический диапазон из-
меряемых затуханий. Достоинствами метода являются: возмож-
ность измерения собственного затухания ОВ при подключении
к измеряемому ОВ только с одной (входной) его стороны, вы-
сокая скорость измерения, определение функции распределения
потерь по длине ОВ.
Схема измерения разности уровней сигна-
лов на входе и выходе световода представлена на рис. 10.10.
Уровень мощности сигнала, в дБ/м, на входе ОВ обозначен ро,
а на выходе линии длиной /—pi. Метод измерения разности уров-
ней сигнала позволяет измерять вносимое затухание
ОВ, дБ,
авн=Ро—рг (10.15)
При эксплуатационных измерениях затухания световодов ре-
генерационных участков практически интересуются именно вно-
симым затуханием, при котором кроме затухания сигнала в ли-
нии необходимо учитывать потери энергии сигналов на входах
как ОВ, так и фотоприемника.
Особенность представленной на рис. 10.10 схемы измерения
затухания оптических трактов состоит в том, что измерительные
сигналы (ИС) представляют собой последовательность оптиче-
ских импульсов прямоугольной формы с частотой следования
3409 Гц, скважностью 2 и мощностью 1 ... 0,5 мВт. Такой ИС
позволяет при определении авн перейти от измерения абсолют-
531
Рис. 10.il. Измерение дисперсии оптичес-
ких кабелей:
а) схема измерения; б) формы световых сиг-
налов на входе и выходе оптического волок-
на
них уровней мощности ИС к измерению амплитуды его первой
гармоники, что обеспечивает:
возможность измерения очень малых уровней сигналов в при-
емнике за счет применения узкополосных усилителей промежу-
точной частоты;
уменьшение уровня шумов путем очень узкой полосы пропу-
скания усилителя промежуточной частоты (5 ... 6 Гц);
исключение влияния сторонних и фоновых засветок фотопри-
<емника на результаты измерения.
Подобные измерители затухания оптических линий имеют ди-
намический диапазон 65 ... 70 дБм при погрешности измерений
... 0,5 дБ.
Измерение дисперсии и широкопол ос ноет и
оптических кабелей также является одним из основных
видов эксплуатационных измерений. Уширение световых им-
пульсных сигналов измеряется различными методами. В эксплуа-
тационной практике наибольшее распространение получили ме
тод непосредственного измерения ширины световых импульсов
на входе и выходе измеряемого ОК (рис. 10.11,а) на уровне
(рис. 10.11,6) и метод измерения широкополосное™ ОК-
АТ7, при которой Рвых(0)—Рвых(Г)=3 дБ, где РВых(0) и
Рвых(Г) —уровни сигналов на выходе ОК, дБм.
С помощью измерителей входных и выходных импульсов из-
меряется длительность импульсов, определяемых на уровне 0,1 ...
... 0,05 амплитудного значения /и БХ и t иных (рис. 10.11,6).:
= вых вх- ( 10.16)
Длительность импульсов обычно фиксируется на экране элек-
тронного (стробоскопического) осциллографа. Основное требо-
532
ванне к измерителям выходных импульсов состоит в достаточ-
ном быстродействии (широкополосности) всех блоков измери-
тельного устройства (ИУ). Кроме того, полоса излучения источ-
ника световых сигналов ДА должна быть -известна и достаточно
стабильна во времени, так как дисперсия ОВ зависит не только
от формы импульса, но и от ширины спектра (полосы излучений)
светового сигнала.
Для сопоставления результатов измерений дисперсии ОВ
(уширения импульсов), получаемых при различных условиях из-
мерений, их значения нормируют путем приведения измеренной
величины /уш к единице длины ОК, км, и единице полосы излу-
чения полупроводникового лазера ДХ, нм; с/км-нм:
туш=/уш//ДХ. (10.17)
Часто дисперсию ОВ характеризуют величиной, обратной
туШ, называемой ш и р о к о п о л о с н о с т ь ю ОВ и определяе-
мой выражением, Гц, км-нм:
А Гш— 1 /туш-
(10.18)
Пользуясь известным значением ДГШ и зная полосу излучения
ПЛ (или светодиода) ДХ, можно определить пропускную способ-
ность ОВ, Гц - км.
&F^=^FW/&L
(10.19)
Значение ДГпр позволяет при заданных параметрах системы
передачи и допустимых значениях уширения импульсов найти
длину регенерационного участка ОК-
10.8. НАДЕЖНОСТЬ КАБЕЛЬНЫХ
МАГИСТРАЛЕЙ
Эксплуатация КМ длится в течение десятилетий, поэтому
даже незначительное повышение ее эффективности приводит в
конечном итоге к существенному улучшению технико-экономиче-
ских показателей работы сетей связи в целом.
Одним из основных параметров СТЭКМ является надежность.
В теории надежности кабельных линий связи приняты следую-
щие термины и определения:
надежность — свойство кабельной линии обеспечивать воз-
можность передачи требуемой информации с заданным качест-
вом в течение определенного промежутка времени;
отказ — повреждение на КМ с перерывом связи по одному,
множеству или по всем каналам связи;
неисправность — повреждение, не вызывающее закрытия свя-
зи, характеризуемое состоянием линии, при котором значения од-
ного или нескольких параметров не удовлетворяют заданным
нормам;
533
среднее время между отказами Тб (наработка на отказ) —
среднее время между отказами, выраженное в часах;
среднее время восстановления связей h — среднее время пе-
рерыва связи;
интенсивность (плотность) отказов Л — среднее число отказов
в единицу времени (час) на 1 км трассы линии;
вероятность безотказной работы Р(/) — вероятность того, что
в заданный интервал на линии не возникнет отказа;
коэффициент готовности К?—вероятность нахождения линии
в исправном состоянии в произвольно выбранный момент вре-
мени.
Вышеуказанные (и некоторые другие) параметры надежно-
сти КМ и СТЭКМ определяются в результате обработки стати-
стических данных (обычно довольно большого объема выборки)
по различным независимым или определенным образом связан-
ным друг с другом параметрам.
Отказы и неисправности КМ, характеризуемые ее надежно-
стью (в дальнейшем для краткости будем говорить только об
отказах), могут возникнуть в любой момент, образуя случайный
процесс — поток отказов.
Одним из основных параметров оценки качества работы КМ
является плотность повреждений (плотность отказов), приходя-
щихся на 100 км трассы в год для двухкабельной или однокабель-
ной системы передачи:
n^lQQN/КЦ (10.20)
где N — число отказов на магистрали связи длиной L за К лет.
Значение п может определяться раздельно для различных
видов отказов, возникающих на КМ; это необходимо для опре-
деления параметров надежности тех или иных подсистем служб
эксплуатации КМ.
Интенсивность или средняя плотность отказов на 1 км трас-
сы КМ в час связана с плотностью повреждений следующим со-
отношением:
Х=п! 100X8760, (10.21)
где 8760 —число часов в году; 100 —длина трассы, км, при ко-
торой определяется значение п. Значения интенсивности отказов
на отдельных участках магистрали могут существенно разли-
чаться в зависимости от условий эксплуатации КМ на этих участ-
ках. Кроме того, существует также зависимость Л от времени
года.
Для однотипной КМ протяженностью L при постоянных усло-
виях эксплуатации интенсивность потока отказов
Л=Л£=п£/8760ХЮ0. (10.22)
534
Для КМ, состоящей из ^участков с различными интенсивно-
стями отказов Al, А2, • • А/, • • Ап, интенсивность потока от-
казов
п
1 = 1
Коэффициент готовности'
Л’г-Тб/(Тб + ?в) = (Г-/вп)/Д
(10.23)
где = (8760• 100—nUi^/nL — наработка на отказ (10.24);
ZB — среднее время восстановления связей., 7 —время наблюдения;
Zan — время повреждения.
Вероятность безотказной работы КМ за время P(Z) опреде-
ляется, как показывают экспериментальные исследования, пока-
зательной функцией
Р(/)=е-х‘. (10.25)
Отсюда получим, что плотность распределения этой величины
подчиняется закону Пуассона:
(10.26)
Отказы на КМ могут возникать по разным причинам. Ниже
приводятся средние статистические данные распределения при-
чин повреждений кабельных линий связи (в процентах от об-
щего числа повреждений).
Механические повреждения от земляных работ сторонних организаций 60,8
Ошибки производства, строительства и эксплуатации..................9,2
Гроза.................................................................17,3
Перемещение грунта в результате землетрясения, обвала, селя, вибрации 7,2
Мерзлотные ’ явления.................................................4,4
Прочие причины..................................................... . .1,1
Процесс устранения отказов на КМ характеризуется средним
временем восстановления, которое складывается из среднего вре-
мени: обнаружения неисправности ?о, определения характера и
места повреждения /ИЭм; ремонта /р. В случае повреждения ка-
бельных линий или НУП к этим составляющим добавляется еще
время, необходимое для прибытия аварийной бригады — GP на
место повреждения линии.
Таким образом,
/в=?о+^Р+?нзм + ?тР. (10.27)
Уравнение (10.22) позволяет определить пути уменьшения вре-
мени восстановления повреждений кабелей связи и КМ. Для КМ
время восстановления обычно много меньше времени безотказ-
ной работы То, т. е.
Т6»гз. (10.28)
535
Таблица 10.!
Район СССР . х, Ч-- Тб-Ю*, ч 'в-4 Ц.-10'1, ч'1
Европейская часть 8,22-10-6 12,16 4,74 2,11
Сибирь, Крайний Север 9,78-10“s 10,22 6,62 1,51
Средняя Азия 12,95-10-6 7,7'2 6,37 1,57
Из (10.27), (10.23) и (10.28) следует, что при Тб-Нв~Тб ин-
тенсивность потока отказов
л 1/Тб (10.29)
и что восстановление исправного состояния КМ происходит в те-
чение случайного времени К, распределенного по показательному
закону с параметром р= 1 /tB
ф(/)=ме-^. (10.30)
Параметр р иногда называют производительностью подси-
стемы восстановления работы кабельных магистралей, так как
он равен числу устраняемых отказов в единицу времени.
В качестве примера в табл. 10.1 приведены средние значения
параметров к, Те, /в и ц для кабельных линий связи длиной
100 км.
Действительные значения указанных параметров могут суще-
ственно отличаться от их средних значений в результате воздей-
ствия климатических и геологических условий местности про-
кладки КЛС, хозяйственной активности человека в районах трас-
сы КЛС, качества строительства КЛС, глубины заложения ка-
беля, методов организации СТЭКМ, степени ее автоматизации
и технического совершенства. Поэтому кроме средних значений
параметров надежности КМ на практике часто используются
параметры надежности, характерные для местных условий
СТЭКМ. Получение этих статистических данных, характеризую-
щих л, Тб и Д, сопряжено с определенными трудностями, объ-
ясняющимися тем обстоятельством, что многие сложные для
исследования параметры КМ измеряются весьма редко, так как
их отклонения от требуемых норм часто не вызывают резкого
ухудшения качества связи.
В качестве некоторых примеров подобных неисправностей
ЛСС можно указать на: нарушение герметичности оболочки ка-
беля, что приводит к утечке газа; снижение взаимной защищен-
ности между трактами или отдельными каналами ТЧ; увеличе-
ние уровня шумов в каналах ТЧ от радиостанций и других ис-
точников шума; появление кратковременных перерывов связи.
536
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем состоят основные задачи системы эксплуатации линейных сооружений
связи?
2. Методы контроля за техническим состоянием КЛС.'
3. Техническое обслуживание и профилактика ЛСС.
4. Ремонт и реконструкция ЛСС.
5. Какие основные способы электрических измерений применяются при опреде-
лении мест кабельных повреждений?
6. Перечислите основные факторы, влияющие на надежность кабельных линий
связи.
7. Способы измерений параметров взаимных влияний.
8. Назовите количественные характеристики для оценки надежности кабельных
линий связи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1, Гроднев И. И., Фролов П. А. Коаксиальные кабели связи. — М.: Связь.
1980.—208 с.
2. Белоруссов Н. И., Гроднев И. И. Радиочастотные кабели. — М.: Энергия,
1973.—328 с.
3. Ефимов И. Е.т Шермина Г. А. Радиочастотные линии передачи. — М.:
Связь, 1977.—408 с.
4. Ефимов И. Е., Шермина Г. А. Волноводные линии передачи.—Мл Связь,
1979.—232 с.
5. Левинов К. Г. Воздушные линии связи и радиотрансляционных сетей.—
Мл Связь, 1972.—320 с.
6. Шарле Д. Л. По всему земному шару. — М.: Радио и связь, 1986,—320 с.
7. Гроднев И. И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне ча-
стот.—М.: Связь, 1972.—412 с.
8. Гроднев И. И., Шварцман В. О. Теория направляющих систем связи.—М.;
Связь, 1978.—296 с.
9. /Михайлов М. И., Разумов Л. Д., Соколов С. А. Защита кабельных линий
связи от опасных и мешающих влияний.—Мд Связь, 1978.—264 с.
10. Дубровский Е. П., Мижерицкий Г. Ш., Шарле Д. Л. Городские кабельные
линии связи.—Мд Связь, 1979.—296 с.
11. Коршунов В. Н., Шитов В. В., Моряков Р. С. Оптические кабели связи.—
Мл Связь, 1980.
12. Андрушко Л. М., Гроднев И. И., Панфилов И. П. Волоконно-оптические ли-
нии связи.—Мл Радио и связь, 1985.—136 с.
13. Гроднев И. И., Ларин Ю. Т., Теумин И. И. Оптические кабели.—М.: Энер-
гоиздат, 1985.—174 с.
14, Верник С, М., Кочановский Л. Н. Оптимизация линейных сооружений свя-
зи.—Мл Радио и связь, 1984.—135 с.
15. Верник С. М., Кашутин А. А. Взаимные влияния между линейными трак-
тами кабельных магистралей.—М.: Связь, 1979.—118 с.
16. Гальперович Д. Я* Сверхпроводящие кабели связи.—Мл Радио 4 и связь,
1986.—88 с.
17. Андреев В. А. Временные характеристики кабельных линий связи.—Мд Ра-
дио и связь, 1986.—104 с.
18. Основные проектирования сооружений связи/ Ш. Галилин. Л. М. Гольден-
берг, А. И. Овсянников и др.—М.: Радио и связь, 1981.—168 с.
537
19. Семенов Н. А. Техническая электродинамика.—Мл Связь, 1973.
20. Теумин И. И. Волноводы оптической связи,—Мл Связь, 1978.
21. Давыдов Г. Б., Рогинский В. Н., Толчан А. Я- Сети электросвязи.—Мл.
Связь, 1977.
22. Никольский К. К. Коррозия и защита от нее подземных металлических со-
оружений связи.—Мл Радио и связь, 1984.—208 с.
23. Брискер А. С., Руга А. Д., Шарле Д. Л. Городские телефонные кабели.—
Мл Радио и связь, 1984.—304 с.
24. Данилов Ю. В., Мурдасов А. Б., Фуртинов Г. В. Применение ЭВМ при про-
ектировании ГТС.—Мл Связь, 1979.—112 с.
25. Фаеровяч Б. М. Повышение защищенности на участках ОУП—ОУП.—?Ал
Связь, 1976.
26. Цым А. Ю., Камалягин В. И. Междугородные симметричные кабели для
цифровых систем передачи,—Мл Радио и связь, 1984,—160 с.
27. Правила технической эксплуатации первичной сети связи системы Мини-
стерства связи СССР—Мл Связь, 1976,—90 с.
28. Дурнев В. Г., Стандрик В. Д, Основы построения систем передачи ЕАСС.—
Мл Радио и связь, 1985,—208 с.
29. Руководство по электрическим измерениям магистральной и зоновой сетей
связи,—Мл Связь, 1973.
30. ОСТ 45.1—70. Нормы электрические на смонтированные усилительные уча-
стки.
ЗЕ Правила техники безопасности при работах на кабельных линиях связи и
радиофикации.—Мл. Связь, 1969.
32. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации заземлений
в установках пооводной связи и радиотрансляционных узлов.—Мл Связь,
1971.
33. Руководство по защите подземных кабелей связи от ударов молнии.—Мл
Связь, 1975.
34. Руководство по проектированию и защите от коррозии подземных металли-
ческих сооружений связи.—М.; Связь, 1978.
35. Общая инструкция по строительству линейных сооружений ГТС.—Мл.
Связь, 1978.
36. Руководство по симметрированию кабелей связи в широком диапазоне ча-
стот.—Мл Связь, 1965.
37. Справочник строителя кабельных сооружений связи,—Мл Связь, 1977.
38. Кушнир Ф. В., Савенко В. Г., Верник С. М. Измерения в технике связи.—
Мл Связь, 1976.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Активное сопротивление 141, 144, 163
Аналоговые системы передачи Г2
Апертура числовая 192
Ближняя зона 117
Броневые покровы кабелей 47
— на конец ближний 256
--- — дальний 256
— непосредственные 244, 256
— радиостанций 355
-- через третьи цепи 260
— электрифицированного транспорта 344
Вектор Пойнтинга 96
Вихревые ток и 134, 157
Вл и я н и я в стро итель яых дл инах 265
— внешние 337
— высоковольтных линяй 342
- в кабелях коаксиальных 279, 282
------- оптических 283
—------ симметричных 251
— грозы 338
— косвенные 244
— между воздушными цепями 259, 262
Волна Нгч 224
— НЕ., 194, 200
“ Е»т. Ноп, 103, 199, 197
— вытекающая 202
— гибридная 197
— излучаемая 202
— н а п р а вл я е м а я 201
- отраженная 129, 192
— падающая 130, 192
—' преломленная 192
Волновод гибридный 228
538
— цельнометаллический 15, 228
- многомодовое 201
— ступенчатое 189
— одномодовое 200
Волоконно-оптическая линия связи 215
---- система передачи 215
Волновое сопротивление 122
— число 195, 186
Воздушные линии связи 81
Вторичные параметры 123, 127
Выбор шкафного района 432
Входное сопротивление 128, 131
Глубина проникновения поля 101, 135
Годограф связей 257, 268
Граничные условия 93
Громоотводы 362
Группирование кабелей 440
Дальная зона 117
Дальность связи 211
Двухпроводная система 178
.Децибел 124, 125
Диод 185
Дисперсия 206
— материальная 209
— волноводная 209
— модовая 209
Диэлектри ческа я проницаемость 89
ЕАСС 29
Емкость 145, !6о
Емкостная связь
253, 269
Зазе м л итс л и Зь7
Затухание 125, 203
— поглощения 203
— рабочее 129. 130
— рассеяния 204
— собственное 129
— экранирования 371, 377
Защита анодная 396
— дренажная 394
— катодная 395
— протекторная 396
— от взаимных влияний 28*9
----влияний ЦСП 328
---- высоковольтных линий 357
----грозы 363
----- коррозии 393
Измерен ис затухания 523
— помехозащищенности 522
— оптических кабелей 529
Индуктивность 142, 163
— внешняя 144
— внутренняя 144
Индуктивная связь 253, 269
Кабели связи городской 61
---зоновой 55, 57
— — магистральной 49, 53
---сельской 64
---- подводной 67
Квантовоэлектронный модуль 216
Классификация кабелей 31, 34
Компенсационный метод 325
Конструкции кабелей 48, 73
Косые лучи 193, 202
Коэффициент затухания 124
— отражения 191
— преломления 192
— распространения 123
— связи электрической, магнитной 253,
— фазы 124
Лазер 184
Л инейные материалы 82
Линия поверхностной волны 16
— связи 7, 10, 81
Лучевая оптика 190
Магнитная проницаемость 90
— связь 253, 259
Маркировка кабелей 31
Меридиональные лучи 193, 202
Механизация строительства 447
Микро и Макроизгнбы 205
Многоканальная связь 12
Многомодовая передача 201
Мода 191, 201
Монтаж кабелей электрическ их
— — речных 475
Мощность 96, 124
466—474
Нагрузка согласованная 127
— не согласованная 128
Надежность кабельных магистралей 533
Направляющие системы 14
Напряженность поля электрического 90
----магнитного 90, 132
Необсл уж иваемые ус ил ительные пунк-
ты 487
Неоднородные линии 127, 130, 153
Непер 125
Оболочк и кабелей связи 43
Одномодовая передача 200
Операторы скрещивания 308
Определение мест повреждений 519
Оптимальное соотношение параметров 173
Оптимизация эксплуатации 537
Оптический кабель 72, 77
Первичные параметры
Переходное затухание
це 256, 260
— — — дальнем конце
Поле магнитное 90
144, 146, 163,
на ближнем
256, 282
165
кон-
— потенциальное 89
— электрическое 91
Поверхностный эффект 133
Показатель преломления 189
Поперечное волновое число 195, 196
Поток обратный 131
— попутный 130
Поляризация 145
Построение сетей связи 25
Потери поглощения 203
— рассеяния 204
Предохранители 362
Пропускная способность 211
Проводимость изоляции 164
Прокладка кабеля 442—457
Проектирование междугородных
416, 425
— городских сетей 432
Пупиннзация 173, 176
сетей
Радиорелейные линии 8, 9
Радиолинии 8
Разрядники 359, 360
Рассеяние Рэлея 204
Регенерационный участок 211
Регенератор 217
Редукционный трансформатор 365
Режимы передачи электродинамический
111
----квазистационарный 112
----квазиоптическиЙ 114
Речные переходы 459
Светодиод 185
Сверхпроводимость 230
Сверхпроводящие кабели 235
Сети связи городские 24
53$
— — зоновые 23
---- магистральные
~— первичные и вторичные 23
— — радиальные 20
---- сельские 28
----: узловые 2!
Сердечник кабеля 42
Симметричный кабель 55, 156
Симметрирование ВЧ кабелей 315
— НЧ кабелей 304
Системы передачи 12, 14
— — цифровые 13, 14
— автоматизированного проектирования 412
Скрутка цепей 300
Скрещивание физическое 289
— электрическое 292
Скорость групповая 109
— фазовая 109
Скрутка пучковая и повивная 42
Содержание под давлением 493 *
Сопротивление 140, 144, 163
— связи 280
Спутниковые линии 9
Стадии проектирования 405
Температурная зависимость 170
Теория волновая 194
—лучевая 190
Теорема Умова-Пойнтияга 95
Техническая электродинамика 88, 97
Техника безопасности 506
Ток проводимости 92
— смещения 92
Тросовая защита 364
Уравнение Гельм гольца 93
— Максвелла 91
— однородной линии 120
Фотодиод 216
Функция Бесселя 141
— Ганкеля 196
Частотные характеристики 127, 147, 149, :70
Частота отсечки 193
Четырехпровод пая система 178, 182
Число мод 201
Шаг скрутки 43
— скрещивания 292
Эквивалентная глубина проникновения 101
Экранирование в волновом режиме 373
— поглощения и отражения 372
— электромагнитное 375
— электромагнитостатическое 373
Экраны магнитные и немагнитные 380
— многослойные 384
— однослойные 369
Электрические изменения 519
Электрическая связь 253, 269
Электромагнитное поле 89
Энергетические соотношения полей 95
Эффект близости 157
— перестановки 257
Эффективность скрещивания 297
Предисловие
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1.
СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
1,1. Краткий обзор развития линий связи ...........................
1.2. Виды линий связи и их основные свойства . ...................
1.3. Системы многоканальной передачи по ливням связи . . . . .
1.4. Направляющие системы передачи . . .......
1.5. Основные требования к линиям связи............................
Глава 2, построение сетей электросвязи..................................
2,1. Принципы построения сетей связи ..............................
2.2. .Магистральные и зоновые сети связи ..........................
2.3, Городские телефонные сети ....................................
2.4. Сети сельской телефонной связи и проводного вещання .
2.5. Единая автоматизированная сеть связи EACC.................
Глава 3. КОНСТРУКЦИИ и характеристики ЛИНИЙ СВЯЗИ .
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
КАБЕЛИ СВЯЗИ
5
7
Н
Н
18
20
20
22
24
20
29
3?
3.1. Классификация и маркировка кабелей
3.2. Проводники .........
3.3. Изоляция .........
3.4. Типы скруток в группы ......
3.5. Построение сердечника кабеля . . . .
3.6. Защитные оболочки . . . . . . .
3.7. Защитные бронепокровы ......
3.8. Междугородные коаксиальные кабели
3.9. Междугородные симметричные кабели
3.10. Зоновые (внутриобластные) кабели .
3. И. Городские телефонные кабели . . . .
3.12. Кабели сельской связи и проводного вещания
3.13. Подводные кабели , . . . . . .
31
36
40
42
43
<6
48
55
57
61
64
67
ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ СВЯЗИ
3.14. Классификация оптических кабелей связи
3.15. Оптические волокна и особенности их изготовления
3.16. Конструкции оптических кабелей ...
ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
3.17. Тиль: воздушных линий связи ............................
3.18. Основные линейные материалы ...................
3.19. Профили линий . . . ...........................
3.20. Типы и конструкции опор ................................
3.21. Электрические характеристики цепей воздушных линий связи
Глава 4.
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
4.1. Исходные положения , . . ...................
4.2. Природа электро.магнитяого поля ....................
4.3. Исходные уравнения электродинамики . . . . .
4.4. Граничные условия для векторов электромагнитного поля .
4.5, Энергетические соотношения электромагнитного поля ,
4.6. Режимы передачи по направляющим системам .
4.7. Электромагнитные процессы' в проводниках и диэлектриках
4.8. Типы и классы электромагнитных волн . . . . .
4.9. Уравнения электродинамики для различных типов волн .
4.10. Скорость распространения электромагнитных волн .
4.1 1. Исходные принципы расчета направляющих систем .
4.12, Квазистацнонарный и квазиоптический режимы передачи
4.13. Электромагнитное поле в ближней и дальней зонах .
4.14. Теория передачи по линиям связи . . . . . .
4.15. Свойства неоднородных линий . ...................
Глава 5. ТЕОРИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
КОАКСИАЛЬНЫЕ КАБЕЛИ.......................................
5.1. Электрические процессы в коаксиальных цепях
5.2. Электромагнитное поле коаксиальной цепи . . . .
5.3. Передача энергии по идеальной коаксиальной цепи .
72
74
77
81
81
82
85
87
87
88
88
89
90
93
95
97
100
102
104
108
ио
112
116
120
127
132
132
132
136
137
541
5.4. Передача энергии по коаксиальной цепи с учетом потерь в проводниках 139
5.5. Емкость и проводимость изоляции коаксиальных цепей .... 145
5.6. Вторичные параметры передачи коаксиальных цепей .....................148
5.7. Оптимальные соотношения диаметров проводников коаксиальной цепи , 150
5.8. Конструктивные неоднородности в коаксиальных кабелях.................153
СИММЕТРИЧНЫЕ КАБЕЛИ.......................................................156
5.9. Электрические процессы в симметричных цепях . ...... 156
5.10. Передача энергии по идеальной симметричной цепи . ..... 158
5.11. Передача энергии по симметричной цепи с учетом потерь .... 160
5.12. Емкость и проводимость изоляции симметричной цепи ..... 164
5.13. Параметры симметричных экранированных цепей ........................166
5.14. Параметры цепей воздушных линий связи ..............................169
5,15. Основные зависимости первичных параметров симметричных цепей . . 169
5.16, Вторичные параметры симметричных цепей . 170
КАБЕЛ И С ИСКУССТВЕННО УВЕЛИЧЕННОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ ... 172
537. Оптимальное соотношение параметров линий связи . ..... 172
5.18. Пупинизации кабелей связи . ............................... 171
5.19. Другие способы увеличения индуктивности кабелей................... 177
5.20. Принципы организации междугородной связи по кабельным линиям . . 179
ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ.........................................................182
5.21. Исходные положения . ......................................182
5.22. Принцип работы лазеров . . ..................184
5.23. Волоконные световоды и принцип их действия................. 18'
5.24. Лучевая теория передачи по световодам . ..................1 (’0
5.25. Волновая теория передачи по световодам . 194
5,26. Затухание световодов . . 203
5.27. Дисперсия и пропускная способность световодов ............... 206
5.28. Дальность связи и длина регенерационного участка ...... 211
5.29. Коэффициент фазы, волновое сопротивление и скорость передачи по
световодам . , . . .................................. 212
5.30. Оптические системы передачи . ..............................215
5.31. Области применения и эффективность оптических кабелей .... 217
5,32. Перспективы развития оптической связи...............................219
ВОЛНОВОДЫ . ............................................... . 222
5.33. Физические процессы, про исходящие в волноводах . . .... 222
5.34. Особенности волны Но* в цилиндрическом волноводе . ..... 224
5.35. Электрический расчет цилиндрических волноводов .....................225
5.36. Спиральные волноводы, их достоинства и недостатки . .... 228
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛИ....................................................23G
5.37. Сверхпроводники и диэлектрики при криогенных температурах . . . 230
5.38. Электрический расчет сверхпроводящих кабелей .......................232
5.39, Конструктивные и электрические характеристики сверхпроводящих ка-
бельных линий . . , . ...................................... 235-
5.40. Сравнение различных направляющих систем и перспективы их развития 237
Глава .6. ВЗАИМНЫЕ ВЛИЯНИЯ в ЛИНИЯХ СВЯЗИ ..... 241
6.1. Проблема электромагнитной совместимости в линиях связи . ... 241
6 2. Основные определения и методы исследования взаимных влияний . . . 243
6.3. Влияния в однородных симметричных линиях связи ......................251
6.4. Влияния между цепями воздушных линий связи ........................ 259*
6.5. Влияния между цепями симметричных кабельных линий связи . . . 263
6.6. Влияния в многокоаксиальных кабелях . . ....... 278
6.7. Влияния в оптических кабелях связи . 293
6.8. Нормы на параметрь! взаимных влияний ................................286
6,9. .Меры защиты цепей и трактов линий связи от взаимных влияний . . . 289
6.10. Защита цепей воздушных линий связи от взаимных влияний .... 290
6.11. Защита цепей симметричных кабельных линий связи от взаимных влия-
ний методом скрутки цепей . ..................................300
6.12. Симметрирование низкочастотных кабелей связи . . .... 304
6,13. Методика отбора цепей телефонных кабелей ГТС для высокочастотных
систем передачи . . . . . . . . ............. 311
6.14. Симметрирование высокочастотных магистральных кабелей .... 315
6.15. Компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках
ОУП - ОУП................................................................ 325
6.16. Защита от взаимных влияний трактов ЦСП и комбинированных систем
передачи (КСП) . . ......................................283
6.17. Защита коаксиальных цепей от взаимных влияний.......................323
6.18. Защита световодных трактов от взаимных помех .......................333
542
Глава 7. защита сооружений связи ОТ ВНЕШНИХ ВЛИЯНИЙ
И КОРРОЗИИ................................................................335
ТЕОРИЯ ВЛИЯНИЯ..............................................................335
7.1. Физическая сущность и источники электромагнитного влияния на цели связи 335
7.2. Виды н классификация внешних влияний ... ...... 336
7.3. Влияние атмосферного электричества . ......... 333
7.4. Влияние линий электропередачи 342
7.5. Влияние электрифицированных железных дорог . . ..... 344
7.6. Особенности влияния на воздушные и кабельные линии связи . 345
7.7. Нормы опасных и мешающих влияний . ....... 346
7.8. Расчет опасного электрического влияния . , ....... 348
7.9. Расчет опасного магнитного влияния . . 350
7.10. Расчет мешающих влияний . . ........................... 353
7.1'1 . Влияние радиостанций на линии связи . ........ 355
ЗАЩИТА СООРУЖЕНИИ СВЯЗИ.....................................................357
7.12. Меры защиты сооружений связи от внешних влияний ..... 357
7.13. Схемы защиты, разрядники и предохранители . . ..... 358
7.14. Каскадная защита и молниеотводы . . ........ 361
7.15. Защита от грозы кабельных линий . ..................... 362
7.16. Экранирующие тросы . . ........... 364
7.17. Редукционные трасформаторы . ............................... 365
7.18. Отсасывают не трансформаторы и контуры . ....... 366
7.19. Устройство заземлений . . ............................... 36/
ЭКРАНИРОВАНИЕ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ.................................................369
7.20. Применение экранов ... ......................................369
7.21. Принципы экранирования в широком диапазоне частот ..... 370
7.22. Электромагнитостатическое экранирование . . ...... 37.3
7.23. Электромагнитное экранирование . . .......................... 375
7.24. Волновой режим экранирования .......... 379
7.25. Принцип действия магнитных и немагнитных экранов .... 379
7.26. Сравнение экранов различных конструкций ............................ 381
7.27. Экранирующий эффект с учетом продольных токов .......................382
7.28. Экранирующие характеристики многослойных экранов ..... 384
КОРРОЗИЯ КАБЕЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК И МЕРЫ ЗАЩИТЫ...................................387
7.29. Виды коррозии . . . ..........................................387
7.30. Почвенная коррозия . . ......................................388
7.31. .Межкристаллитная коррозия . . . ....................... . 389
7.32. Электрическая коррозия . . . ..................................390
7.33. Расчет потенциалов и токов, возникающих на кабельной оболочке за счет
блуждающих токов . . ......................................391
7.34. Меры защиты от коррозии . ..................................393
7.35. Электрический дренаж . . ......................................394
7.36. Катодные станции . .............................................395
7.37. Протекторные установки . ..........................................396
7.38. Особенности защиты от коррозии алюминиевых и стальных оболочек . . 397
7.39. Устройства пассивной защиты . . . ..........................398
7.40. Измерения потенциалов на оболочке кабеля и устройство контрольно-из-
мерительных пунктов . . . . ........ 398
Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ . 401
8.1. Организация проектирования линейных сооружений связи ..... 401
8.2. Этапы проектирования . . . 403
8.3. Оптимизация методов проектирования линии и сетей связи .... 407
8.4. Применение ЭВМ при проектировании сетей и линий связи .... 409
8.5. Системы автоматизированного проектирования линейных сооружений связи 412
8.6. Технология реального проектирования ЛСС ..............................414
8.7. Выбор системы передачи, типа линии связи, марки кабеля и трассы
строительства . . . . . . ......... 416
8.8. Определение мест установки НУП и длин ретрансляционных участков ка-
бельных магистралей . . .......................................418
8.9. Рабочие чертежи . . . .......................................... 424
8.10. Основные положения проектирования подсистем кабельных магистралей 425
8.11. Проектирование автоматизированных систем управления кабельными ма-
гистралями ............................................................... 426
8.12. Распределение абонентов по территории города и выбор места расположе-
ния станции . . . . ............................ 431
8.13. Выбор емкости шкафа и проектирование распределительной сети ГТС . . 432
8.14. Проектирование магистральной кабельной сети и канализация ГТС . . 435
543
8.15. Многоканальные соединительные линии ГТС .
8.16. Перспективы развития методов проектирования сетей ГТС
Глава 9.
СТРОИТЕЛЬСТВО ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ
ПРОКЛАДКА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИИ СВЯЗИ
9.1. Подготовительные работы . . .....................
9.2. Подготовка кабеля к прокладке . . .
9.3. Группирование строительных длин
9.4. Разбивка трассы ........................................
9.5. Прокладка подземных кабелей .......
9.6. Устройство переходов через шоссейные и железные дороги
Я.7. Установка замерных столбиков .
9.8. Механизация строительства . . ......
9.9. Кабельная канализация . . .
9.10. Прокладка кабеля в канализации
9.11. Прокладка кабеля по стенам зданий и подвеска на опорах
9.12. Прокладка подводных кабелей .......
9.13. Прокладка оптических кабелей
МОНТАЖ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
9.14.
9.15.
9.16.
9.17.
Нумерация усилительных пунктов и кабелей
Рытье котлованов и подготовка рабочего места
Монтаж: симметричных кабелей ....
Монтаж коаксиальных кабелей ....
9.18. Монтаж кабелей в алюминиевой и стальной оболочках
9.19. Восстановление изолирующих покровов
9.20. Монтаж
9.21. Монтаж
9.22. Монтаж
*9.23. Монтаж
кабелей в пластмассовых оболочках
кабелей на речных переходах .
оптических кабелей
распределительных устройств ГТС .
ВВОД КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ПУНКТЫ .
9.24. Ввод кабелей в здания ОУП и ОП . . ..................
9.25. Необслуживаемые усилительные пункты и ввод в них кабелей .
СОДЕРЖАНИЕ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ ПОД ИЗБЫТОЧНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
9.26. .Методы и средства содержания кабелей под давлением .
9.27. Системы содержания под давлением . . .....
ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ ... ..............
9.28. Основные виды работ по строительству воздушных линий связи .
9.29, Механизация строительства . . . . ......
9,30. Устройство вводов воздушных линий .....................
436
437
43 9
439
439
439
440
442
442
445
446
447
451
454
457
459
462
465
465
4 65
466
469
470
4 72
4 i 3
475
475
483
485
485
487
493
493
496
498
498
504
□05
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛИНЕЙНЫХ РАБОТ . . 505
Глава 10. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ эксплуатации линейных
СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ................................................................510
10.1. Основные задачи и организация технической эксплуатации ЛСС . . . 510
10.2. Охрана кабельных линий связи . . ........ 513
10.3. Техническое обслуживание и профилактика ЛСС ........................З’З
10.4. Контроль за техническим состоянием КЛС...............................514
10.5. Ремонт и реконструкция ЛСС . ..................................517
10.6. Электрические измерения. Определение места и характера повреждении
линий связи . . .........................................5г;
Ю.7, Измерение передаточных характеристик оптических кабелей . . . - 52!/
10.8. Надежность кабельных магистралей . . . ........ 533
Список литературы ............................................................. 53/
Предметный указатель . . ..............................................53у