Текст
                    В.В.Виноградов, С.Е.Кустышев, В.А.Прокофьев
ЛИНИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ
АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ
И СВЯЗИ
Утверждено
Департаментом кадров и учебных заведений МПС России
в качестве учебника для студентов вузов
железнодорожного транспорта
МОСКВА
2002

УДК 656.25 (075.8) ББК 39.275 В 48 В 48 Виноградов В.В., Кустышев С.Е., Прокофьев В.А. Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. трансп. — М.: Издательство «Маршрут», 2002. — 416 с. ISBN 5-89035-075-7 Рассматриваются особенности построения линий и сетей различного назначе- ния на железнодорожном транспорте. Излагаются основы теории распростране- ния электромагнитных волн по направляющим системам. Приведены основные сведения об устройстве, строительстве и эксплуатации линий автоматики, телеме- ханики и связи на железнодорожном транспорте. Изложены принципы расчетов параметров передачи и влияния. Приводятся конструкции и характеристики раз- личных типов кабелей. Рассматриваются структурированные кабельные системы. Значительное внимание уделено воздействию внешних электромагнитных полей на цепи автоматики и связи, а также разделам, посвященным волоконно-оптичес- ким линиям передачи, кабелям связи и кабелям для сигнализации и блокировки. Предназначен для студентов вузов железнодорожного транспорта специаль- ности Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте. Мо- жет быть полезен специалистам по проектированию и эксплуатации линейных сооружений связи на железнодорожном транспорте, а также проектировщикам других ведомств. УДК 656.25 (075.8) ББК 39.275 Книгу написали: канд. техн, наук, доцент В.В. Виноградов—главы 1,2,5 (п. 5.1—5.5), 6, 8, 10, И; канд. техн, наук, доцент С.Е. Кустышев — главы 4 и 9; канд. техн, наук, профессор В.А. Прокофьев — главы 3, 5 (п.5.6), 7, 12. Рецензенты: зам. руководителя Департамента информатизации и связи МПС России Ю.И. Филиппов; ведущий научный сотрудник ВНИИУП МПС России, канд. техн, наук Э.Е. Асе; доцент кафедры «Автоматика и телемеханика на же- лезнодорожном транспорте» РГОТУПСа, канд. техн, наук А.В. Горелик; зам. начальника службы информатизации и связи Северо-Кавказской железной до- роги В.И. Мельник. ISBN 5-89035-075-7 © Коллектив авторов, 2002 © Издательство «Маршрут», 2002
ВВЕДЕНИЕ Железнодорожная сеть России представляет собой огромную еди- ную систему, работающую по общему плану. Работа этой системы не- возможна без широкого использования разнообразных видов связи, орга- низуемых по воздушным, кабельным, радио- и радиорелейным линиям передачи. Под линией передачи понимается совокупность линейных трактов систем передачи и (или) типовых физических цепей, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распространения в пределах действия устройств обслужива- ния. Под типовой физической цепью понимаются физические провода или оптические волокна, образующие направляющую среду для пере- дачи сигналов электросвязи, параметры которых соответствуют приня- тым нормам. На основе разнообразных линий передачи создана собственная обширная ведомственная сеть электросвязи МПС, предназначенная для оперативного руководства технологическим процессом работы ж.д.транспорта, удовлетворения производственных нужд различных его подразделений и организаций. Определенным категориям або- нентов этой сети предоставляется выход на сеть электросвязи обще- го пользования, составной части Взаимоувязанной сети связи Рос- сийской Федерации, открытой для пользования всеми физическими и юридическими лицами, в услугах которой этим лицам не может быть отказано. Разнообразные устройства автоматики и телемеханики, повыша- ющие пропускную способность перегонов, станций и узлов и обес- печивающие безопасность движения поездов, размещены не толь- ко на станциях, но и на перегонах. Для их нормальной работы требуются различные линейные сооружения, по которым переда- ется разнообразная информация в виде сигналов телеуправления, телеконтроля и телесигнализации. Следует также учитывать, что электроснабжение перегонных устройств автоматики и телемеха- ники и других линейных потребителей на перегонах и малых стан- 3
циях осуществляется с помощью специальных высоковольтных ли- ний. На участках с электротягой над рельсами подвешивают тяго- вую сеть, питающую электровозы. Перечисленные выше линии показаны на рисунке: а — высоковольт- но-сигнальная линия автоблокировки, 6 — размещение высоковольт- ной линии продольного электроснабжения линейных потребителей 1 и тяговой сети 2; 2??21??2? 22222222 9999 ?9?9 77777777 • Кабель 777777777 в — воздушная или кабельная линия связи (иногда обе). Перечислен- ные линии располагают в полосе отвода, ширина которой на перегонах может достигать 100 м. В ряде случаев в непосредственной близости к ней проходят высоковольтные линии (г). Кабельная линия передачи получила практическое распространение раньше, чем воздушная. Разработчиком конструкции первого кабеля является русский ученый П.Л.Шиллинг, предлагавший также идею воз- душной линии. Осуществление этой идеи принадлежит другому рус- скому ученому Б.С.Якоби. Уже при постройке в 1851 г. железной дороги Петербург — Москва по всей ее длине был проложен подземный кабель с изоляцией из гут- таперчи и организована железнодорожная телеграфная связь. Часто по- вреждавшийся вследствие несовершенства конструкции подземный кабель был заменен в 1854 г. воздушной телеграфной линией. Позже на железной дороге начали широко применять и телефонную связь внача- ле по цепям воздушных линий связи, затем с 50-х годов прошлого сто- летия — по кабельным линиям автоматики, телемеханики и связи, а с 1985 г. по оптическим кабелям. 4
В настоящее время на железных дорогах Российской Федерации стро- ится цифровая сеть связи, а существующая аналоговая сеть заменяется цифровой путем установки цифровых систем передачи на свободных парах симметричных кабелей и незадействованных стволах радиоре- лейных систем передачи. В соответствии с «Правилами технической эксплуатации желез- ных дорог Российской Федерации» железнодорожная сеть связи в пер- вую очередь должна обеспечивать необходимым объемом и качеством связей подразделения железнодорожного транспорта (технологичес- кий сегмент). Избыточная емкость сети используется для оказания те- лекоммуникационных услуг сторонним организациям на коммерчес- кой основе (коммерческий сегмент). Это обеспечивается за счет преимущественного использования на железнодорожной сети воло- конно-оптических кабелей и цифровых систем передачи информации, каналы которых являются универсальными, способными передавать аналоговые (например, речевые) и кодированные дискретные сигна- лы. К концу 2001 г. протяженность волоконно-оптических линий свя- зи составит около 48 000 км. Сеть связи Министерства путей сообщения включает в себя первич- ную сеть связи, а также вторичные сети связи различных видов и на- значений. Первичная сеть связи создает возможность взаимодействия МПС со всеми управлениями дорог, а через них — с отделениями и важнейшими железнодорожными станциями. Первичную сеть строят с расчетом на бесперебойность связи, достигаемую наличием дублирую- щих обходных направлений, и на полную обеспеченность потребности в каналах связи различных видов и назначений. Первичная сеть связи входит в общегосударственную Взаимоувязанную сеть связи Российс- кой Федерации. К вторичным сетям относят сети телефонной и телеграфной связи, оперативно—технологической связи, сети передачи данных. Вторичные сети делятся на магистральные (от министерства до управлений дорог и последних между собой), дорожные (от управлений дорог до подчи- ненных им отделений и последних между собой) и отделенческие, со- единяющие отделения дорог с входящими в них станциями и станции между собой. 5
Вторичная сеть оперативно-технологической связи обеспечивает возможность непосредственного управления перевозочным процессом со стороны руководящего состава управлений дорог и отделений. В сеть оперативно-технологической связи входят: — поездная диспетчерская (НДС) — цепь, в которую включены те- лефоны дежурных по станциям и в депо на участке в 100—200 км, ис- пользуемая только для переговоров диспетчера, руководящего движе- нием поездов на своем участке, со станциями и депо; — поездная межстанционная (МЖС), связывающая дежурных по двум соседним станциям, служащая для их переговоров по движению поездов на перегоне между этими станциями; — постанционная (ПС), используемая работниками станций для пе- реговоров по различным хозяйственным вопросам, а также для замены поездной диспетчерской связи при ее повреждениях; - — линейно-путевая (ЛПС), служащая для переговоров линейных работников дистанции пути между собой и с руководством дистанции; — перегонная (ПГС), обеспечивающая возможность включения в нее переносного телефонного аппарата для связи бригады остановив- шегося на перегоне поезда или ремонтных путевых бригад с ближай- шими станциями, и многие другие виды связи в соответствии с «Пра- вилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации». Внедрение на транспорте новых систем перегонного регулирования движения поездов привело к необходимости увеличения числа цепей для устройств автоматики и телемеханики. На станциях, оборудованных электрической централизацией, стре- лок и сигналов или другими устройствами автоматики и телемеханики, существует густая сеть кабелей, по которым осуществляется управле- ние этими устройствами и их электроснабжение. Линии передачи обладают различной пропускной способностью: воздушные линии до — 16 телефонных каналов тональной частоты (ТЧ) по одной паре проводов; симметричные кабели — до 480 каналов ТЧ но двум парам жил, находящихся в разных кабелях; коаксиальные кабе- ли — до 10 800 каналов ТЧ по двум коаксиальным парам в одном кабе- ле; оптические кабели — более 100 000 каналов ТЧ по двум оптичес- ким волокнам в одном кабеле. 6
Дальнейший рост объема и скоростей перевозок, конкуренция с дру- гими перевозчиками грузов способствуют масштабному внедрению информационных технологий на железнодорожном транспорте. Это потребовало построения структурированных кабельных систем в ад- министративных и служебно-технических зданиях для создания физи- ческой топологии сетей различного назначения, в том числе информа- ционных вне зависимости от используемых приложений. Продолжающийся рост протяженности железных дорог с электро- тягой на переменном токе, развитие железнодорожных линий автобло- кировки, продольного электроснабжения линейных потребителей, вы- соковольтных линий электропередачи приводят к увеличению опасных и мешающих электромагнитных влияний на цепи и каналы железнодо- рожной автоматики, телемеханики и связи и к необходимости разрабо- ток мер борьбы с этими явлениями. В связи с необходимостью увеличения числа каналов и повышени- ем их качества с особой остротой встают вопросы экономической це- лесообразности использования тех или иных направляющих систем при развитии сетей железнодорожной связи и автоматики для мини- мизации капитальных затрат на их строительство и расходов на эксп- луатацию.
Глава 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ 1.1. Виды направляющих систем Для передачи информации электрическими сигналами (за исклю- чением радиорелейной и спутниковой связи) применяют направляю- щие системы, канализующие электромагнитную энергию в заданном направлении. Распространение поля в заданном направлении обеспечивается на- личием границ между средами, имеющими различные свойства (про- водник и диэлектрик, два диэлектрика с различными параметрами). Такими направляющими системами являются цепи воздушных и кабель- ных линий, металлические и диэлектрические волноводы и т.п. Направ- ляющей системой является также любая линия передачи в энергетичес- ких системах. При рассмотрении процесса передачи электромагнитной энергии по различным направляющим системам их принято разбивать на две ос- новные группы. К первой группе относят направляющие системы, под- чиняющиеся рассматриваемым в теории цепей уравнениям линии. По- этому направляющие системы первой группы называют также цепями связи. К их числу принадлежат: симметричная цепь и различные её модификации, а также коаксиальная цепь. Ко второй группе относятся направляющие системы, рассчитываемые только электродинамически- ми методами. К числу таковых принадлежат различные виды металли- ческих и диэлектрических волноводов. На рис. 1.1 показана первая группа направляющих систем, объеди- нённых общим признаком: они состоят не менее чем из двух проводни- ков, имеющих разные потенциалы и образующих цепь электрического тока. Проводники, образующие цепь, играют, в сущности, лишь роль направляющих поверхностей, которые определяют направление распро- странения волны в диэлектрике и ограничивают рассеяние электромаг- нитной энергии в окружающее пространство. 8
Симметричная цепь (СЦ) является наиболее распространённой на воз- душных и кабельных лини- ях. Если заменить один её провод землёй, экраном или оболочкой, то она пре- вращается в несимметрич- ную, так называемую од- нопроводную цепь (ОЦ). Если провод однопро- водной цепи и поверхность Рис. 1.1 земли заменить металлическими лентами, то получится полосковая (не- симметричная) линия (ПЛ). Для уменьшения внешних электромагнит- ных полей используют более сложные, так называемые симметричные полосковые линии (СПЛ), в которых обе внешние полосы составляют один провод. Если они в 2,5—3 раза шире внутренней, то электромаг- нитное поле будет сосредоточено в основном между лентами. Но сим- метричность здесь геометрическая, а не электрическая. Перейдя от линии СПЛ к замкнутому вокруг внутреннего проводника внешнему проводнику, получим коаксиальную или концентрическую (КЦ) цепь, применяемую в коаксиальных кабелях. Внешний провод здесь иг- рает и роль экрана. Внешнее электромагнитное поле такой цепи, в отли- чие от других цепей первой группы, практически отсутствует, поэтому она относится к «закрытым» системам. К первой группе направляющих систем относятся также трёхфазные цепи (ТЦ), воздушные и кабельные, используемые на линиях электропередачи и в сетях электроснабжения. Иногда д ля экономии металла организуют искусственные (наложенные) цепи, в которых два провода симметричной цепи с помощью трансформа- тора со средней точкой используют в качестве одного провода (рис. 1.2, а). Таким образом, по четырём проводам организуют три независимые двух- проводные цепи. Аналогично на симметричную двухпроводную цепь на- кладывается «однопроводная» несимметричная (рис. 1.2, б). Ко второй группе относятся направляющие системы, содержащие всего один конструктивный направляющий элемент (рис. 1.3). Это ме- таллические волноводы МВ, представляющие собой металлическую тру- 9
бу круглого, прямоугольного или эллиптического сечения, в которой рас- пространяется электромагнитная волна, а также диэлектрические волно- воды ДВ, устроенные в виде стержней различных сечений из высокочас- тотного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью е > 1, благодаря чему токи смещения в стержнях больше, чем в окружающем воздухе, и энергия распространяющейся вдоль него электромагнитной волны кон- центрируется и движется в основном в массе диэлектрика. Известны также магнитоэлектрические волноводы, изготовляемые из диэлектрика, у которого е > 1 и магнитная проницаемость ц > 1. Ли- ния поверхностей волны (ЛПВ) — это металлический проводник, по- крытый слоем такого же диэлектрика, какой используется для изготов- ления диэлектрических и магнитодиэлектрических волноводов. Процесс распространения волны в ЛПВ аналогичен процессу в диэ- лектрическом волноводе, но здесь есть и токи проводимости. К этой же группе относятся различ- ные световоды, в которых рас- пространяются лучи света, т.е. электромагнитные процессы очень высокой частоты. Первые световоды строи- лись в виде металлической трубы, в которой луч света распространялся вдоль оси с помощью оптических или «га- зовых» линз или зеркал, рас- положенных внутри трубы. Такие световоды были доро- 10
1012 f Г1, 103 I06 109 1012 1015 1 U | -I...- 1 -_|__L- . ... | - | | I | | -I - -...l I X, м з-ю5 I I ЗЮ2 I I 3 10-11 I ЗЮ-4! 310“7 I I ! I ‘ 1 I I I II I । Проводная и радиосвязь । Микроволны । [ Оптические волны 4 D I I I I I I I I I J Воздушная линия I | | I | I -----I 1 1 ' ' _____I Симметричный кабель | { | | I Р. фидер| Коаксильный кабель | 1 । . Полосковая линия j | I___ Лин^я поверхности волны | ~1 Металический волновод i ~j Диэлектрический волновод I Световод Рис. 1.4 ги, требовали сложной юстировки и были заменены тонкими (доли мил- лиметра) прозрачными волокнами из специального стекла или пласт- массы, обычно покрытыми отражающими оболочками из того же мате- риала, но с несколько меньшим значением показателя преломления. Лучи распространяются вдоль световода в результате полных (без потери энергии) отражений от границы раздела сердцевины и отражающей оболочки. Частотные диапазоны, в которых работают различные направляю- щие системы, приведены на рис. 1.4. Перечислим основные области применения направляющих систем. Симметричные двухпроводные цепи широко используются на воздуш- ных линиях и кабельных линиях дальней связи, местной общетехноло- гической связи (абонентские и соединительные линии), станционной распорядительной и стрелочной связи, вторичной коммутации отде- ленческой оперативно-технологической связи, двухсторонней парко- вой связи громкоговорящего оповещения, абонентских участков инфор- мационно-вычислительных сетей передачи данных, а также в локальных вычислительных сетях. Однопроводные несимметричные цепи на же- лезнодорожном транспорте практически не находят применения, так как очень чувствительны к индуктивным помехам и к токам, блуждаю- щим в земле. Полосковые линии используют в радиотехнических и дру- гих СВЧ устройствах; особенно они удобны при монтаже на печатных 11
платах. Коаксиальные цепи обладают сравнительно большей пропуск- ной способностью и могут быть использованы для частичного резерви- рования волоконно-оптических линий передачи и в сетях кабельного те- левидения. Металлические и диэлектрические волноводы применяются в радио- и других СВЧ приборах для соединения отдельных блоков и в качестве фидеров, соединяющих аппаратуру с антеннами. Световоды предназначены для передачи больших объемов инфор- мации как на дальние расстояния, так и на короткие, например, в ло- кальных вычислительных сетях. 1.2. Волновые уравнения для гармонических колебаний Электрические сигналы передаются в результате возбуждения свя- занных с направляющими системами электромагнитных процессов. Количественный анализ электромагнитных процессов проводится на основе уравнений поля. Основные уравнения электромагнитного поля. Основные уравне- ния электромагнитного поля, называемые уравнениями Максвелла, обобщают два основных закона электродинамики: закон полного тока и закон электромагнитной индукции. Для однородных сред основные уравнения электромагнитного поля в дифференциальной форме (при- менительно к бесконечно малым объемам среды) записываются в виде: ... _ D е — rot Н = оЕ + е--; div77 = О dt ~ ан - (1Л) rot£ = -p——; div£ = p/e. dt Здесь 77 и Е — векторы напряженности соответственно электри- ческого и магнитного полей; ст, е, ц — соответственно проводимость, абсолютные диэлектричес- кая и магнитная проницаемости среды; р — объемная плотность электрического заряда. Физический смысл основных уравнений электромагнитного поля заключается в том, что магнитное поле всегда вихревое и возбуждается 12
оно как движущимися зарядами, так и изменяющимся во времени элек- трическим полем. Электрическое поле может быть вихревым (в этом случае оно возбуждается изменяющимся во времени магнитным полем) и безвихревым (если оно возбуждается постоянными во времени элек- трическими зарядами). При решении конкретных задач должны быть учтены начальные и граничные условия. Основные уравнения электромагнитного поля для гармонических колебаний в комплексной форме. В технической электродинамике боль- шую роль играют гармонические (в оптике — монохроматические) про- цессы. При рассмотрении установившегося режима гармонических (си- нусоидальных) колебаний их изучение существенно облегчается при использовании метода комплексных амплитуд. При временной зависимости вида eJMt пользуясь символическим.ме- тодом, можно положить H(t) = Н-е^''1 и E(t) = Е • е/<|>/, где EI и Е — комплексные амплитуды векторов соответственно магнитного и элект- рического поля. Тогда система уравнений (1.1) запишется в виде: rot Н = оЕ + ; .Е 77 (1.2) rot Е = - japH . v ’ где оЕ — плотность тока проводимости (в металлических массах), ja)e£ — плотность тока смещения (в диэлектрике). Эти уравнения получаются из системы уравнений (1.1) заменой диф- ференцирования по времени вектора поля умножением его комплекс- ной амплитуды на j<o. В случае гармонических колебаний система из четырех уравнений (1.1) превращается в систему из двух уравнений, так как два других уравнения не имеют самостоятельного значения. Волновые уравнения в векторной форме. Уравнения Максвелла (1.2) образуют систему взаимосвязанных дифференциальных уравнений пер- вого порядка, решение которой с учетом граничных условий в некото- рых случаях затруднительно. Для преодоления возникающих трудно- стей можно воспользоваться волновыми уравнениями, являющимися следствием системы уравнений (1.2). Упрощения в этом случае получа- ются за счет того, что имеются разделяющиеся переменные и более простая форма зависимости волнового процесса от свойств среды. Для 13
гармонических колебаний, применяя к обеим частям первого уравне- ния из системы (1.2) операцию rot, получим: rot rot Н - /<оё rot Е, где ё - е[1 + (0//toe)]. Отсюда в соответствии со вторым уравнением (1.2) получим rot rot Н - уюё (- ). (1.3) Используя соотношение rot rot Н = grad div Н- V2H (1.4) где V2 — оператор Лапласа, и вводя обозначение к =ас+ jfic = 7 усцДо + у'ше) (1.5) и подставляя (1.4) в (1.3) с учетом, что div Н = 0, получим V2H-k2H-O, (1.6) Величина коэффициента, обозначенного через к зависит от электри- ческих постоянных среды, в которой распространяются электромагнит- ные колебания, и называется коэффициентом распространения в среде. Коэффициент к в общем случае является комплексной величиной, ее действительная часть ас характеризует затухание векторов Н или Е и поэтому называется коэффициентом затухания, а величина Рс, характе- ризующая фазу, носит название коэффициента фазы. Уравнение (1.6) устанавливает закон изменения вектора напряжен- ности магнитного поля. Аналогично поступая со вторым уравнением системы (1.2), получим закон изменения вектора напряженности элект- рического поля У2Ё-£2Ё-0. (1.7) Уравнения (1.6) и (1.7) дают одинаковый закон изменения соответ- ственно векторов Н или Е и называются волновыми уравнениями в векторной форме. Преимуществом записи волновых уравнений в векторной форме является независимость от системы координат. При решении конкрет- ных, практических задач векторные уравнения должны быть преобра- 14
зованы в систему координат, удобную для решения этих задач. Таким образом, при решении задач о распространении электромагнитных волн в однородной среде можно исходить из волнового уравнения (1.6) или (1.7) для одного из векторов поля. Определив, например, вектор Е , удов- летворяющий уравнению (1.7), можно найти вектор Н из второго урав- нения системы (1.2) по формуле: Н -[-l/(/®p)}ot£ . 1.3. Плоские волны как простейший случай волнового процесса Частные решения волновых уравнений (1.6) и (1.7) приводят к по- нятию плоской гармонической волны как простейшего случая волно- вого процесса. Плоской называют такую волну, при которой в электромагнитном поле можно провести ряд параллельных плоскостей, перпендикуляр- ных направлению распространения волны так, чзхэбы векторы напря- женности Н или Е в каждый момент времени лежали в этих плоско- стях и сохраняли как свое значение, так и направление вдоль всей плоскости. Основным свойством плоской волны является взаимная пер- пендикулярность векторов Н или Е. Понятие плоской волны при изу- чении процессов распространения электромагнитных волн имеет та- кое же значение, как и гармонические колебания при изучении изменяющихся во времени сложных процессов. Так как волновые уравнения линейны, то общее решение уравнения является суперпозицией всех видов плоских волн, распространяющих- ся в любых направлениях. С учетом координатного выражения опера- тора Лапласа 2 .,2 .,2 v2- — + +-d. дх2 ду2 dz2 уравнения (1.6) и (1.7) в декартовых координатах примут вид (1.8) где через ф обозначен вектор Н или Е . 15
Каждому уравнению вида (1.8) соответствует группа из трех отдель- ных скалярных уравнений для составляющих поля Фх, Фр, Ф_. При плоской волне, распространяющейся вдоль осиг, с учетом того, &___L _ л что ~дх ~ ду ~ и’ уравнение (1.8) приобретает вид д2Ф т где через Ф обозначена проекция вектора Ф на ось х или у. Общее решение уравнения (1.9), зависящее только от координаты z, определяется выражением Ф^А^ + А^, (1.10) где Л| и — постоянные интегрирования. Оба слагаемых в уравнении (1.10) представляют плоские вол- ны: одну бегущую (падающая волна) в направлении положитель- ной оси z (выражение A2e~kz), другую в обратном направлении — отраженная волна (А^^), что обусловлено выбором временного множителя в виде eJMt. 1.4. Распространение плоских волн в диэлектрике и проводнике При рассмотрении процессов распространения электромагнитной волны обычно приходится сталкиваться с двумя категориями матери- альных сред, физические свойства которых резко отличаются друг от друга. Это диэлектрические (изолирующие) среды или же металличес- кие (проводящие). Принято среду считать диэлектриком, если (ое»0, и при о»оэе — проводником. Некоторые среды (почва, вода) в диапазо- не нижних частот обнаруживают проводниковые свойства, а выше — изолирующие. Так как волновое уравнение для плоских волн (1.9) аналогично уравнению однородной линии, то имеется полная аналогия как в фи- зических процессах, так и в используемой терминологии (коэффици- ент распространения волны, волновое сопротивление, коэффициент отражения). 16
Для идеального диэлектрика коэффициент распространения волны, согласно выражению (1.5), равен к = ас + УРс = • О-11) Откуда следует, что коэффициент затухания ас = 0, а коэффициент фазы Рс = . Таким образом, в отношении процесса распространения электромаг- нитных волн однородная среда без потерь (о = 0) является прозрачной, так как не вносит затухания. Воздушная среда мало отличается от ваку- ума, поэтому она наиболее совершенна с точки зрения распростране- ния в ней электромагнитных колебаний. По этой причине при констру- ировании кабелей связи увеличивают долю воздушных включений в изоляции жил. В однородном диэлектрике без потерь электромагнитная волна рас- пространяется со скоростью V= <D/p = 1/^/рЁ. (1.12) Для вакуума v=l/^Mq£0 = 3-108м/с,т.е. совпадает со скоростью света. Волновое сопротивление ZB = Ех / Ну = д/|Д / е , поэтому в любой точке поля плоской волны в среде без потерь отношение напряженнос- ти электрического поля к напряженности магнитного поля постоянно для вакуума ZB = 377 Ом. Для проводника коэффициент распространения волны согласно вы- ражению (1.5) ^ = ac + A = Vj“Po- Заменяя в подкоренном выражении величину j на е/л/2, получим, что коэффициент затухания равен коэффициенту фазы Ос = Рс = 7“P°/2 =jnf]io . (1.13) Следовательно электромагнитная плоская волна, попадая в металл, быстро затухает. 2 Зак. 81 17
Из уравнения распространения волны (1.10) следует, что затухание волны определяется выражением e”acZ . Если задаться уменьшением на- пряженности поля в е = 2,71 раза на глубине 0 от поверхности проводни- ка, то эта глубина определится из условия 0ac= 1. Тогда 0 = 1 / ac = 1 / -у/л f pa . Параметр 0 принято называть эквивалентной глу- биной проникновения поля. В табл. 1.1 приведены электрические характеристики некоторых ме- таллов и выражения для расчетов эквивалентной глубины 0. Таблица 1.1 Металл о, См м / мм2 р, Ом • мм2 / м Hr 0, мм Медь 57 0,0175 1 66,7/77 Алюминий 34,36 0,0292 1 86,4/77 Сталь 7,23 0,138 100 w/Jf Свинец 4,52 0,221 1 236,7/77 Из таблицы видно, что наибольшей глубиной проникновения поля (тока) обладает свинец. Волновое сопротивление проводящих сред весьма мало по сравне- нию с волновым сопротивлением большинства диэлектриков. Это го- ворит о малом значении отношения напряженностей электрического и магнитного полей в проводниках, определяемом выражением ZB = Ех !HV = ^/шц/аеУ'45". (114) Скорость распространения гармонических колебаний в проводящей среде v =со/р = 720/110, (1.15) так же, как и волновое сопротивление, зависит от частоты, что приво- дит к дисперсии передаваемого сигнала. В этом заключается существен- ное отличие проводящих сред от вакуума и диэлектриков, обладающих независимостью диэлектрической проницаемости от частоты. Диспер- сия приводит к уширению (размыванию) передаваемых импульсных сиг- налов и, как следствие, ограничению дальности связи. 18
1.5. Волновые уравнения в цилиндрической системе координат Векторные уравнения (1.6) и (1.7) справедливы для любой системы координат. Для изучения распространения электромагнитной волны по направляющей системе удобно выбрать систему координат так, чтобы она соответствовала геометрии изучаемого объекта. Это имеет целью упростить формулировку граничных условий. Для круглого сечения проводов или волноводов целесообразно выб- рать цилиндрическую систему координат г, ср и г так, чтобы ось г, была направлена вдоль оси направляющей системы. В уравнения (1.6) и (1.7) входят векторные величины, поэтому каж- дое из них соответствует группе из трех отдельных уравнений для со- ставляющих векторов Н и Е. Используемые в дальнейшем обозначе- ния составляющих (Ег, Е^, Е7 или Hr, Н^, Н,) есть краткая форма от величин Et (г, <р, г) и (г, <р, г), где i — координаты г, <р, или г в цилин- дрической системе координат. Так как поперечные составляющие могут быть выражены через про- дольные, то решение скалярных уравнений для проекций Е? й Н, '72Ez-k2Ez~0 (1.16) V2Hz-k2Hz=O (1.17) является достаточным для определения всех составляющих векто- ров ЕиН электромагнитного поля. С учетом координатного выражения оператора Лапласа 1 д / д \ 1 д2 д2 г dry дг) г2 дер2 дг2 из уравнений (1.16) и (1.17) получим дифференциальные уравнения второго порядка для продольных составляющих E,hHzb цилиндричес- кой системе координат в виде 1 д / дЕ.' г—— г дг \ дг , \ 1 д2Е; d2EZ ,2„ - Г 2 ’ д 2+ я 2 к (1.18) 1 г* дер дг* 1 д / dHz \ г - r dry dr ) 1 д2Н. д2н, .2„ п + 2 \ 2~+ я 2 к Н= =0- (1-19) г* дер* дг* 2* 19
В различных средах напряженность волн электромагнитного поля, бегущих в направлении оси z, изменяется по экспоненциальному зако- ну А = A^e^2, где А — любая составляющая векторов ЕпН\ Ао — на- чальная составляющая векторов; у — коэффициент распространения волны вдоль направляющей системы (линии). Первая и вторая производные соответственно cL4 . _Y, D2 А 2 л -—у4)е Y --y^; —-y4- Dz dz Подставляя значение второй производной в выражения (1.18) и (1.19), получим D2E, 1 DE. 1 D2Ez + g2Ez =0; + g2Hz=0, (1.20) (1-21) (1-22) Dr2 D2HZ Г 1 Dr г2 DH, 1 D(p2 D2Hz где Dr2 г + ? dr r g2 = Y2 Dq>2 -k2. Уравнения (1.20) и (1.21) характеризуют продольные составляющие полей при их распространении по цилиндрическим направляющим систе- мам. Полученные уравнения справедливы в общем виде для продольных составляющих электрических, магнитных и смешанных волн. Попереч- ные составляющие полей можно определить через продольные составля- ющие, используя координатное разложение уравнений системы (1.2). 1.6. Электромагнитные волны в направляющих системах В направляющих системах в общем случае могут быть возбуждены электромагнитные волны, обладающие различными свойствами. Эти свойства зависят прежде всего от класса электромагнитных волн, кото- рый определяется наличием или отсутствием продольных составляющих электрического и магнитного полей. Существуют следующие классы элек- тромагнитных волн: ТЕМ—поперечно-электромагнитная; Е —элект- рическая или поперечно-магнитная ГЛ/-волна; Н— магнитная или по- перечно-электрическая ГЕ-волна; ЕН, НЕ -гибридные или смешанные. 20
Волну ТЕМ используют для передачи энергии по направляющим системам первой группы (см.рис.1.7), состоящим не менее чем из двух проводников. Волны эти характерны тем, что электрические и магнит- ные силовые линии, а следовательно, и векторы напряженностей Е нН лежат в плоскостях поперечного сечения направляющей системы (обе продольные составляющие Е, и Н. равны нулю). Это возможно только в том случае, если проводники системы иде- альны, т.е. их активное сопротивление равно нулю. Как отмечалось в п.1.4., дифференциальные уравнения для двухпроводной линии являют- ся волновыми уравнениями, полностью совпадающими по форме с вол- новым уравнением для плоских электромагнитных волн при условии си- нусоидального изменения поля. Отсюда следует большая аналогия с явлениями распространения и отражения плоских волн и волн ТЕМ. Рассмотрим, например, плоскую волну в вакууме, распространяю- щуюся в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа (рис. 1.5,а), где штриховыми линиями показаны магнитные силовые линии, а сплош- ными — электрические. Две параллельные идеально проводящие плос- кости, поставленные перпендикулярно линиям электрического поля, не исказят структуры электромагнитного поля (рис. 1.5,б). Непрерывной деформацией этих плоскостей и поля между ними можно получить элек- тромагнитное поле волны в ко- аксиальной (рис.1.5, в) и сим- метричной цепях (рис. 1.5,г). Распределение силовых ли- ний электромагнитных волн ТЕМ (в плоскости, перпенди- кулярной направлению распро- странения волны) похоже на распределение плоских волн, но отличаются тем, что векто- ры Е мН не являются одина- ковыми по значению и направ- лению вдоль всей плоскости. Во всех цепях первой группы, если их рассматривать как иде- альные, продольные составля- ла. 1.5 21
ющие векторов Е иН равны нулю, а электромагнитное поле связано с токами проводимости в проводах. Волны Е и Н используют для передачи энергии по направляющим системам второй группы (см. рис. 1.3). Эти волны в отличие от волны ТЕМ обязательно содержат продольную составляющую электрическо- го или магнитного поля. Если отсутствует продольная составляющая магнитного поля Н, то такую волну называют электрической Е или по- перечно-магнитной ТМ. Если отсутствует продольная составляющая электрического поля Е, то такую волну называют магнитной Н или по- перечно-электрической ТЕ. Волны ЕН и НЕ содержат обе продольные составляющие с преобла- данием в поперечном сечении соответственно электрического или маг- нитного поля. Силовые линии электрического и магнитного полей волн типа Е, Н, ЕН и НЕ распространяются как в поперечных, так и продоль- ных сечениях направляющих систем. Наряду с делением на классы электромагнитные волны (кроме ТЕМ) делятся также по типам. Тип волны, или мода, определяется сложнос- тью структуры поля в поперечном сечении направляющей системы. Все многообразие волн может быть охвачено разновидностью волн, обо- значаемых так же, как это уже показано ранее, но с индексами т, п (например, Hmt), где для круглых волноводов т — число полных изме- нений поля по окружности волновода, ал — подиаметру. Индексы яв- ляются целыми натуральными числами, включая нуль. Математичес- кой моделью всего многообразия волн служат волновые уравнения в векторной форме (1.6) и (1.7). В металлических волноводах круглого сечения (рис. 1.6) наиболее перспективная волна Нй{, затухание которой падает с ростом частоты. Электрические силовые линии поля этой волны замкнуты и не соприка- саются со стенками волновода, в ко- торых нет в этом случае токов прово- димости и потерь энергии в металле. Е Рис. 1.6 Во всех случаях металлические и диэлектрические волноводы харак- 22
теризуются так называемой критической частотой/кр или соответствую- щей ей критической длиной волны Хкр Волны длиной больше Хкр(частотой ниже/кр) по волноводам не распространяются. Критическая длина волны связана с поперечными размерами волно- вода. В зависимости от типа используемых волн в металлических вол- новодах круглого сечения значение величины Хкр лежит в пределах от 1,5 до 3,4 радиуса волновода, в прямоугольных она может быть равна а, 2а,2Ь,2аЫ^ +Ь2 ит. п., где а иЬ — соответственно больший и мень- ший внутренние размеры волновода. 1.7. Способы расчета направляющих систем В зависимости от диапазона используемых частот, конструкции на- правляющей системы, вдоль которой распространяется электромагнит- ная энергия, можно условно выделить два различных способа расчета: с использованием основных уравнений однородной линии (1 группа направляющих систем) и уравнений поля (II группа). Уравнения линии используют также при расчетах взаимньповлияний между цепями и воздействий внешних электромагнитных полей от вы- соковольтных линий электропередачи на цепи телемеханики и связи. Уравнения линий так же, как и уравнения поля, однозначно определя- ют электромагнитный процесс в цепи. Инженерный расчет направляю- щих систем при этом выполняют с применением уравнений однородной линии, т.е. более простым способом по сравнению с прямыми решения- ми уравнений Максвелла. Электромагнитное поле в уравнениях линии явно не фигурирует. Вместо него для каждого поперечного сечения z дан- ной линии передачи в каждый момент времени t вводят две величины — напряжение U = U(z, t) и ток I = I(z, t). Для получения исходных соотно- шений, определяющих процессы в цепях с распределенными параметра- ми, используют так называемые первичные параметры цепи. Каждый однородный отрезок электрической цепи единичной длины характеризу- ется четырьмя параметрами — активным сопротивлением R, индуктив- ностью L, емкостью С, проводимостью изоляции G, численные значения которых зависят от конфигурации электромагнитного поля, связанного с данной цепью. Физически эти параметры представляют те же свойства цепи, что и в цепи с сосредоточенными параметрами. 23
Уравнение поля в явном виде практически используется для расчета электромагнитных процессов в области достаточно высоких частот, когда в первом уравнении системы (1.2) необходимо учитывать слагае- мое /'(ое Е , характеризующее изменение магнитного поля тока смеще- ния в пространстве. При расчете направляющих систем второй группы (см. п. 1.1) необходимо учитывать токи смещения и проводимости (при расчете металлических волноводов) или только токи смещения (диэ- лектрические волноводы и оптические световоды). 1.8. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах Распространение и потери энергии (затухание) в направляющих системах. Электромагнитная энергия будет распространяться в задан- ном направлении вдоль направляющей системы только тогда, когда век- торы напряженности электрического и магнитного полей будут лежать в плоскости, поперечной относительно оси системы. Вначале рассмотрим процесс распространения электромагнитной энергии вдоль однородной симметричной цепи без потерь. Пусть плос- кие падающие волны рас- пространяются в положи- тельном направлении оси z, совпадающей с осью про- водника, а ось г проходит через центры проводников я и б (рис. 1.7). Тогда векто- ры напряженности электри- ческого и магнитного полей в любой точке простран- ства, окружающего провод- ники, находятся в плоско- сти, перпендикулярной к оси проводов. Предполо- жим, что в сечении цепи, проходящем через точку т на проводе а будет положи- 24
тельный потенциал, а на проводе б — отрицательный. Тогда в соответ- ствии с направлением векторов электрического и магнитного поля в этом сечении цепи вектор Умова-Пойнтинга (П), представляющий собой векторное произведение векторовЕпН и показывающий плот- ность и направление движения энергии, будет направлен от генератора к нагрузке вдоль оси системы (см. рис. 1.7). В сечении цепи, проходящем через точку п и отстоящем на расстоя- нии К/ 2 от сечения в точке т, направления векторов Е нН изменяется на противоположные, а направление вектора Умова-Пойнтинга П ос- танется неизменным, хотя токи в проводах имеют противоположное на- правление. Отсюда следует, что электромагнитная энергия передается от генератора к нагрузке не зарядами, движущимися по проводам, а электромагнитным полем, которое распространяется в окружающем провода диэлектрике. Провода здесь являются только системой, направ- ляющей движение волн в межпроводном тракте. На потерях энергии при распространении волн всегда сказывается влия- ние проводников и диэлектриков, встречающихся на их пути. В однородной цепи, обладающей активным сопротивлением, кроме возникновения напря- жения между проводами происходит его падение вдоль проводов. Поэтому в двухпроводных цепях с потерями линии электрического поля искривляются (рис. 1.8,а). Тогда вектор Умова-Пойнтинга вблизи от проводов отклоняется от оси цепи. Разложим его на две составляющие (рис. 1.8,6), из которых большая П_ соответствует потоку энергии, передаваемой вдоль цепи, а меньшая П есть часть энергии, проникающей внутрь провода и расходуемой на нагрев проводов. Оба процесса движения электромагнитного поля вдоль и внутри проводников являются волновыми. Энергия теряется также и в близлежащих проводниках (в соседних цепях кабеля, экранах, металлической оболочке, бро- не), в которых наводятся вихревые токи. При этом наибольшее воздей- ствие оказывают близко располо- женные к рассматриваемой цепи металлические элементы кабеля. Кроме того, вихревые токи созда- ют поле, которое, воздействуя на поле проводников цепи, изменяет их параметры. Рис. 1.8 а + + 25
Рис. 1.9 Если направляющая система включает в себя диэлектрик (не счи- тая воздуха, являющегося идеаль- ным диэлектриком), то часть энер- гии расходуется на поляризацию диэлектрика. Поляризацией назы- вается смещение положительных и отрицательных зарядов в изоляции под действием электрического поля. Переменная поляризация обусловливает возникновение то- ков смещения (емкостных токов) и вызывает затраты энергии на пере- ориентацию диполей (потери в диэлектрике). Чем выше частота коле- баний, тем сильнее токи смещения и больше потери. При постоянном токе потери отсутствуют. Таким образом, уменьшение энергии волны при ее движении вдоль направляющей системы обусловлено потерями в металле проводников, образующих цепь, и в металле посторонних проводников, находящих- ся в ее поле, а также в диэлектрике и вследствие излучения. Это умень- шение передаваемой энергии оценивается затуханием сигнала « = «пр + «диэл + аизл • Величина первого слагаемого <хпр (потери в металле) прямо пропор- циональна корню квадратному частоты колебаний л// , второго — за- висит от частоты линейно, а третьего — прямо пропорциональна вели- чине /2 {рис. 1.9). Отдельные слагаемые затухания в некоторых направляющих системах очень малы или могут быть равны нулю. На- помним, что в технике связи затуханием называется выраженное в ло- гарифмическом масштабе отношение мощности сигнала в начале и кон- це цепи. Поверхностный эффект. С увеличением частоты тока активное со- противление проводника растет, а индуктивность уменьшается. Это явление получило название поверхностного эффекта и объясняется осо- бенностями распространения электромагнитной энергии вдоль провод- ников. В отличие от постоянного тока, плотность распределения кото- рого одинакова по всему сечению проводника, плотность переменного 26
тока наибольшая у поверхности проводника и убывает по направ- лению к его центру. Ток проводи- мости может существовать только в той части проводника, которая пронизывается электромагнитным полем. Поэтому при слабом поверх- ностном эффекте плотность тока больше у поверхности проводника и меньше в средней части его се- чения (рис. 1.10,а), а при сильном — ток течет только в поверхностном слое (рис.1.10,б). Неполное использование сечения проводника приво- дит к увеличению его сопротивления при переменном токе. Количе- ственная оценка увеличения сопротивления проводников за счет по- верхностного эффекта дана в п. 1.9. Эффект близости. Если вблизи провода, поля которого определя- ются для вычисления первичных параметров, находится другой провод или проводящая поверхность (земля, экран, оболочка кабеля), то в ре- зультате взаимодействия зарядов и токов в этих сближенных проводни- ках распределение полей меняется. Это изменение полей по сравнению с полями уединенного проводника называется эффектом близости. В двухпроводных цепях переменное магнитное поле провода вызы- вает в массе соседнего провода перераспределение плотности тока по его сечению (рис. 1.11 ,а), направления токов показаны стрелками и вли- яют на параметры цепи. Рис. 1.11 27
Эффект близости прямо пропорционален частоте, магнитной проница- емости и диаметру проводника и, кроме того, зависит от расстояния между проводниками цепи. При сближении проводников друг к другу действие эффекта близости возрастает пропорционально квадрату расстояния. При расчете активного сопротивления и индуктивности цепей сим- метричных и коаксиальных кабелей необходимо учитывать влияние по- верхностного эффекта и эффекта близости, которые приводят к различ- ному распределению тока по сечению проводников указанных цепей. Так, в симметричной цепи указанные эффекты приводят к несимметричному распределению тока по сечению проводников: плотность тока наиболь- шая на обращенных друг к другу поверхностях проводников (рис. 1.11,6). В коаксиальной цепи плотность тока в проводнике А распределяется по сечению проводника симметрично; в проводнике Б ток сосредоточен на его внутренней поверхности (рис. 1.11,в). В коаксиальных кабелях оба эф- фекта вызывают сосредоточение токов проводимости на наружной по- верхности внутреннего проводника и на внутренней наружного. Электромагнитное экранирование. В технике передачи электри- ческих сигналов очень важно избежать взаимных влияний между со- седними цепями, а также влияния внешних электромагнитных полей, так как индуцированные токи и напряжения создают помехи и затруд- няют безошибочный прием сигналов. Действенной мерой защиты от влияния переменных электромагнитных полей является электромагнит- ное экранирование. Для защиты кабельных цепей от внешних помех применяются экра- ны и другие металлические элементы конструкции кабеля: металличес- кие оболочки и броневые покровы. Металлические оболочки, как пра- вило, имеют сплошную цилиндрическую оболочку из алюминия, стали или свинца. Известны также конструкции двухслойных экранирующих оболочек, например, алюминий-сталь. Экраны изготавливают из алюминиевых, медных, стальных лент, на- кладываемых спирально или продольно вдоль кабеля, а оплеточные экра- ны —из плоских или круглых проволок. В коаксиальных кабелях для обес- печения требуемых норм помехозащищенности при однокабельной системе связи внешний проводник выполняется биметаллическим (медь-сталь). В реальных условиях необходимо считаться с воздействием как маг- нитных, так и электрических полей. Наибольшее воздействие при вне- шних влияниях оказывает магнитное поле; при взаимных влияниях со- 28
отношение между электрическим и магнитным полем определяется волновым сопротивлением цепи и зависит от частоты тока. Электромагнитное экранирование основано на том, что поле, проникая из диэлектрика в металл, сильно затухает, распространяясь в металле. Эффект экранирования оценивают коэффициентом экранирования К3 = Е3/Е=Н3/Н, (1.23) или затуханием экранирования Л3 = 20 Igj 1/ 7€э| = 20 lg|E/E3| = 20 lg|/////3|, (1.24) где Е и Н— напряженности электрического и магнитного полей в точке пространства при отсутствии экрана; Е3 и Н3 — напряженности элект- рического и магнитного полей при наличии экрана. Экранизирующее действие тем сильнее, чем толще экран, чем боль- ше магнитная проницаемость и меньше удельное сопротивление ме- талла, а также чем выше частота колебаний поля. Значение коэффици- ента экранирования изменяется от 1 до 0, характеризуя в последнем случае наивысший экранирующий эффект. Так как в коаксиальных кабелях и металлических волноводах ис- пользуют очень высокие частоты, то наружный проводник первого и металлическая труба второго обеспечивают их высокую степень экра- нирования. Для повышения коэффициента экранирования используют многослойные экраны, причем в них чередуют слои из магнитных и немагнитных металлов. Повышение экранирующего действия дости- гается здесь не только за счет поглощения, но и отражений волны на нескольких границах металлов с разными волновыми характеристика- ми. Наилучший эффект дают многослойные экраны, состоящие из че- редующихся слоев меди и стали. С удалением экрана от экранируемых цепей коэффициент экранирования возрастает. Одновременно умень- шаются потери в экране на вихревые токи, т.е. снижается затухание цепи. Однако увеличение диаметров экранов в кабелях экономически невыгодно, так как приводит к увеличению поперечного сечения кабе- ля и дополнительному расходу материалов. Коэффициент защитного действия. Эффективность экранирования в диапазоне низких частот (50—3400 Гц) называется коэффициентом за- щитного действия (КЗД), численные значения которого определяются тем же выражением (1.23), что и для коэффициента экранирования. При низ- 29
ких частотах влияние внешнего электромагнитного поля на цепи частич- но компенсируется электромагнитным полем, создаваемым продольны- ми токами, индуцируемыми в металлических элементах конструкции кабеля (металлической оболочке, броневых покровах). Численные зна- чения коэффициента защитного действия кабельной оболочки и троса зависят не только от их электрических характеристик, но и от величин сопротивлений их заземления. Эффективность защитного действия тем выше, чем меньше величина их сопротивлений и сопротивлений зазем- лений. Защитное действие также оказывают рельсовые пути. Суммарное экранирующее действие кабельной оболочки Хоб, рельсов 5р и троса Sr определяется выражением 5 = Хоб’Х -X,.. 1.9. Внутреннее сопротивление уединенного круглого провода Сопротивление проводника является суммой активного и индуктив- ного сопротивлений. Индуктивное сопротивление зависит от сцеплен- ного с проводом магнитного потока. При решении задач по определе- нию параметров цепи удобно суммарный магнитный поток делить на две части: внутренний (в проводах) и внешний (вне провода). Индук- тивность проводника в этом случае разделяется соответственно на внут- реннюю и внешнюю. Внутренним сопротивлением провода (с) называется зависящая от частоты часть полного сопротивления провода, состоящая из активно- го сопротивления R и реактивного сопротивления jwL', где L'— внут- ренняя индуктивность провода. Внутреннее сопротивление можно оп- ределить как коэффициент пропорциональности на единице длины провода между продольной составляющей электрического поля на по- верхности провода и полным током, протекающим через поперечное сечение провода. Внутреннее сопротивление отличается от полного на величинуjwL", где L " — внешняя индуктивность провода. Для определения внутреннего сопротивления провода удобно исполь- зовать дифференциальное уравнение второго порядка для продольных составляющих Ez, электрического поля в области внутри провода. Зна- чение Е7 можно определить из уравнения (1.18) с учетом следующих 30
условий: изменение fz на единицу длины проводника ничтожно мало по сравнению с изменением в направлении к оси проводника, поэтому „ £z - величиной-у можно пренебречь; имеется осевая симметрия поля, и, z &EZ следовательно, —т = 0. В этом случае уравнение (1.18) примет вид: дер д2Е 1 д£ 2 г л --у+ -•—- +О*)2 £,= °. с) г г dr (1.25) Здесь через к обозначен коэффициент распространения волны в про- воде, равный к = д/ jwpo = (1 + (1.26) Особенность уравнения (1.25) состоит в том, что коэффициент при производной первого порядка есть величина переменная, зависящая от параметра г. Поверхностный эффект по степени своего проявления может быть сильным или слабым. Такое разделение позволяет рассчитывать вели- чину внутреннего сопротивления Z в случае сильного поверхностного эффекта по простым формулам. Сильный поверхностный эффект. Если поверхностный эффект проявляется настолько сильно, что глубина проникновения поля в про- вод мала по сравнению с радиусом провода г0, то можно не считаться с кривизной волны, проникающей в провод, т.е. положить, что г0 -* и 1 / г0 -» 0. В этом случае уравнение (1.25) превращается в обычное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами: ^^-k2Ez=0, (1.27) аналогичное уравнению (1.9). Его решение определяет плоские волны в металлическом проводнике. Решение уравнения (1.27) можно записать в виде Ez(r) = Ale~kr + A2e,‘T. (1.28) Первое слагаемое соответствует отраженной волне, второе — пада- ющей, так как е~кг убывает при удалении от оси провода, a е~к>' — при приближении к оси провода. 31
Поскольку сделано предположение, что электромагнитное поле из пространства, окружающего провод, проникает в тонкий поверхност- ный слой проводника, то нет отраженной волны. Это значит, что^ = О, тогда с учетом выражения (1.26) из (1.28) получим £.(г) = Л2е(1+7)^"/2'''. (1-29) Для определения постоянной интегрирования положим г = г(). Тогда £ (г()) = ; J2 = £z(ro)(?-^o; £z(r) = £z(ro)H(fo - О и Ez(r)IEz(rQ) = e-A'(fo - H (1.30) Отношение (1.30) есть отношение плотности тока в сечении радиу- са г к плотности тока у поверхности проводника. Если вместо радиуса г рассматривать расстояние от поверхности провода вглубь проводника а = (г0 - г), то формула (1.30) примет вид: £#)/£z(r0) =j(a) /ДО) = е~ка mj(a) =Д0) ек“ , (1.31) гдеДа),ДО) — плотности тока соответственно на глубине а и у поверх- ности проводника. Общий ток, текущий по проводнику, численно равен интегралу плот- ности тока по площади поперечного сечения, занятой током. Предпола- гая, что ток течет по плоскому проводнику, ширина поперечного сече- ния которого равна 2лг(), получим 00 оо п ‘ = 2 лг0 f j(a>>da =2л'Ь 5 j^e~k°da = ““ У (°) • (1.32) оо к Заменив лг02 на S, получим i = ‘о ’ 2 I (^о)’ где i — полный переменный ток, протекающий по проводнику; z0 = SДО) — постоянный ток, протекающий по проводнику при той же напряженности электрического поля. Имея в виду, что отношение токов обратно отношению сопротивле- ний, внутреннее сопротивление проводника 7-7? '0 _ ff kr0 _ r0R0 п . А Йю = ------—(‘ + J О-33) где 7?0 — сопротивление проводника постоянному току. 32
Из выражения (1.33) следует, что при сильном поверхностном эф- фекте внутреннее реактивное сопротивление численно равно активно- му сопротивлению проводника и обе эти величины прямо пропорцио- нальны квадратному корню из частоты. Слабый поверхностный эффект. Если глубина проникновения поля (тока) в провод соизмерима с радиусом его сечения и требуется учиты- вать кривизну волны, наблюдается слабый поверхностный эффект. В этом случае математически задача более сложна и требует решения диф- ференциального уравнения (1.25) с переменными коэффициентами, называемого уравнением Бесселя нулевого порядка. Общее решение этого уравнения выражается через функции Бессе- ля от комплексного аргумента (jkr) в виде: E,(r) = А!J0(Jkr) + A2NtfJkr), (1.34) где Л] и Л2 — постоянные интегрирования; J() (jkr) и No (jkr) — функции Бесселя соответственно первого и вто- рого родов нулевого порядка. Функция J() (jkr) относится к одной из разновидностей так называе- мых цилиндрических функций. Она трансцендентна и вычисляется че- рез разложение в асимптотический ряд. Зависимость изменения моду- ля этой функции от аргумента (|^|г) соответствует кривой 1 на рис. 1.12, откуда видна некоторая аналогия с характером изменения модуля пока- зательной функции е*7' (кривая 2), характеризующей степень ослабле- ния плоской волны. Цилиндрическая волна в проводнике ослабевает медленнее, чем плоская. Первое слагаемое в уравне- нии (1.34) можно трактовать как падающую волну цилиндричес- кой формы в отличие от падаю- щей плоской волны, которой со- ответствует слагаемое—Л2 в уравнении (1.28). Второе слага- емое в уравнении (1.34) соответ- ствует отраженной волне, но так как энергия падающей волны расходуется на нагрев тонкого поверхностного слоя проводни- 3 Зак М 33
ка, то отраженной волны нет. Это значит, что Л2 = 0. Тогда искомое решение имеет вид: E.(r)~A\JQ(jkr). (1.35) Отсюда (1.36) (1-37) Е (г)-E\ro)Jo(jkt^ Умножая обе части последнего равенства на проводимость провод- ника, получим для плотности тока • z , ., , Jfikjkr) J<S)-j(rQ) " •VA)) Отношение Jo (jkr)U0 (jkr) характеризует поверхностный эффект в слу- чае цилиндрической волны. При заданном материале проводника степень уменьшения напряженности поля внутри проводника зависит не только от частоты тока, но и от диаметра проводника. На рис. 1.13 кривые 1, 2, 3 характеризуют уменьшение плотнос- ти тока при частоте /= 100 кГц в N раз в зависимости от расстояния г, от поверхности проводника при его диаметре соответственно равном 1; 1,2; 1,4 мм. Кривая 4 соответствует плоской волне. Из рассмотрения при- веденных кривых видно, что крутиз- на уменьшения плотности тока в ци- линдрическом проводнике возрастает с увеличением диаметра проводника. Это обстоятельство следует учиты- вать при выборе диаметра жил кабеля для работы высокочастотных сис- тем передачи. Для определения полного тока в проводе воспользуемся вторым урав- нением системы (1.4). Интересующая нас составляющая в цилиндри- ческих координатах имеет вид: „ dE dE, . rot £ - —± = -janH dz dr v (1-38) 34
(1.39) Так как внутри проводника токи текут только вдоль оси проводника, принимаемый нами за ось z, то в уравнении (1.38) параметр Ет = 0 и н Т J(D|Ll дГ Подставив в уравнение (1.39) значение параметра Ez из выражения (1.36), получим гг , ч 1 д J0(Jkr) „ . , jk J'Q{jkr) <p ywp dr -AjO^o) J*»!*-J0(jkr0) 1 7 где J'o (Jkr) - производная от Jo (jkr) no r. _ Полный ток в проводе можно определить из уравнения fHdl=i. Интегрирование вдоль магнитной силовой линии, проходящей по поверхности провода, дает . ~ „ t \ C Z J'o(jkro) i - 2лг0Я (r0) - Ez(r0)---— * o)p J0(jkr0) Полное внутреннее сопротивление единицы длины провода (1.41) z £~z(r0) , сор, J0(jkr0) к J0(jkr0) ' Inrjc Jjjkr^) 2woa J'0(Jkr0) • ( ' 7 Так как У Rg = пгдО, то выражение (1.42) можно представить следу- ющим образом Z R . wL' . kr0 JQ(jkrQ) R^~R^ + J^’ ~J~T'j^jkr0) <L43) Обозначим отношение R/R 0 через kt, a L'/Lq через k2, где L'o — внутренняя индуктивность провода при постоянном токе. Коэффици- енты к^ и к2, связывающие параметры провода при переменном токе с параметрами провода при постоянном токе, определяются из выраже- ния (1.43) 1 2 4(#г0) (1-44) 8 j ,-^0 . ЛОЧ) (Ь-0)2 2 7^(74) (1.45) з* 35
Коэффициент к2 получен с учетом того, что L’(} = р/8л. Коэффициенты к{ и к2 зависят от произведения величин krQ. Вычис- ление коэффициентов к{ и к2 требует определения значений функций Jo (jkr0) и Jq (jkr0) комплексного аргумента, так как к = -J/oipo , что весь- ма затруднительно. Для упрощения расчетов сопротивления и индуктивности проводов круглого сечения при переменном токе составлены таблицы и графики значений к} и к2 в зависимости от значений величины х = \к |г0 = г0 л/ощо - (1.46) где d - 2г0 — диаметр проводника. В том случае, когда требуется рассчитать индуктивность и сопротив- ление двухпроводной кабельной цепи, задача по сравнению с рассмот- ренной значительно усложняется за счет необходимости учета эффекта близости, т.е. воздействия внешнего поля от второго проводника цепи. 1.10. Внутреннее сопротивление проводов двухпроводной цепи Для определения внутреннего сопротивления цепи в случае, когда проводники расположены в непосредственной близости друг от друга, т.е. с учетом эффекта близости, необходимо рассмотреть распределение полей внутри проводников без упрощающего предположения об их осе- вой симметрии. Поэтому необходимо исходить из общего уравнения для продольных составляющих Ez электрического поля в области внутри провода (1.18). С учетом ничтожно малого изменения Ez вдоль цепи по сравнению с изменением к оси проводника уравнение (1.18) примет вид: 0. dr2 г дг г2 дер2 (1-47) Третий член уравнения характеризует эффект близости в проводни- ках, нарушающий осевую симметрию поля. Выражение для решения Ez с учетом эффекта близости будет отличаться от решения (1.35) в от- сутствии эффекта близости тем, что искомое решение EZ “ 2AMjkr)cosnq>, (1.48) л-0 36
требует определения бесконечного числа постоянных интегрирова- ния Ап, так как кроме основных составляющих поля одного провод- ника возникает п составляющих поля за счет взаимодействия полей рядом расположенных проводников, что требует громоздких вычис- лений. В этом случае при практических расчетах пользуются табличны- ми значениями функций F(x), G(x), Н(х), Q(x), учитывающих воз- действие поверхностного эффекта и эффекта близости на первич- ные параметры цепи в зависимости от аргумента х, определяемого выражением (1.46). Значения функций F(x), G(x), Н(х) и Q(x) для некоторых значений аргумента х приведены в табл. 1.2. Таблица 1.2 X F(x), G(x), Н(х) Q(x) 0 0 0 0,042 1,0 0,5 0 0,001 0,042 1,0 1,0 0,005 0,015 0,053 0,997 1,5 0,026 0,069 0,092 0,987 2,0 0,078 0,172 0,169 0,961 2,5 0,175 0,295 0,263 0,913 3,0 0,318 0,405 0,348 0,845 3,5 0,492 0,499 0,416 0,766 4,0 0,678 0,584 0,460 0,688 4,5 0,863 0,669 0,503 0,616 6,0 1,394 0,932 0,575 0,465 8,0 2,094 1,287 0,634 0,351 10,0 2,799 1,641 0,670 0,282 12,0 3,504 1,995 1,690 0,235 >14,0 -Лх-З 4 Лх -1 8 1 3 Лх - 5 2лЛ 1 4[ -Лх-1 х 2Л X 37
Контрольные вопросы 1. Что такое направляющие системы? 2. Каковы разновидности направляющих систем, их рабочие диапа- зоны частот и области применения? 3. Что характеризует волновое уравнение, как оно связано с основ- ными уравнениями электродинамики? 4. Какие процессы происходят при распространении электромагнит- ной энергии вдоль линии? 5. Какая волна называется плоской электромагнитной волной, в чем заключается практическое значение этого понятия? 6. Какие классы и типы волн используют для передачи в различных направляющих системах? 7. Каковы способы расчета направляющих систем? 8. Каковы особенности электрических процессов в цепях воздуш- ных и кабельных (симметричных и коаксиальных) линий связи?
Глава 2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАЧИ ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 2.1. Характеристики передачи цепей автоматики и связи При использовании электрической цепи в качестве передающей ли- нии желательно, чтобы она незначительно ослабляла электрический сигнал и не искажала его форму. Свойства цепи определяются ее реак- цией на те или иные воздействия, поэтому реакцию рассматривают как характеристику цепи. Так как каждому воздействию соответствует своя реакция, то для цепи можно установить ряд характеристик. Реакция цепи на воздействие электрического сигнала определяется, во-первых, свой- ствами самой цепи, во-вторых, видом (формой сигнала). Свойства соб- ственно цепи в свою очередь определяются ее реакцией на элементар- ные сигналы, поэтому последнюю рассматривают как характеристику передачи цепи. Практически используют несколько характеристик пе- редачи цепи, являющихся ее реакциями на элементарные сигналы, вхо- дящие в состав сложных сигналов, а именно, частотные, временные, операторные. Поэтому математическая модель физической цепи может быть зада- на частотными, временными или операторными характеристиками пе- редачи. Выбор тех или иных характеристик передачи практически оп- ределяется принятым способом представления сигнала сложной формы через элементарные сигналы. Если воспользоваться каким-либо «но- вым» способом представления входного сигнала, то одновременно воз- никли бы и «новые» характеристики передачи цепи. Различные характеристики передачи, описывающие по разному свой- ства одной и той же цепи, имеют взаимно однозначное соответствие, если они обладают равной полнотой. Для решения многих практических задач, связанных с передачей электрического сигнала по цепи связи, достаточно знать соотношения между напряжениями и токами на входе и выходе цепи и не интересо- ваться законом распределения напряжений и токов по длине цепи. Если 39
генератор и приемник считать внешними элементами по отношению к цепи, то последняя представляет собой четырехполюсную цепь. Это позволяет получить зависимость условий передачи цепи отдельно от свойств генератора и приемника. Для определения характеристик пе- редачи уединенной цепи используют теорию четырехполюсника. Или, другими словами, в этом случае, достаточно определить входные и пе- редаточные функции цепи. Передаточными функциями называют любые функции, показываю- щие в комплексной форме соотношения между выходными и входны- ми величинами, например, между напряжениями. Частотные характеристики. Определяются для установившегося режима гармонических колебаний. Частотные характеристики цепи пол- ностью определяются ее передаточной функцией K(w) (здесь термин «функция» подчеркивает зависимость соответствующей характеристи- ки от частоты). Комплексная передаточная функция цепи К(со) в режи- ме заданного входного напряжения U1 (ц>) (рис.2.1) определяется как U 2(0) Ц(ш) С71(со) .еУ<Р1(а>) (2.1) где (7 1(ш) и [/2 (со)—комплексные напряжения синусоидального ко- лебания частотой со соответственно на входе и выходе цепи, Ф|(со) и ф2(со) — фазы синусоидальных колебаний соответственно на входе и выходе цепи. При согласованных нагрузках по концам цепи К(со) определяет- ся собственными характеристиками цепи, т.е. зависит только от свойств цепи. СМсо) <о Рис. 2.1 40
Амплитудно-частотную характеристику цепи можно рассчитать че- рез модуль передаточной функции ^2(<Д) Ц(®) (2.2) в неперах, а(а>) = In ।-г; |К(< или в децибеллах, a(®) = 201g7—Ц; (2-3) Фазо-частотная характеристика цепи (в радианах) Z>(©) = arg U 2 - arg U i (2.4) характеризует изменение разности фаз напряжений на выходе и входе цепи связи. Для обеспечения передачи сигналов без искажений цепь должна обладать не зависящей от частоты характеристикой затухания и линей- ной фазо-частотной характеристикой (рис.2.2,а и б соответственно). Аналогично на временном языке это требование означает неизменность формы импульса на входе и выходе цепи. Рис. 2.2 41
Для однородных цепей можно перейти к километрическим значени- ям характеристик (коэффициентам) затухания цепи а(со) из выражения (2.3) и фазового сдвига Р(<о) из выражения (2.4) а(о>) = ^^, дБ/км; (2.5) />(©) = , рад/км, (2.6) где / — длина однородной цепи, км. Временные характеристики. Определяются для переходного ре- жима работы цепи. К временным характеристикам цепи относятся пе- реходная функция h(t) и импульсная переходная функция g(t) = dh(t) / d(t). Здесь термин «функция» означает зависимость соответствующей характеристики от времени. Физически h(t) характеризуется напряжением на выходе цепи при по- даче на вход цепи напряжения типа единичного скачка и 0 (/) -* а (t). Аналогично g(Z) характеризуется напряжением на выходе цепи Ut (t) при подаче на вход цепи импульса напряжения, имитирующего функцию 6(/). Любые из характеристик цепи (частотные или временные) являются полной математической моделью передаточных свойств цепи и эквива- лентны. Они могут быть выражены одни через другие преобразования- ми Лапласа или Фурье. Выбор функций, характеризующих параметры передачи данной цепи, определяется удобствами вычислений или измерений в зависимости от следующих условий: однородная или составная цепь; согласованная или несогласованная нагрузка на конце цепи; наличие соответствующего программного обеспечения. Частотные зависимости характеристик передачи цепей симметрич- ных и коаксиальных кабельных линий достаточно хорошо изучены, поэтому в настоящее время определение временных характеристик цепи выполняется через известные частотные характеристики. В случае однородных согласованно нагруженных цепей задача уп- рощается и сводится к аппроксимации коэффициента распростране- ния волны у* = а + ур, где а — километрический коэффициент затуха- * Здесь и далее по умолчанию зависимость коэффициентов распространения волны от часто- ты тока не указывается. 42
ния, а₽ — километрический фазовый сдвиг. При этом можно опреде- лить временные характеристики однородной цепи любой длины че- рез известные значения коэффициента распространения волны в за- данном диапазоне частот. Во всех остальных случаях требуется подбирать аппроксимационное выражение для К(ш) заново для каж- дого варианта условий, в том числе и при изменении длины цепи. Задача аппроксимации у как функции частоты может быть решена на основании экспериментально определенных значений а и Р в требу- емом диапазоне частот или аналитическим расчетом по конструктив- ным параметрам цепи. Частотный коэффициент затухания а обычно аппроксимируют функ- цией вида а = а0 + by/f + с-f, дБ / км, (2.7) где а0- коэффициент затухания на постоянном токе, а0 = 8,69^/7?qGq (Яд и Go — километрические значения соответственно сопротивления цепи и проводимости изоляции цепи при постоянном токе); b и с — коэффициенты, характеризующие потери соответственно в металлах и диэлектриках; f— частота, МГц. Коэффициенты b и с по измеренным значениям а вычисляются ме- тодом наименьших квадратов. Коэффициент фазы апроксимируют выражением p.ffiVZc + ^^—Л, р„/И1> (2.8) где первое и второе слагаемые соответственно аппроксимируют линей- ную и нелинейную составляющую р. С учетом (2.7) и (2.8) коэффициент распространения волны имеет вид 1 ( Ь г- с \ у=а+ур = —— a0 + -z=V7® + — со + 8,69 ( л/л 2л ? (2.9) гдеЬиС — километрическиезначения соответственно индуктивности и емкости цепи. Аппроксимация вида (2.9) наиболее точно отражает физические про- цессы в цепи. Однако определение временных характеристик цепи по 43
выражению (2.9) в общем случае встречает значительные математичес- кие трудности. В частном случае при использовании высококачественной (стироф- лексной или полиэтиленовой) изоляции потери в проводниках значи- тельно превышают потери в диэлектрике и последними можно пренеб- речь. В этом случае с достаточной для практики точностью можно пользоваться аппроксимационным выражением вида + Я| Y =«о (2.Ю) где а0 = а,/8,69 и я, = bl-8,69 • Расчет операторным методом реакции цепи на воздействие пря- моугольным импульсом. Для определения условий прохождения пос- ледовательности импульсов по цепи достаточно знать форму одиноч- ного импульса на выходе цепи, при подаче на ее вход импульса прямоугольной формы. Форма импульса на выходе цепи может быть определена через пе- реходную функцию цепи. Переходная функция h(f) в свою очередь наи- более просто может быть выражена через комплексную передаточную функцию цепи К(а>). В случае однородной цепи длиной / Дю) = ехр[- (al + J₽/)] = ехр (- у/)- (2.11) Вводя оператор р = /со и скорость распространения волны v =1/4lC , выражение (2.10) можно переписать в виде , , ( Г Р\ Ч(р) = \а0+а^Р +- . (2.12) Для однородной, согласованно нагруженной линии напряжение в конце цепи U/p) при воздействии единичного скачка напряжения в на- чале цепи с учетом выражений (2.11) и (2.12) равно: Ul(P) = — е У(р}1 = —exp -l(a0 + я1л/р + —'j Р Р \ v) (2-13) Найдем по /.-изображению (2.13) его оригинал. Множитель е 01,1, как не зависящий от р, можно вынести за знак преобразования. Мно- 44
житель е pl/v связан с коэффициентом фазы и согласно теореме запаз- дывания показывает, что начало отсчета должно быть смещено на вре- мя tt = Uv, равное времени пробега волны до конца цепи. Оригинал изображения Le~a\l4p р является табличным и выражает- ся через интеграл вероятности: Таким образом, окончательное решение имеет вид (214> (2.15) Для функции erj(z) = Ф(хл/2 ), называемой интегралом вероятности, составлены таблицы. Это выражение характеризует переходный процесс от единичного скачка напряжения и является переходной функцией цепи h(t). Переходная функция цепи позволяет рассчитать форму импульса в конце цепи и ft) при прямоугольной форме импульса на ее входе. Пред- ставляя прямоугольный импульс длительностью т как сумму двух фун- кций (рис. 2.3, а) в виде w0(z) = o(t) — o(t — т), 45
получим в конце цепи Ufd) = h(f) — h(t — т) (рис.2.3,6) с учетом (2.15) ui(t) = e~a«l (2.16) При не единичном напряжении прямоугольного импульса в начале цепи, а равном Ц, В, необходимо ввести это значение в качестве сомно- жителя в выражение (2.16). При получении выражения (2.16) предполагалось, что цепь нагру- жена на согласованную нагрузку, т.е. ZH = ZB. Практически наибольшая несогласованность нагрузки имеет место в области относительно низ- ких частот, в которой изменение волнового сопротивления в зависимо- сти от частоты происходит наиболее резко. Результаты расчета по формуле (2.16) лучше совпадают с измерен- ным значением u/(f), если в указанной формуле вместо множителя е~ао1 использовано выражение /?н / (/?, + Ли), где RH — сопротивление нагруз- ки, a R] — сопротивление жил. 2.2. Параметры цепей как характеристики процесса распространения электромагнитной энергии Электрические линии можно разделить на две основные категории: высоковольтные линии электропередачи, предназначенные доя передачи электрической энергии мощностью от десятков до сотен тысяч и более киловатт из пунктов ее производства к потребителям, и линии автоматики, телемеханики и связи, по которым передаются электрические сигналы мощностью от долей милливатта до нескольких ватт. Однако такое деле- ние является условным, так как энергетические цепи используются одно- временно и для передачи сигналов автоматики, телемеханики и связи, а по проводам линий связи часто передается электрическая энергия для пита- ния промежуточных усилительных пунктов дальней связи. Процессы волнового распространения электромагнитной энергии вдоль электрических цепей полностью определяются распределением магнитного и электрического полей, связанных с проводниками цепи, 46
и, таким образом, зависят от трех пространственных координат. Удоб- ство использования понятий первичных и волновых параметров при инженерных расчетах обусловлено тем, что упрощается описание вол- нового процесса распространения электромагнитной энергии, поскольку в этом случае он будет функцией одной пространственной координаты, совпадающей с осью проводника, вместо трех. Первичными параметрами называются индуктивность и активное сопротивление проводов цепи, а также емкость и проводимость изоля- ции между проводами, отнесенные к единице длины линии — кило- метру— и равномерно распределенные по всей длине линии. Индуктивность проводов L (Гн / км) характеризует способность цепи накапливать энергию в магнитном поле W = LI2I2, а также определяет соотношение между током в проводах цепи и сцепленным с ним маг- нитным потоком: L = Ф/Л Активное сопротивление проводов /?(Ом / км) характеризует поте- рю энергии на тепло в проводах WR = R12 и активное падение напряже- ния на них UR = RI. Емкость С(Ф/км) оценивает способность цепи накапливать энер- гию электрического поля W3 = CU2/2 и связывает заряды на проводах с напряжением между ними: С = q/£7. Проводимость изоляции G (См/км) между проводами цепи — вели- чина, обратная сопротивлению изоляции, определяет потерю энергии GU2 в диэлектрике, окружающем провода, и ток утечки линии /у = GU. К волновым параметрам цепи относится волновое сопротивление цепи ZB и коэффициент распространения волны у. Волновое сопротивление определяет отношение амплитуд напряжения и тока в падающей (отра- женной) волне, а также разность их фаз, которые остаются неизменными в любой точке линии и не зависит от ее длины. Коэффициент распрост- ранения волны характеризует скорость убывания амплитуд напряжений (токов), а также разность фаз напряжений (токов) в начале и конце одно- родной цепи, нагруженной на волновое сопротивление. Волновые пара- метры цепи могут быть рассчитаны через первичные параметры цепи. 2.3. Первичные параметры цепей воздушных линий Определяя первичные параметры двухпроводной цепи, их всегда относят к 1 км цепи, а цепь считают уединенной, т.е. не учитывают 47
влияние на нее соседних цепей, так как эти влияния обычно сведены к минимуму. Для двухпроводной цепи с однородными проводами при постоян- ном токе, плотность которого одинакова по всему сечению проводника, сопротивление последнего /?0 = p//S, (2.17) где р — удельное сопротивление материала провода, Ом. мм2 / м; / — длина провода, м; 5 — сечение провода, мм 2. Для 1 км двухпроводной цепи с однородными сплошными (из одно- го металла, однопроволочными) проводами круглого сечения в это вы- ражение подставляются / = 2000 м и 5 = nd2 / 4, где d—диаметр прово- да, мм. Тогда расчетное выражение для сопротивления двухпроводной цепи постоянному току принимает вид: Ro = 2550 р/d'2. (2.18) Так как удельное сопротивление р обычно приводят при температу- ре 20 °C, то для других температур сопротивление можно определить по формуле: z?oz = /?o[l +ct'(Z — 20)], (2.19) где Ro—сопротивление постоянному току, Ом/км, при температуре 20°С; а' — температурный коэффициент сопротивления материала провода; t — температура, при которой определяется сопротивление, °C. Сопротивление однородных однопроволочных круглых проводов переменному току с учетом поверхностного эффекта в них R = [1 +F(x)]R0. (2.20) В этой формуле 1 + F(x) — коэффициент, определяемый по табли- цам или графикам (рис. 2.4) как функция величины х, представленной выражением (1.46). На рис.2.5 показаны зависимости сопротивлений цепей воздушных и кабельных линий от частоты, откуда видно, что цепи со стальными проводами имеют наибольшую крутизну увеличе- ния активного сопротивления цепи с повышением частоты перемен- ного тока. 48
Рис. 2.4 Индуктивность двухпроводной цепи с однородными круглыми про- водами определяется по формуле: L = ’ 2a-d . 41п—+ Рг0(х) а •io-4, (2.21) где а — расстояние между осями проводов; d — диаметр провода; £Э(х) — коэффициент, характеризующий уменьшение индуктивности цепи вследствие поверхностного эффекта. 4 Зак. 81 Первое слагаемое в форму- ле (2.21) есть внешняя индуктив- ность, связанная с магнитным полем, лежащим вне проводов, а второе — внутренняя индук- тивность, связанная с полем внутри проводов, уменьшающа- яся с ростом поверхностного эф- фекта. Частотная зависимость индуктивности некоторых це- пей воздушных и кабельных ли- ний связи приведена на рис.2.6. 49
Для воздушных цепей телемеханики и связи а г 200 мм и d s 5 мм, что позволяет несколько упростить формулу индуктивности L - 4 In—- + ]irQ(x) а •IO'4. (2.22) Выражение для емкости двухпроводной цепи получается из рассмот- рения картины электрического поля в виде С= ег • 10"6/361п[(2«-б/)/J]. (2.23) Для воздушной линии относительная диэлектрическая проницае- мость е .== 1, d « а и для учета влияния изоляторов, соседних проводов и земли вводится коэффициент 1,05. Тогда, С = 1,05 • 10^/361п(2а/</). (2.24) Ввиду того что электрическое поле уединенного провода круглого сечения не зависит от глубины расположения зарядов в нем, поверхнос- тный эффект не оказывает влияния на емкость, значение которой, следо- вательно, не зависит от частоты. Проводимость изоляции между прово- дами воздушной цепи зависит от таких факторов (степень загрязненности и влажности изоляторов, наличие и глубина трещин в их глазури и т.п.), которые невозможно строго учесть аналитически. Поэтому проводимость изоляции обычно измеряют или вычисляют по эмпирической формуле G = Go + nf, (2.25) где Gq — проводимость изоляции при постоянном токе, См / км; п — коэффициент, учитывающий повышение проводимости изоля- ции с ростом частоты, эквивалентный увеличению потерь в изоляции (пропорционален емкости цепи и тангенсу угла потерь изоляции); /— частота переменного тока, Гц. В зависимости от состояния погоды параметры Go и п имеют следу- ющие значения: GQ = 0,01 10”6 См / км, п - 0,05. 10~9 при сухой погоде; С70 = 0,05 Ю"6 См / км, п = 0,25. 10~9 — при сырой. Отложения гололеда и изморози на проводах приводят к увеличе- нию емкости и проводимости изоляции цепи, так как вода имеет боль- шую диэлектрическую постоянную и высокий коэффициент диэлект- рических потерь. 50
2.4. Первичные параметры цепей симметричных кабелей Первичные параметры двухпроводных цепей симметричных кабе- лей нужно определять с учетом конструктивных отличий кабельных линий от воздушных. Так как расстояние между прямой и обратной жилами кабельной пары соизмеримо с радиусом жилы и с расстоянием до соседних пар, экранов и металлической оболочки кабеля, и все они вносят изменения в структуру электромагнитного поля пары, то при определении параметров необходимо учесть эффект их близости. Жилы или группы скручены в сердечнике кабеля для придания це- пям помехозащищенности, а кабелю гибкости, вследствие чего длина жил несколько превышает длину кабеля. Это удлинение обычно учиты- вают введением коэффициента укрутки (или спиральности) х, значе- ние которого выбирают в зависимости от диаметра повива, в котором находится рассчитываемая цепь, табл.2.1. Таблица 2.1 Диаметр повива, мм До 30 30-40 40—50 50—60 60—70 70—80 Коэффициент, х 1,010 1,016 1,025 1,037 1,050 1,070 Сопротивление кабельной пары постоянному току с учетом темпера- турных изменений рассчитывают по тем же формулам (2.18) и (2.19), что и для воздушных цепей, но с введением в первую из них коэффициента х о 2250р Л°----Х- (2.26) Активное сопротивление кабельной пары при переменном токе рас- считывают по формуле R = Ло [1 + W \-H(x)(d/a)2 + АЛ, (2.27) В этой формуле параметры G(x) и Н(х) учитывают увеличение со- противления за счет эффекта близости жил пары. Эти параметры опре- деляют по графикам (рис.2.7) или табл. 1.2 в зависимости от значения х из формулы (1.46).
Коэффициент р харак- теризует эффект близости с соседними жилами в элементарной группе и принимается равной еди- нице при парной скрутке, двум — при двойной пар- ной и пяти — при звезд- ной. ЛЯ —дополнительное сопротивление в результате потерь энергии на вихревые токи в жилах соседних чет- верок и в металлической оболочке кабеля, учитыва- емое при частотах более 30 кГц по результатам измерений, приведен- ных в табл.2.2. Поскольку в табл.2.1 содержатся данные только для частоты 200 кГц и для свинцовой оболочки, то для другой частоты f их надо пересчи- тать, умножив на f /200000 , а для оболочки из другого металла (на- пример, свинца) с удельным сопротивлением р—умножить на д/р/рсв , где рсв — удельное сопротивление свинца. Индуктивность двухпроводной кабельной цепи может быть рассчи- тана по формуле (2.21) с добавлением коэффициента укрутки L = у 4 In 2а-d d + IO’4, (2.28) Таблица 2.2 Число четверок в кабеле по повивам ДЯ, Ом / км, вызываемое соседними четверками в повивах свинцовой оболочкой в повивах I II III I II III I II III 1 — — 0 — — 22 — — 1 6 — 8 7,5 — 1,5 5,5 — 1 6 12 8 7,5 7,5 0 0 1 52
В числителе под знаком логарифма в этом случае лучше не пренеб- регать диаметром жилы, так как он всего в 2—3 раза меньше расстоя- ния между осями жил и оболочки кабеля. Влияние соседних жил и обо- лочки на электрическое поле и емкость цепи велико и не может не учитываться. Емкость кабельной цепи с учетом этого влияния называ- ется рабочей и определяется по формуле: с Хер-! О-6 (2-29> \ d ) В отличие от выражения (2.23) сюда введены коэффициент укрутки и коэффициент Ф {табл. 2.3), приближенно учитывающий увеличение емкости за счет близко расположенных соседних жил, оболочки или экрана, а диэлектрическая проницаемость комбинированной (например, воздушно-бумажной) изоляции берется результирующая ер зависящая от соотношения объемов воздуха и твердого диэлектрика Е _£НГ1+£,2Г2 р П+г2 (2.30) где ег1 и ег2 — относительные диэлектрические проницаемости соот- ветственно твердого диэлектрика и воздуха; К] и V2 -— объемы твердого диэлектрика и воздушных промежутков на единицу длины кабеля. Коэффициент ф зависит от степени приближения к жилам цепи жил других цепей, оболочки и экранов и определяется по табл.2.3. Таблица 2.3 d,/d Значения Ф в зависимости от скрутки d,/d Значения Ф в зависимости от скрутки парная звездная парная звездная 1,6 0,608 0,588 2,4 0,655 0,647 1,8 0,627 0,611 2,6 — 0,644 2 0,644 0,619 2,8 — 0,648 2,2 0,655 0,630 — — — 53
Отношения диаметров изолированной жилы d} и голой d неодина- ково для разных систем изоляции. Для кабеля МК с кордельно-бумаж- ной изоляцией и диаметром d= 1,2 мм это отношение равно 2,75. Проводимость изоляции кабелей обычно во много раз меньше, чем у воздушных линий, причем первой составляющей в формуле (2.25) можно пренебречь, так как она очень мала по сравнению со вторым слагаемым, обусловленным диэлектрическими потерями. Тогда проводимость изоляции кабельной пары G = o)Ctg5p, (2.31) где С — емкость цепи, Ф / км; — результирующий тангенс угла потерь комбинированной изоляции. Результирующий тангенс вычисляется по формуле c,|tg5|T| + £r2tg62^2 гг,И1+Ег2И2 (232) В этой формуле, как и в формуле (2.30), величины с индексом 1 характери- зуют твердый диэлектрик, а с индексом 2 — воздух (тогда er2 = 1 и tg 52 = 0). Для большинства видов изоляции симметричных кабелей объемы И, и К, в формулах (2.30) и (2.32) можно заменить площадями попереч- ного сечения твердого диэлектрика и воздуха. Значения е() и tg 6() наиболее употребительных видов изоляции при- ведены в табл.2.4. tg6» Таблица 2.4 Изоляция Ер tg5 • 10 4 при частотах 10 кГц 100 кГц 250 кГц 500 кГц Воздушно-бумажная 1,5—1,6 — — — — Из бумажной массы 1,6—1,7 — — — Кордельно-бумажная 1,3—1,4 55 113 160 280 Кордел ьно-стирофлексная 1,2—1,3 3 7 12 20 Полиэтиленовая сплошная 1,9—2,1 2 6 8 14 пористая 1,4—1,5 3 8 12 20 баллонная 1,2—1,3 2 6 8 12 Поливинилхлоридная сплошная 4—6 130—150 120—140 — — 54
Из сопоставления данных табл.2.4 следует, что наилучшими элект- рическими характеристиками обладают кордельно-стирофлексная и полиэтиленовая баллонная изоляции. 2.5. Первичные параметры коаксиальных кабелей Коаксиальные кабели обычно используют при весьма высоких часто- тах (от 60 кГц до нескольких мегагерц), т.е. в условиях сильного поверх- ностного эффекта и значительного эффекта близости, когда рабочий ток течет только по очень тонкому поверхностному слою проводника: на- ружному слою у внутреннего проводника и внутреннему у наружного. Электромагнитное поле таких кабелей сконцентрировано внутри коак- сиальной пары и в расчетах их параметров передачи можно не учиты- вать воздействие соседних цепей и оболочки кабеля. Поэтому при опре- делении параметров коаксиальной пары можно использовать в качестве исходного выражения (1.33). Тогда для внутреннего проводника имеем (2.33) где Za — полное сопротивление внутреннего проводника кабеля с на- ружным радиусом га. Активное сопротивление Ra равно действительной части выражения (2.33) (2.34) Принимая во внимание, что Rq = и) и р. = 4 л-10-7, примем для меди = 1 и о=57 Смм/мм2. Тогда вместо равенства (2.34) при га получим Ля-4,18-10-277/гя. (2.35) Индуктивное сопротивление внутреннего проводника . ГяЯп 1(0110 jG)La - J Im Za-j (2.36) Производя такие же замены, как и в случае активного сопротивле- ния, найдем , 66,6 10’4 L« “ ..:.7F"’ (2-37) 55
Для внешнего проводника сопротивление определяют в том же по- рядке, но с заменой га на гб, где гб — внутренний радиус внешнего про- водника в миллиметрах. Таким образом, сопротивление коаксиальной пары из медных про- водников Я = 4,18J/|— +— Г10"2 Иа r6j и индуктивность (2.38) (2.39) Аналогичные соотношения можно получить и при использовании других материалов (алюминий) или комбинированных коаксиальных пар, состоящих из внутреннего медного и внешнего алюминиевого про- водников. Внутренняя индуктивность проводников коаксиальных ка- белей при высоких частотах вследствие сильного поверхностного эф- фекта пренебрежимо мала. Поэтому индуктивность коаксиальных цепей можно считать равной внешней индуктивности их, то есть А = 2-10-41п(гб/га). (2.40) Эта индуктивность определяется магнитным потоком, заключенным в пространстве между внутренним и внешним проводниками, создава- емым током только одного внутреннего проводника, и имеет поэтому вдвое меньший численный коэффициент, чем у симметричных цепей. Проводимость изоляции определяют по формуле (2.31), а емкость коаксиальной цепи рассчитывают по формуле емкости цилиндрическо- го конденсатора: _6 -----. 181п — (2-41) га Необходимые для этих расчетов значения и tgbp изоляции коакси- ального кабеля находят по табл.2.4 или с помощью тех же выражений (2.30 и 2.32), что и для симметричных кабелей. Для шайбовой изоляции можно заменить объемы соответственно толщиной шайбы и длиной воздушного промежутка между шайбами. 56
Таблица 2.4 Изоляция ер tg51О4 в диапазоне 1 кГц — 10 МГц Полиэтиленовая шайбовая трубчатая сплошная пористая 1,08—1,12 1,17—1,23 2,25—2,35 1,45—1,55 0,04—0,05 1,0—2 3,0—5 1,5—3 Керамическая шайбовая 1,19—1,25 0,9—1,2 Полистироловая 1,08—1,1 0,3—0,35 Двойная спираль из стирофлекса 1,16—1,2 0,75—1 2.6. Волновые параметры цепей воздушных и кабельных линий При решении таких задач, как определение дальности передачи, оценка искажений сигналов и т.п. удобно пользоваться волновыми (вто- ричными) параметрами цепей: волновым сопротивлением ZB = V(/? + >b)/(G + jcoC); (2.42) коэффициентом распространения волны Y = (G + ja>C) = a + j’P (2.43) Волновое сопротивление определяет собой отношение амплитуд на- пряжения к току бегущей по цепи волны, а также разность их фаз в любой точке цепи. Для уменьшения потерь энергии при передаче сиг- налов передатчики и приемники должны иметь сопротивления, равные волновому сопротивлению цепи. Действительная составляющая коэф- фициента распространения волны — километрический коэффициент 57
затухания а показывает степень убывания амплитуды напряжения или тока бегущей по цепи волны на расстоянии 1 км a-(l//)201g|l/H/l7K|, (2.44) где / — длина линии; С7Н и — амплитуда напряжения в начале и конце цепи. Мнимая составляющая коэффициента распространения волны — километрический коэффициент фазы р — представляет собой разность фаз векторов напряжений или токов волны в точках цепи, отстоящих одна от другой на расстояние 1 км. Коэффициент распространения волны и его зависимость от частоты характеризуют возможную дальность передачи сигнала, определяя его затухание и искажения. Значения первичных параметров непосредственно связаны с конст- рукцией цепи, геометрическими размерами и формой проводов, а вол- новые параметры зависят от всех факторов неявно, через первичные параметры. Поэтому формулы (2.42), (2.43) и (2.44) справедливы для всех направляющих систем первой группы (см.п.1.1). Чаще всего рас- сматривают зависимости параметров от частоты в диапазонах исполь- зуемых частот. Волновые параметры как и первичные параметры обла- дают сложной зависимостью от частоты. Волновое сопротивление цепи в общем случае для всех типов цепей является комплексом, который удобно представлять в показательной форме, т.е. в виде модуля и угла (аргумента) сопротивления: ZB = 7(Л + j<b£)/(G + ушС) = \ZB | • ej^. (2.45) У всех типов цепей, применяемых в технике связи, угол волнового со- противления отрицателен, а модуль его уменьшается с ростом частоты, т.е. реактивная составляющая его носит емкостной характер. Объясняется это тем, что прямой и обратный провод любой цепи по конструктивным и эко- номическим соображениям расположены настолько близко друг к другу, что емкость цепи относительно велика, а индуктивность мала. Из графика частотной зависимости волновых сопротивлений (рис.2.8) следует, что волновое сопротивление цепей воздушных линий связи со сталь- ными проводами (кривые 1 и 2) намного больше, чем у цепей с медными 58
(кривая 3) и биметаллическими (кри- вая 4) проводами, а также сильнее зави- сит от частоты, так как у первых замет- но большая внутренняя индуктивность, которая значительно уменьшается с ро- стом частоты. При прочих равных усло- виях волновое сопротивление несколь- ко уменьшается с увеличением диаметра проводов, так как при этом растет ем- кость (кривая 1 для диаметра 4 мм, 2 для диаметра 5 мм). Кабели магистральные и сигналь- но-блокировочные (МК — кривая 5 и СБПБ — кривая 6) обладают в 5—20 раз большей емкостью и в 2—5 раз меньшей индуктивностью, чем воздушные цепи, поэтому их волновое сопротивление значительно меньше, чем у последних. В качестве согласованных нагрузок принимают сопротивления, рав- ные следующим значениям модуля волновых сопротивлений цепей: двухпроводные воздушных линий с проводами цветного металла (мед- ными и биметаллическими) — 600 Ом, со стальными проводами в диа- пазоне тональных частот— 1200 + 1400 Ом; кабелей связи при тональ- ных частотах — 400+ 500 Ом, при высоких частотах — 150+ 180 Ом. Волновое сопротивление коаксиальных кабелей дальней связи (кроме подводных) при высоких частотах приблизительно равно 75 Ом. Коэффициент распространения волны, определяемый выражением (2.43), представляет собой комплекс километрического затухания а и километрического коэффициента фазы 0. Для воздушных цепей при частотах больше 3000 Гц, когда Я« шЬ и G »шС, из формулы (2.43) можно получить приближенные формулы для а (дБ / км) и 0 (рад / км): а = 8,69 (2.46) (2.47) 59
В формуле (2.46) множитель 8,69 — коэффициент перехода от еди- ницы затухания «Непер» (Нп) к единице затухания «децибел» (дБ). Для кабелей при частотах тонального диапазона R »u>L и G «соС. Тогда из выражения (2.43) получим Y = JjtoRC = , (2.48) откуда а = 8,69л/®АС/2 (2.49) 0= V®/?C72. (2.50) В указанном диапазоне частот затухание и коэффициент фазы ка- бельной цепи определяются главным образом сопротивлением и емко- стью кабеля. Кривые затухания цепей различных видов в зависимости от часто- ты приведены на рис.2.9. Из воздушных наибольшее затухание имеют цепи со стальными проводами (кривая 1 для диаметра 4 мм, 2 для диа- метра 5 мм). Затухание цепей с медными (кривая 4) и биметаллически- ми (кривая 5) проводами во много раз меньше, так как их сопротивле- ние меньше, чем у стальных, и мало зависит от частоты. Магистральные кабели (МК — 7 х 4 х 1,2) (кри- вая 3) по сравнению с воздуш- ными цепями имеют меньшую индуктивность и проводимость изоляции и большие емкость и сопротивление. Соотношение их первичных параметров в большей степени, чем у воз- душных цепей, отличается от условия минимума затухания. Поэтому затухание кабелей значительно превышает затуха- ние воздушных цепей. Сигналь- но-блокировочные кабели изго- товляют обычно с применением более дешевых, обладающих 60
большими удельными потерями диэлектриков, чем у кабелей связи, так как они рассчитаны на использование, главным образом, в тональном диапазоне частот. Частотные харакгери- стики коэффициента фазы различных цепей даны на рис.2.10,а, харак- теристики фазовой скоро- сти — на рис. 2.10,6. Фа- зовая скорость Уф = ш/р есть скорость распрост- ранения по линии синусо- идальной волны в устано- вившемся режиме. Волновые парамет- ры цепей зависят от ме- теорологических усло- 0 1 2 3 4 /,кГц вий. Особенно это касается воздушных цепей, сопротивление которых меняется на 12—15% при изменении температуры на 40 °C, а проводи- мость изоляции возрастает в несколько раз при переходе от сухой пого- ды к сырой (рис.2.11). Так как большинство кабелей прокладывают в земле на глубине 0,7—1,2 м, то на них воздействуют лишь сезонные изменения температуры, годовой перепад которых в средней полосе РФ составляет от -2 до + 18 °C. Рост температуры кабеля увеличивает его затухание, так как повышается сопротивление жил кабеля и тан- генс угла потерь большинства диэлектриков, применяемых в кабелях. При изменении температуры кабеля на 20 °C затухание его меняется на 2—5%. Пользуясь значениями параметров, полученными расчетным путем, необходимо помнить, что их погрешность может достигать 5—10%, а иногда и больше. В расчетных формулах могут быть лишь приближенно учтены такие факторы, как потери энергии в изолято- 61
Контрольные вопросы pax и земле для цепей воздушных линий; влияние оболочек и экранов, разброс конструктивных размеров цепей и неоднородности диэлектри- ков — для кабельных цепей. Все эти факторы учитываются при измере- ниях параметров. Все волновые и первичные па- раметры цепи могут быть рассчи- таны по результатам измерений ее входных сопротивлений при холо- стом ходе и коротком замыкании. Этот метод подробно рассматрива- ется в теории линейных электри- ческих цепей. 1. Что понимается под характеристикой передачи цепи связи? 2. Что называется первичными параметрами цепи, как и почему они зависят от частоты? 3. Как первичные параметры зависят от материала, геометричес- ких размеров проводников и расстояния между проводниками цепи? 4. Какие параметры называются волновыми параметрами цепи, как они выражаются через первичные параметры? 5. Какие процессы в линии характеризуются первичными парамет- рами? 6. Какие процессы в линии характеризуются волновыми пара- метрами?
Глава 3 КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ 3.1. Конструктивные элементы кабелей 3.1.1. Общие понятия Кабели, провода и шнуры являются электрическими изделиями, пред- назначенными для передачи электрической энергии, электрических или световых сигналов информации. Кабель — это электрическое изделие, состоящее из одной или не- скольких изолированных жил (проводников), заключенных в металли- ческую или неметаллическую оболочку, поверх которой может быть расположен защитный покров. Провод состоит из одной неизолированной жилы, изготовленной из одной или нескольких скрученных проволок или из одной или более изолированных жил, которые могут быть заключены в легкую неметал- лическую оболочку с обмоткой и оплеткой или только оплеткой волок- нистыми материалами и проволокой. Шнур — это провод с изолированными жилами повышенной гибко- сти; предназначен, как правило, для соединения неподвижных устройств с подвижными или подвижных между собой. Кабели, провода и шнуры содержат токопроводящие жилы или оп- тические волокна, изоляцию, экран, оболочку и наружные покровы. 3.1.2. Классификация кабельных линий Современные кабели связи классифицируются по ряду признаков: в зависимости от назначения, области применения, условий прокладки и эксплуатации, спектра передаваемых частот, конструкции, материала и формы изоляции, системы скрутки, рода защитных покровов. В зависимости от области применения кабели связи разделяются на магистральные, зоновые (внутриобластные), сельские, городские, а так- же кабели для соединительных линий и вставок. Изготовляются также 63
радиочастотные кабели для фидеров питания антенн радиостанций и монтажа радиотехнических установок. Кабельные линии и сети связи, автоматики и телемеханики, применяе- мые на железнодорожном транспорте, по области применения делятся на: линии дальней связи, прокладываемые вдоль железных дорог между сете- выми узлами и сетевыми станциями различного уровня для организации на их основе магистральной, дорожной и отделенческой первичных сетей; линии станционной проводной связи, прокладываемые, как правило, в пределах железнодорожных станций и узлов для организации: линии местной общетехнологической связи (абонентские и соеди- нительные линии); линии станционной распорядительной и стрелочной связи; линии вторичной коммутации отделенческой оперативно-техно- логической связи; линии двусторонней парковой связи громкоговорящего оповещения; линии абонентских участков информационно-вычислительных се- тей (ИВС) передачи данных. Кабельные линии и сети автоматики и телемеханики подразделяют- ся на линии и сети автоблокировки, электрической централизации. Кабельные сети автоблокировки включают в себя станционную и перегонную сети, к ним относятся также кабельные вставки высоко- вольтно-сигнальной линии. По условиям применения кабели связи классифицируются на под- земные (в том числе в кабельной канализации, в трубах, коллекторах, тоннелях), подводные (речные, морские), подвесные (на опорах кон- тактной сети и высоковольтных линий автоблокировки, на опорах ЛЭП, на фермах мостов и др.), прокладываемые в желобах (лотках) и трубах, укладываемых по поверхности грунта, с заглублением в грунт или по мостам и путепроводам. По спектру передаваемых частот кабели связи делятся на низкочас- тотные (тональные) и высокочастотные (от 12 кГц и выше). По конструкции и взаимному расположению проводников цепи ка- бели подразделяются на симметричные и коаксиальные. Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в элек- трическом и конструктивном отношении изолированных проводников (рис. 3.1,а). Коаксиальная цепь представляет собой два цилиндра с со- 64
вмещенной осью, причем один цилиндр — (сплошной провод- ник) концентрически располо- жен внутри другого цилинд- ра—полого (рис. 3.1,6). Кроме того, кабели разли- чаются: составом входящих элемен- тов — однородные и комбини- рованные; материалом и структурой изоляции—с воздушно-бумажной, кордельно-бумажной, кордельно- стирофлексной (полистирольной), сплошной полиэтиленовой, порис- то-полиэтиленовой, баллонно-полиэтиленовой, шайбовой полиэтиле- новой, фторопластной и другой изоляцией; видом скрутки изолированных проводников в группы — парной и чет- верочной (звездной), в сердечник—повивной и пучковой скруткой. Кабели делятся по виду оболочек: металлические (свинец, алюминий, сталь), пластмассовые (полиэтилен, поливинилхлорид), металлопластмас- совые (альпэт, стальпэт), а также по виду защитных покровов (ленточная или проволочная броня, джутовый или пластмассовый покров). Кабели по передаваемому напряжению делятся на сигнально-бло- кировочные, предназначенные для работы номинальным переменным напряжением 380 В и постоянным 700 В; контрольные кабели, рассчи- танные на переменные напряжения до 660 В и постоянное до 1000 В. Силовые кабели для передачи и распределения электрической энергии от 660 В переменного напряжения до 500 кВ постоянного. 3.1.3. Жилы кабелей Токопроводящие жилы (обычно круглой формы) кабелей связи долж- ны обладать высокой электрической проводимостью, гибкостью и доста- точной механической прочностью. Наиболее распространенными мате- риалами для изготовления кабельных жил являются медь и алюминий. Медь, как правило, применяется отожженная, мягкая, марки ММ с удельным сопротивлением 0,01754 Ом • мм2 /ми температурным коэф- фициентом сопротивления постоянному току 0,004. Прочность на раз- 5 Зак 81 65
а б в г Рис. 3.2 рыв—260 Н / мм2 с относительным удлинением 25% (для жил диамет- ром 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 0,0042. Удельный вес 2,72 г / см3. Используемая медная проволока имеет диаметр 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 мм для кабелей городских телефонных сетей и 0,8; 0,9; 1,0; 1,05; 1,2 мм для магистральных кабелей. На городских сетях наиболее широко приме- няются кабели с жилами диаметром 0,5 мм, а для междугородной связи— с жилами диаметром 1,2 мм, а на железнодорожном транспорте 1,05 мм. Диаметр алюминиевых жил составляет 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 маг- ния, железа и других металлов. Наряду со сплошными цилиндрическими проводниками (рис. 3.2,а) используются также проводники несколько более сложной конструк- ции. В тех кабелях, где требуются повышенная гибкость и механичес- кая прочность, токопроводящая жила скручивается в литцу из несколь- ких проволок (рис. 3.2,6) (чаще 7, 12, 19 и т. д.). Имеются также биметаллические проводники (рис. 3.2,в) конструк- ции сталь-медь БСМ, сталь-алюминий БСА, алюминий—медь. В под- водных кабелях применяется многопроволочная жила (рис. 3.2,г), со- стоящая из проволок разного сечения. В центре такой жилы размещается толстый проводник, а повив состоит из тонких проволок. Указанные токопроводящие жилы используются для симметричных кабелей и в качестве внутреннего проводника коаксиального кабеля. Вне- шний проводник коаксиального кабеля, имеющий форму полого цилин- 66
дра, изготовляется в виде тонкой трубки из меди и алюминия. Конструктивные разновидности гибких вне- шних проводников коакси- ального кабеля, показаны на рис. 3.3, а — молния, б — гофрированный, в — спи- ральный, г — оплеточный. Наибольшее примене- ние в коаксиальных кабе- лях дальней связи получила конструкция внешнего проводника типа молния (рис. 3.2,а), как более технологичная и обеспечивающая требу- емую электрическую однородность по длине. Жилы кабелей для сигнализации и блокировки — медные круглые однопроволочные диаметром 0,8; 0,9 и 1 мм. С медными круглыми од- нопроволочными жилами изготавливаются следующие кабели: симмет- ричные магистральные высокочастотные с жилами диаметром 0,70; 0,90; 1,05; 1,20 мм; низкочастотные дальней связи с жилами диаметром 0,7; 0,8; 0,9; 1,05; 1,2; 1,4 мм; городские телефонные с жилами диаметром 0,32; 0,40; 0,50; 0,64, 0,70 мм и другие кабели. Жилы силовых и контрольных кабелей могут быть медными или алюминиевыми, одно— или многопроволочными круглой или фасонной формы сечением от 1 до 500 мм для медных жил и от 2, 5 до 500 мм алюминиевых жил. Форма одно— и многопроволочных жил зависит от материала жилы и ее сечения, вида изоляции кабеля (например, пропитанная бумажная, резиновая, пластмассовая). 3.1.4. Материалы и виды изоляции Материал, применяемый для изоляции кабельных жил, должен об- ладать высокими и стабильными во времени электрическими характе- ристиками, быть гибким, механически прочным и не требовать слож- ной технологической обработки. В электрическом отношении свойства изоляции определяются следующими параметрами: электрической проч- ностью U, при которой происходит пробой изоляции; удельным элект- 5* 67
рическим сопротивлением р, характеризующим ток утечки в диэлект- рике; диэлектрической проницаемостью е, характеризующей степень смещения (поляризации) зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля; тангенсом угла диэлектрических потерь (или ве- личиной диэлектрических потерь) tgb, характеризующим потери высо- кочастотной энергии в диэлектрике. Наилучшим диэлектриком является воздух, который обладает е-»1; р-»оо и Zg6-»0. Однако создать изоляцию только из воздуха практичес- ки невозможно. Поэтому кабельная изоляция, как правило, является ком- бинированной и содержит как воздух, так и твердый диэлектрик, при- чем количество твердого диэлектрика должно быть минимальным и определяться требованиями устойчивости изоляции и жесткости ее кон- струкции. Изоляция должна предохранять токопроводящие жилы от соприкосновения между собой и строго фиксировать взаимное распо- ложение жил в группе по всей длине кабеля. В качестве диэлектриков в кабелях связи широко используются по- лимеризационные пластмассы типа полистирол (стирофлекс), полиэти- лен, фторопласт, полихлорвинил и др. Сочетание высоких электричес- ких характеристик в широком спектре частот, влагостойкости, стойкости к различным агрессивным средам и сравнительной легкости техноло- гической обработки обеспечило пластмассам широкое применение в кабелях связи в качестве изоляции и защитных оболочек. При оценке пригодности того или иного типа кабеля следует иметь в виду, что ширина полосы частот, передаваемой по кабелю, обусловле- на качеством используемого диэлектрика (е, tgb) и в первую очередь величиной диэлектрических потерь. Потери высокочастотной энергии в диэлектрике кабеля непосредственно связаны с величиной tgb и пря- молинейно возрастают с ростом частоты. Для сравнения укажем, что при частоте 1 МГц величина кордельно-бумажной изоляции составля- ет 400-Ю^4, а полиэтилена—не более 5-1СН. С ростом частоты эта раз- ница в потерях линейно возрастает, и для высокочастотных кабелей ста- новятся пригодными лишь определенные виды пластмасс. Для изоляции кабельных жил применяют бумагу из сульфатной цел- люлозы. Для местных используют бумагу толщиной 0,05 мм, а для ма- гистральных — 0,08; 0,12 и 0,17 мм. Бумагу окрашивают в разные цве- та (красный, синий, зеленый), чтобы различать жилы кабеля при монтаже. Бумага может быть также натурального цвета. 68
Поливинилхлорид (ПВХ) устойчив к действию химических реаген- тов, обладает высокой влагостойкостью, однако легко разлагается при нагревании. Обладает низкой теплостойкостью и подвержен интенсив- ному старению под действием тепла и света. При низких температурах ПВХ теряет прочность, при высоких резко ухудшает свои электричес- кие свойства. Достоинством поливинилхлорида является негорючесть. Полиэтилен по своим изоляционным свойствам превосходит бумагу. Получают его полимеризацией сжиженного этилена при высоких темпе- ратурах и давлении. Полиэтилен обладает высокой эластичностью, проч- ностью, малой влагопоглощаемостью, имеет небольшую плотность, не тонет в воде. Кроме того, у полиэтилена малый коэффициент диэлектри- ческой проницаемости, незначительный угол диэлектрических потерь и высокое объемное сопротивление, причем две последние характеристики с ростом частоты тока увеличиваются очень мало. Параметры полиэтиле- на стабильны в широком диапазоне температуры (от -45 до +100°С). Пористый полиэтилен получают при специальной термической об- работке смеси полиэтилена с газообразующим веществом (нарофором). Ячеистая структура материала с большим количеством мелких закры- тых воздушных включений (35—55%) снижает расход полиэтилена, уменьшает массу и стоимость кабеля, диэлектрическую проницаемость материала, в результате рабочая емкость и затухание кабельной цепи уменьшаются. Существенным недостатком пористого полиэтилена яв- ляется повышенная влагопоглощаемость. Стирофлекс изготавливают из жидкого стирола, исходным сырьем для которого является нефть или каменный уголь. Из стирофлекса де- лают ленты толщиной 0,045 и шириной 10—12 мм и кордели для изо- ляции ВЧ кабелей связи. Для отличия жил друг от друга стирофлекс окрашивают в различные цвета. При работе со стирофлексом следует иметь в виду его невысокую теплостойкость (65— 80°С). Полиизобутилен получают в результате соответствующей обработ- ки изобутилена, который после полимеризации превращается в рези- нообразный материал, имеющий различные названия (полиизо-бути- лен, оппанол, вистонекс и др.). Из-за текучести его редко применяют в чистом виде и обычно соединяют с другими материалами. Полипропилен близок к полиэтилену, отличается от него более вы- сокой теплостойкостью и допускает длительную эксплуатацию при тем- 69
Рис. 3.4 пературе окружающей среды до 120 °C, сохраняет гибкость при низких температурах, не разрушается под воздействием сильных кислот (за исключением концентрированной азотной кислоты), масел, ацетона, бензина, плохо пропускает водяные пары и газы. Фторопласт является полимером производных этилена, в которых атомы водорода замещены фтором. Фторопласт имеет высокую тепло- стойкость (до 300°С) и стойкость к действию химических реагентов. Этот материал сохраняет гибкость при очень низких температурах. В качестве диэлектрика могут применяться изоляционные лаки; шелк натуральный и синтетический; полистирольные и триацетатные лен- ты; хлопчатобумажная пряжа. Для силовых и контрольных кабелей используется резиновая изоля- ция, которая изготавливается на основе каучуков. Трубчатую изоляцию (рис. 3.4,а) выполняют из бумажной или пласт- массовой ленты. Кордельная изоляция (рис. 3.4,6) состоит из нити кор- деля, располагаемой открытой спиралью на проводнике, и накладывае- мой на него ленты. Сплошная изоляция (рис. 3.4,в) представляет собой слои пластмассы. Пористая изоляция (рис. 3.4,г) — это сплошной слой пористой пластмассы, наложенный равномерно на проводник. Баллонная (рис. 3.4,д) изоляция представляет собой пластмассовую трубку диаметром 0,2...0,3 мм, внутри которой располагается проводник. Баллоны создаются обжатием по двум полуокружностям через каждые 7—12 мм, что обеспечивает удержание проводника в центре изоляции. Баллонно-кор- 70
дельную изоляцию (рис. 3.4, е) выполняют в виде пластмассовой трубки, внутри которой находится проводник. Трубка обжата по спирали пласт- массовым корделем, благодаря чему проводник удерживается на линии про- дольной оси образовавшихся баллонов с воздухом. Шайбовую изоляцию (рис. 3.4, ж) изготовляют из твердого диэлек- трического материала в виде шайб толщиной 1,5...2,5 мм, насаживае- мых на проводник через равные промежутки. Спиральная (геликоидальная) изоляция (рис. 3.4, з)представляет со- бой равномерно распределенную по длине проводника пластмассовую спираль. Колпачковая изоляция (рис. 3.4, и) состоит из цилиндричес- ких пластмассовых или керамических колпачков, насаживаемых на про- водник вплотную друг к другу. Кордельно-трубчатая полистирольная и кордельно-трубчатая поли- этиленовая изоляция образуется корделем, наложенным на жилу по винтовой спирали, и полистирольными или полиэтиленовыми трубка- ми или лентами, обмотанными вокруг корделя. Изоляция коаксиальных кабелей — баллонная, кордельно-трубчатая пластмассовая (полиэтиленовая или полистирольная), кордельно^-бумаж- ная, шайбовая, сплошная из пористого полиэтилена. Шайбовая изоляция образуется полиэтиленовыми шайбами, расположенными через опреде- ленный интервал на внутреннем проводнике коаксиальной пары. Изоляция жил симметричных низкочастотных кабелей связи — кор- дельно-трубчатая бумажная, кордельно-трубчатая полиэтиленовая, кор- дельно-трубчатая полистирольная, сплошная из пористого полиэтилена. Изоляция жил городских и местных телефонных кабелей — воздуш- но-бумажная, трубчато-бумажная и бумагомассная, полиэтиленовая сплош- ная, пористая, пористо-сплошная. Воздушно-бумажная изоляция образо- вана сочетанием кабельной, или телефонной, бумаги или бумажной массы и воздуха; трубчато-бумажная изоляция — лентой, наложенной на жилу в виде трубки неплотно, с воздушным зазором; бумагомассная изоляция — пористой бумажной массой, наложенной на жилу коаксиальным слоем. Изоляция жил кабелей для сигнализации и блокировки —- полиэти- леновая. Изоляция жил контрольных кабелей — сплошная резиновая, полиэтиленовая или поливинилхлоридная. Изоляция силовых кабелей — бумажная пропитанная, резиновая и пластмассовая. 71
Для изоляции применяется кабельная бумага, пропитанная не стека- ющим маслоканифольным составом. У силовых кабелей с обедненно- пропитанной бумажной изоляцией она освобождена от избытка пропи- точного состава (пропиточный состав заполняет только микроструктуру бумажной изоляции). При выполнении изоляции жила обматывается лентами кабельной бумаги в несколько слоев. Резина на жилы силовых кабелей накладывается сплошным слоем. 3.1.5. Скрутка жил и построение сердечника кабеля Скрутку жил применяют для уменьшения взаимных электромагнит- ных влияний. Она также снижает влияние внешних электромагнитных полей на кабельные цепи, облегчает взаимное перемещение жил при изгибах кабеля и обеспечивает ему более устойчивую и круглую фор- му. Жилы в многожильных кабелях скручивают концентрическими по- вивами (слоями), смежные повивы—в противоположных направлени- ях. Изолированные жилы скручивают в группы несколькими способами. Простую кабельную скрутку применяют только в многожильных кабелях, состоящих из одинаковых изолированных жил, используемых в однопроводных цепях. В этом случае жилы укладываются концент- рическими слоями или повивами вокруг центральной жилы. Сложную кабельную скрутку выполняют из жил, предварительно скрученных в элементарные группы симметричных кабелей. Существует несколько типов скруток жил. Парная скрутка (П) — два изолированных провода (кабельные жилы) скручивают в пару с шагом скрутки не более 300 мм (рис. 3.5,а). Скрученные в кабеле пары представляют собой взаимно скрещенные элементарные груп- пы с расстоянием между крестами, равным шагу скрутки. Данную скрутку применяют преимущественно в телефонных кабелях местной связи. Шагом скрутки называют расстояние по длине скрученной группы, которое соответствует полному обороту любой из жил вокруг оси скрут- ки. Так же определяют шаг скрутки групп, но при этом вместо обычной жилы рассматривают какую-либо из групп. Четверочная, или звездная, скрутка (3) (рис. 3.5,6) —четыре изолиро- ванные жилы, расположенные по углам квадрата, скручивают с шагом скрутки 150—300 мм. Разговорные пары в этой скрутке образуются из про- тивоположных жил. Так, жила ой образуют одну пару, а жилы с и d — 72
другую, жила а — красного, Ъ — желто- го, с — синего, d — зеленого цветов. Тройная скрутка — три изолирован- ных жилы скручены или расположены параллельно в один ряд. Скрутка шес- теркой скручена из трех пар. Восьмерочная скрутка (В)—восемь жил группы (рис. 3.5,в) располагают концентрически вокруг сердечни- ка из изоляционного материала, например стирофлексного или поли- этиленового корделя. Из восьми жил могут быть образованы две чет- верки: нечетная и четная. Всего могут быть получены четыре основные и две фантомные пары с одинаковыми параметрами. Для уменьшения влияния между цепями систематически меняют взаимное расположе- ние жил по длине (в муфтах). При скрутке элементы кабеля с воздушно-бумажной изоляцией де- формируются, изоляция обжимается и группы несколько западают друг в друга. Поэтому наряду с диаметром описанной вокруг группы окруж- ности (расчетный диаметр) существует понятие об эффективном диа- метре группы (фактическом). Например для парной скрутки <7рп = 1,71 d, d3n = l,65d для звездной, <7рз = 2,41 d, <7ЭЗ = 2,2d. Наиболее экономичной, обеспечивающей лучшую стабильность электрических параметров, является звездная скрутка. Эта скрутка по- лучила преимущественное применение в кабелях многоканальной свя- зи, но она несколько уступает парной скрутке по взаимным влияниям между соседними цепями. При согласованных шагах звездной скрутки защищенность между цепями в разных четверках больше, чем между цепями внутри четверки. Эта скрутка обеспечивает вполне достаточ- ную защищенность от взаимных помех между цепями. Парная скрутка является наиболее простой в производстве и применяется в основном при изготовлении местных (городских) кабелей. Скрученные в группы изолированные жилы систематизируют по определенному закону и объединяют в общий кабельный сердечник. В зависимости от характера образования сердечника различают две сис- темы скрутки: повивную и пучковую. При повивной скрутке группы располагаются последовательными концентрическими слоями вокруг центрального повива из одной—пяти 73
групп. Смежные повивы скручены во взаимно противоположных на- правлениях. Такое расположение повивов облегчает также отделение их друг от друга при монтаже кабеля. При однородной кабельной скрутке для образования повивов в ка- беле 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: D-d{ 1 +--!-- sin 180л (3-1) где d—диаметр группы; п—число групп в центральном повиве (две—-пять). Зная число групп (элементов) в центральном повиве, можно опреде- лить их число в последующих повивах. Так, если имеется какая-либо кабельная скрутка, у которой, считая от центра, повив имеет т групп, то в следующем повиве будет и групп, где и = т + 6. Следовательно, при повивной скрутке число групп (элементов) в каждом последующем по- виве увеличивается на шесть по сравнению с предыдущим. Исключе- нием из этого правила является второй повив в том случае, когда в пер- вом (центральном) повиве имеется лишь одна группа. Тогда во втором повиве увеличение будет не на шесть, а на пять групп. Так как группы каждого последующего повива накладываются на предыдущий по винтовой линии, то длина жил кабеля увеличивается по сравнению с длиной кабеля (рис. 3.6). Удлинение жил кабеля учиты- вается через коэффициент укрутки, определяемый по формуле: Х = у/1 + л2(Б/п)2 . (3.2) Параметр х равен 1,02... 1,07. При пучковой, скрутке группы (пары, чет- верки и т. п.) скручиваются в одну сторону и с одним шагом в пучки или пучок, из которых (которого) образуется сердечник. Пучки мо- гут быть элементарными и главными. Элементарные пучки состоят не более чем из 20 групп (пар, четверок и т. п.) и слу- жат для образования скруткой их сердечни- ка или главных пучков, из которых скру- 74
чиванием формируется сердечник. В сердечнике главные пучки распо- ложены повивами. В каждом повиве сердечника повивной или пучко- вой скрутки имеется одна счетная и одна направляющая группы (пары, четверки, пучки). Направляющая группа, отличающаяся расцветкой изоляции хотя бы одной из жил (групп) от всех других групп (пар, четверок, пучков) по- вива, служит для определения направления, в котором должен быть произведен отсчет для нахождения искомой группы (как правило, крас- ного цвета). Счетная группа (пара, четверка, пучок), также отличающаяся расцвет- кой изоляции хотя бы одной из жил (групп) от всех других групп повива, служит для нахождения искомой группы (как правило, черного цвета). Перечисленные системы скрутки относятся к сложным системам правильной повивной скрутки. При однородной скрутке все скручива- емые в сердечник группы одинаковы, а при неоднородной — сердеч- ник формируется из разных групп, например с парами и четверками, с жилами разного диаметра и т. п. Изолированные жилы могут скручиваться непосредственно в сер- дечник без предварительного формирования групп по системе простой правильной повивной скрутки (рис. 3.7,а). При числе жил до семи они скручиваются в пары, тройки, четверки и повив из пяти, шести или семи жил. Если число жил более семи, они скручиваются повивами вокруг одной—пяти жил. С применением системы простой правильной повивной скрутки (рис. 3.7,а) изготавливаются кабели для сигнализации и блокировки без парной скрутки жил, контрольные и силовые кабели и др. а б в Рис. 3.7 75
Сердечники пучковой скрутки (рис. 3.7,6) формируют в основном при изготовлении городских телефонных кабелей. Сердечники правильной повивной скрутки с парной (ри^. 3.7,в) и звездной скруткой жил применяются при изготовлении симметричных магистральных высокочастотных и низкочастотных кабелей, городс- ких телефонных кабелей и др. 3.1.6. Экраны, оболочки и защитные кабельные покровы Защитные оболочки и покровы кабелей предохраняют изоляцию жил от влаги и защищают кабель от механических воздействий в процессе его транспортировки, прокладки и эксплуатации. На сердечник накладываются спирально или продольно бумажные, пластмассовые или резиновые ленты или пластмассовые оболочки, об- разуя поясную изоляцию. Поясная изоляция скрепляет сердечник и со- храняет его форму, предохраняет жилы с изоляцией от механических и тепловых повреждений при изготовлении кабельного изделия. В зависимости от материала изоляции жил и оболочек и особеннос- тей конструкции кабельного изделия для образования поясной изоля- ции применяются полиэтиленовые, поливинилхлоридные, полиамид- ные или равноценные им пластмассовые ленты или пленки, а также кабельная бумага, прорезиненная ткань и изоляция из поливинилхло- ридного пластиката, не распространяющего горение. Поясная изоляция может быть образована из двух разнородных лент или лент и изоляции из поливинилхлоридного пластиката и полиэтилена. Экраны предназначены для защиты цепей в кабелях, проводах и шнурах связи и автоматики и телемеханики от внешних и внутренних (взаимных) электромагнитных влияний. В силовых высоковольтных ка- белях экраны служат для выравнивания электрического поля. Алюми- ниевые и свинцовые оболочки кабелей для сигнализации и блокиров- ки, а также кабелей связи выполняют функции экрана. Экранирование сердечника или отдельных групп (пар, четверок, пучков) кабелей связи производится алюминиевыми, алюминиевыми гофрированными, медными или стальными лентами, накладываемыми продольно или спирально, алюмополиэтиленовыми лентами, металли- зированной бумагой, а также оплеткой из плоских или круглых медных 76
проволок (луженых или нелуженых). Алюминиевая лента изготавлива- ется из мягкой алюминиевой фольги. Медные ленты используются, как правило, отожженными. Их толщина 0,1 мм, а ширина не менее 25 мм. Алюмополиэтиленовая лента применяется в кабелях с полиэтиленовы- ми оболочками. Она представляет собой алюминиевую фольгу толщи- ной 0,10 или 0,15 мм, покрытую с одной стороны полиэтиленовой плен- кой. При изготовлении кабеля лента накладывается на сердечник металлом внутрь и сваривается с оболочкой. Металлизированная бума- га — это кабельной бумага, покрытая слоем алюминия. Экранирование изолированных жил проводов и шнуров связи про- изводится оплеткой или обмоткой медной проволоки диаметром 0,05—0,12 мм, а также мишурными нитями поверх группы. Экраны кабелей для сигнализации и блокировки с пластмассовыми оболоч- ками изготавливаются из алюминиевой фольги или металлизирован- ной бумаги. В контрольных экранированных кабелях экран устраивается нало- жением на сердечник поверх поясной изоляции медной ленты толщи- ной 0,06 мм, или алюминиевой фольги толщиной 0,15 мм, или гофри- рованной алюминиевой ленты. В силовых кабелях с пропитанной бумажной изоляцией и с бумаж- ной изоляцией, пропитанной не стекающим составом, на напряжение 6—10 кВ на поясную изоляцию и в кабелях на напряжение 20 и 35 кВ на жилы и поверх изоляции наложен экран из полупроводящей бумаги. Оболочка кабеля — это непрерывная металлическая или неметал- лическая трубка, расположенная поверх сердечника с поясной изоля- цией (экраном) для защиты его от механических воздействий, света, проникновения влаги, химических веществ, электромагнитных влия- ний и других внешних факторов. Применяются оболочки металлические (свинцовые, алюминиевые, стальные), пластмассовые (полиэтиленовые и поливинилхлоридные), резиновые и металлопластмассовые (в виде пластмассовой трубки с тонким слоем металла изнутри). Свинцовые оболочки кабелей связи изготавливаются из свинцово- сурьмянистых сплавов. Кабели, предназначенные для эксплуатации в условиях повышенной вибрационной нагрузки, имеют свинцовые обо- лочки из сплавов повышенной прочности с содержанием сурьмы 0,6— 77
0,8%. Свинцовые оболочки силовых кабелей состоят из свинца или из свинцово-сурьмянистых сплавов. Свинцовые оболочки накладывают на кабель методом опрессования в горячем виде. Алюминиевые оболочки могут быть прессованными или сварными, гладкими или гофрированными. Форма гофра в гофрированной алюми- ниевой оболочке синусоидальная. 5-образная или синусоидальная с ци- линдрической впадиной. Алюминиевые оболочки выпрессовывают в горячем виде или изготовляют холодным способом из ленты со свар- ным продольным швом. Известны методы соединения оболочки из алю- миниевых лент ВЧ токами или холодной сваркой и давлением. Для ка- белей больших диаметров (свыше 20—30 мм) выпускают гофрированные алюминиевые оболочки. Алюминиевые оболочки — легкие, дешевые и обладают высокими экранирующими свойствами. Однако алюминий подвержен электрохимической и почвенной корро- зии, от чего его защищают полиэтиленовым шлангом с предварительно наложенным слоем битума. Стальные оболочки изготовляют сваркой лент толщиной 0,3—0,5 мм, свернутых в трубку (рис. 3.8) из стальной холоднокатаной особо мяг- кой ленты из низкоуглеродистой стали. Для повышения гибкости сталь- ные оболочки гофрируют. На рис. 3.8 показаны различные способы гоф- рирования стальных оболочек: a — треугольно-кольцевой, б — синусоидально-кольцевой, в — винтовой, г — плосковершинный коль- цевой, д — плосковершинный винтовой, е — плосковпаденный винто- вой. С целью защиты от коррозии на стальные оболочки надевают по- лиэтиленовый шланг с предварительно наложенным слоем битума. Дополнительной защиты от механических воздействий стальные обо- лочки не требуют. 78
Сварка шва — высокочастотная или аргонно-дуговая. Форма гоф- ра — синусоидальная кольцевая (при высокочастотной сварке), спи- ральная или винтовая (при аргонно-дуговой сварке). Толщина сталь- ной оболочки при диаметре кабеля под оболочкой до 25, от 25 до 50 и свыше 50 мм равна соответственно 0,3; 0,4 и 0,5 мм. Пластмассовые оболочки изготавливаются из полиэтилена высоко- го давления и низкой плотности с добавлением света и термостабили- заторов или из поливинилхлоридного пластика с добавлением светос- табилизаторов. Пластмассовые оболочки выгодно сочетают влагостойкость, стойкость против электрической и химической корро- зии и придают кабелю легкость, гибкость и вибростойкость. Однако через пластмассу постепенно диффундируют водяные пары, что при- водит к снижению сопротивления изоляции кабеля. Поэтому пластмас- совые оболочки применяют, главным образом, в кабелях с негигроско- пичной изоляцией (полиэтилен, фторопласт, поливинилхлорид и т. п.). Резиновые оболочки изготавливаются из маслостойких, не распрост- раняющих горение резин, нагревостойких резин повышенной холодо- стойкости и др. В кабелях автоматики и телемеханики металлопластмассовая (алю- мополиэтиленовая) оболочка состоит из полиэтиленовой трубки, внут- ренняя поверхность которой покрыта слоем алюминиевой фольги. Защитные кабельные покровы служат для предохранения кабелей от механических повреждений и коррозии. Защитный покров состоит из подушки, брони и наружного покрытия. Подушка накладывается на оболочку для предохранения ее от коррозии и механических поврежде- ний лентами или проволоками брони. Кабельная броня, состоящая из металлических лент или одного или нескольких повивов проволок, пре- пятствует повреждению кабеля от внешних механических и электри- ческих воздействий. Наружное покрытие, расположенное поверх бро- ни, защищает ее от коррозии и внешних механических факторов. Различные конструктивные исполнения кабелей допускают отсут- ствие подушки, брони, наружного покрова или сразу двух элементов защитного покрова. В зависимости от материала изготовления подушка может иметь различные обозначения: без обозначения — битумный состав или битум, крепированная или кабельная пропитанная бумага, битумный состав или битум; 79
«л» — битумный состав или битум, ленты полиэтилентерефталат- ные, крепированная или кабельная пропитанная бумага, битумный со- став или битум, крепированная или кабельная пропитанная бумага, би- тумный состав или битум; «2л» — битумный состав или битум, ленты полиэтилентерефталат- ные, крепированная или кабельная пропитанная бумага, битумный со- став или битум, ленты полиэтилентерефталатные, крепированная или кабельная пропитанная бумага, битумный состав или битум; «п» — битумный состав, вязкий подклеивающий состав или би- тум, выпрессованный полиэтиленовый защитный шланг, крепирован- ная или кабельная пропитанная бумага, битумный состав или битум, крепированная или кабельная пропитанная бумага, битумный состав или битум; «в» — битумный состав, вязкий подклеивающий состав или битум, лента полиэтилентерофталатная, выпрессованный поливинилхлорид- ный защитный шланг, крепированная или кабельная пропитанная бу- мага, битумный состав или битум, крепированная или кабельная про- питанная бумага, битумный состав или битум; «б» — без подушки. Броню из стальных лент (Б) (рис. 3.9,а) используют в кабелях, располо- женныхнепосредственно в земле при отсутствии значительных растягиваю- щих усилий и разности уровней прокладки не более 45°. Броню из плоских стальных проволок (П) (рис. 3.9,6) применяют в кабелях, прокладываемых а Рис. 3.9 по крутонаклонным (более 45°) трас- сам, в грунтах, подверженных сме- щению, и болотистых грунтах; бро- ню из крутых стальных проволок (К) (рис. 3.9,в) — в кабелях, прокла- дываемых по крутонаклонным и вер- тикальным трассам, в заболоченных и подверженных смещениям грун- тах, условиях вечной мерзлоты, по дну рек и водоемов. В кабелях, рас- полагаемых в особо тяжелых усло- 80
виях (строительные площадки, выходы из водных преград и т. д.), использу- ют усиленную двойную броню, состоящую из брони различных типов (БК, ПКиКК). Оболочки кабелей в особо агрессивных средах дополнительно за- щищают от коррозии двумя полиэтиленовыми или поливинилхлорид- ными лентами или шлангом. О наличии в кабеле такой усиленной по- душки свидетельствуют буквы «п», «в», «ш» в его марке (например, Бв, БГш и т. д.). Кабели, прокладываемые в помещениях и подземной теле- фонной канализации, поверх оболочки никаких защитных покровов не имеют, их называют «голыми» (буква Г в марке кабеля). Для противокоррозионной защиты поверх бронепокрова наклады- вают слой битума или битумного состава и пропитанной антигнилост- ными веществами кабельной пряжи (джута). Для наружного покрова может быть применена стеклянная пряжа (буква «н» в марке кабеля—Бн, Пн). В этом случае покров негорюч. Верхнее меловое покрытие в битумно-джутовом наружном покрове пре- дохраняет витки кабеля на барабане от слипания. Отсутствие наружно- го покрова поверх брони отражают добавлением в марке кабеля к бук- вам Б и П буквы Г (БГ, ПГ). Поверх брони может накладываться полиэтиленовый шланг с под- клеивающим слоем Ш«п» — битумный состав, вязкий подклеивающий состав или битум, лента поливинилхлоридная, полиэтилентерефталат- ная или другая равноценная, выпрессованный полиэтиленовый защит- ный шланг, или поливинилхлоридный шланг Ш«в». 3.1.7. Кабельная арматура, материалы и сооружения Кабельные линии состоят из отдельных кусков кабеля, называемых строительными длинами, кабельной арматуры и кабельных сооруже- ний. Кабельная арматура предназначается для соединения строитель- ных длин, устройства ответвлений и оконечного включения кабеля. Кабельные сооружения предназначаются для установки и монтажа ка- бельной арматуры, прокладки и крепления кабеля. К арматуре кабель- ных линий относятся свинцовые, алюминиевые и пластмассовые муф- ты, которые применяют для соединения отрезков кабелей строительных 6 Зак. S1 81
Рис. 3.10 длин в местах ответвлений и для оконечной разделки, оконечные ка- бельные устройства, кабель роста и другие. Муфты классифицируются на прямые, соединительные, разветви- тельные, изолирующие, газонепроницаемые и оконечные. Прямые одноконусные муфты обозначают МС — муфта свинцовая прямая, а полиэтиленовые — МПС. Размеры муфт зависят от диаметра монтируемого кабеля, поэтому к обозначению муфты добавляют чис- ло, означающее — внутренний диаметр шейки муфты в миллиметрах, например МС-20, МПС-20. Для монтажа кабеля небольшой емкости применяют цельные прямые одноконусные муфты (рис. 3.10,а)', муфту, состоящую из трубы и двух отрезных ко- нусов с поперечным разре- зом (рис. 3.10,6) используют для соединения кабелей боль- шой емкости; при концентри- рованном симметрировании, а также в случаях многократ- ной распайки используют муфты (рис. 3.10,в) с попе- речным разрезом, для соеди- нения кабеля емкостью более 200 пар применяют муфту с двумя поперечными разреза- ми (рис. 3.10,г). Разветвительные муфты бывают двух типов: тройнико- вые и разветвительные (пер- 82
чатки). Тройниковые муфты использу- ют для ответвлений от магистрального кабеля (рис. 3.11,а, где 1 — горловина для ввода магистрального кабеля, 2 — корпус, 3 — горловина для ответвляюще- го кабеля, а разветвительные муфты — для разветвления в помещениях кабеля на несколько кабелей). Разветвительные муфты, или перчатки, бывают двух ти- пов: круглые (рис. 3.11,6) и плоские (рис. 3.11, в) и выпускаются на 2, 3 и 4 направления. На рис. 3.11,а и б 1 — пальцы, 2 — крышка, 3 — корпус. Оконечные муфты используют при монтаже кабелей вторичной ком- мутации, кабелей ответвлений и местной связи (рис. 3.12, где 1 — кор- пус, 2 — горловина для ввода кабеля). В обозначениях оконечных муфт добавляются цифры, означающей емкость кабеля в четверках. Газонепроницаемые муфты (рис. 3.13) предназначены для предот- вращения утечки газа из-под оболочки кабелей. Такие муфты уста- навливают при вводах кабелей в дома связи, усилительные пункты и в местах ответвлений от магистральных кабелей. Муфты рассчитаны на работу под постоянным избыточным газовым давлением 44—58 кПа (0,45—0,6 кгс/см2). Основными частями газонепроницаемой муфты являются: 1 — два конуса, 2 — цилиндр, залитый внутри эпоксидным компаундом (4), 3 — изолирующие шайбы с отверстиями, через кото- рые проходят неизолированные медные жилы 5. Для электрической изоляции оболочки кабеля от металлической ар- матуры при вводе его в усилительные пункты применяют газо- 6* 83
непроницаемые изолирующие муфты. Изолирующие муфты отличают- ся от газонепроницаемых муфт наличием на свинцовом цилиндре коль- цевого выреза шириной до 5 мм. Алюминиевые муфты применяют при соединении алюминиевых оболочек кабелей методами холодного опрессования (рис. 3.14,а), ло- кальной сварки взрывом (рис. 3.14,6). Чугунные и полиэтиленовые муфты устанавливают для защиты пря- мых (рис. 3.15) и тройниковых (рис. 3.16) свинцовых и алюминиевых муфт подземных кабелей связи от механических повреждений . Термоусаживаемые трубки (радиационно модифицируемые РМ ТУТ) защищают металлические оболочки кабелей и муфт от почвенной или элек- трохимической коррозии в местах монтажных соединений кабелей. Пре- имущественно РМ ТУТ используют для восстановления полиэтиленовых шланговых покрытий кабелей. Быстрота и надежность их восстановления обеспечивается благодаря присущему материалу РМ ТУТ эффекту «памя- ти формы». «Память формы» в РМ ТУТ закладывают облучением изделия 84
Рис. 3.15 85
I потоком частиц высокой энергии. I У 2 нически растягивают до нужного 1 J диаметра. Охлаждением до тем- AnwmEiw-. пературы окружающей среды фиксируют полученную форму. PlK ’ ?'17 При повторном нагреве до темпе- ратуры 120— 180°С трубка стремится принять первоначальную форму, плот- но облегая предмет, помещенный внутри ее. В качестве оконечных кабельных устройств для включения кабелей применяют боксы, кабельные ящики и грозозащитные полосы. Боксы для кабелей местной связи выпускают емкостью 100x2, 50x2, 30x2, 20x2, 10x2; они содержат соответственно 10, 5, 3,2 и 1 пластмас- совых плинтов. Пластмассовый плинт (колодочка) (рис. 3.17) имеет 20 за- жимов для включения десяти пар жил кабеля. На рис. 3.171 — зажим для подключения монтажных проводов, 2 — цоколь, 3 — штифты (перья) для припойки жил. Боксы кабельные меж- дугородные БМ, являются оконечными устройствами вводных кабелей. Боксы монтируют на вводно-ка- бельных стойках линейно- аппаратных залов, в поме- щениях усилительных пунктов и на стойках КАСС — в помещениях дежурных по станциям. В ряде случаев боксы разме- щают на специальных на- польных или настенных каркасах и в шкафах маги- стральной связи (ШМС). 86
Боксы БМШ1-15х2 применяют для монтажа кабеля в релейных шка- фах сигнальных точек автоблокировки (рис. 3.18). Бокс этого типа име- ет меньшие по сравнению с боксом БМ размеры, что дает возможность устанавливать его в релейных шкафах сигнальных точек. Бокс предназ- начен для монтажа кабеля емкостью 7x4. Кабельные ящики и грозозащитные полосы оборудуют элементами защиты: предохранителями и разрядниками. Кабельные ящики исполь- зуют при переходе кабельной линии в воздушную, а грозозащитные по- лосы — в качестве оконечных устройств в кроссах телефонных станций. Кабельные шкафы ШМС применяют на кабельных линиях вместо киосков, а на воздушных линиях проводной связи — вместо кабельных ящиков. В шкафах размещают линейные защитные и согласовывающие устройства для цветных и стальных цепей, боксы и оконечные кабель- ные муфты. К арматуре кабельных линий и сетей автоматики и телемеханики относятся соединительные, разветвительные и оконечные муфты, уни- версальные концевые и проходные муфты, групповые разветвительные муфты, муфты-стаканы светофоров, концевые воронки, путевые и ка- бельные ящики. Соединение концов сигнальных, контрольных и силовых кабелей низкого напряжения производят непосредственно в чугунных муфтах (без применения свинцовых муфт), используя для этой цели соедини- тельные муфты, а при устройстве разветвлений кабелей—тройнико- вые муфты. Концы силовых кабелей высокого напряжения (6 и 10 кВ) соеди- няют при помощи установки свинцовых муфт или муфт из эпоксид- ного компаунда, изготовляемых заводским способом или на месте про- изводства работ. Свинцовые и эпоксидные муфты для защиты от повреждений заключают в чугунные муфты или в кожухи из стали и стеклопластика. Универсальные концевые и проходные кабельные муфты исполь- зуются для оконечной разделки сигнально-блокировочных кабелей, а также и в качестве кабельных стоек рельсовых цепей. В корпусах этих муфт может быть размещена малогабаритная аппаратура СЦБ (релей- ные трансформаторы, блоки выпрямителей, резисторы, предохрани- тели и т. д.). 87
Рис 3.19 Универсальные муфты отлиты из чугуна, имеют крышку и горлови- ны для ввода кабелей и проводов от клеммных колодок. «Устанавлива- ются муфты на металлические основания из уголковой и полосовой стали, а также на железобетонных основаниях. Универсальная кон- цевая муфта, использует- ся для разделки одного кабеля (рис. 3.19,а, где 1 —корпус, 2—двеше- стиштырные клеммные платы с общим количе- ством 12 клемм, 3 —ка- бельная масса, которой заливается муфта). Уни- версальная проходная муфта (рис. 3.19,6) пред- назначена для разделки двух кабелей. Групповые разветви- тельные муфты предназ- начены для разветвления группового сигнально- блокировочного кабеля на индивидуальные кабе- ли, (рис. 3.20, где 1 — Рис. 3.20 88
крышка, 2 — корпус, 3 — центральное отвер- стие, 4 — клеммы). В обозначении типа муф- ты буквы РМ означают: разветвительная муф- та, следующей за буквами цифрой обозначают число направлений (выводных отверстий для кабеля), а последующими цифрами — общее количество клемм в муфте (по семь клемм на каждой колодке). Групповой кабель вводят в муфту через центральное отверстие, а инди- видуальные — через боковые отверстия, рас- положенные по окружности муфты. Оконечную разделку кабелей, подключаемых к рельсовым цепям или к путевому индуктору автостопа, производят в кабельных стойках (рис. 3.21). В эксплуатации находятся чугунные, стальные, сварные и стальные штампованные ка- бельные стойки. В этих стойках можно разде- лывать кабели, имеющие до 12 жил. Кабель 3 вводят в стойку через сталь- ную трубу, прикрепленную к дну корпуса стойкам 2 при помощи фланца, сверху муфта закрывается крышкой /. Металлические светофорные мачты укрепляют в специальных муфтах- стаканах. Мачты светофоров с одним трансформаторным ящиком или без него устанавливают в стакан с одной кабельной муфтой, а с двумя транс- форматорными ящиками — в стакан с двумя кабельными муфтами. Для оконечной разделки силовых кабелей в сухих отапливаемых и неотапливаемых по- мещениях применяют оконечные воронки (рис. 3.22) из листовой кровельной стали, а также концевые муфты из эпоксидного ком- паунда, изготовляемые в процессе монтажа оконечной разделки кабеля. В качестве концевых муфт наружной ус- тановки для силовых кабелей применяют- ся металлические оконечные муфты и муф- Рис. 3.22 ты из эпоксидного компаунда. 89
a б Рис. 3.23 Путевые ящики типов ТЯ, РЯ и ПЯ предназначены для размещения в них путевых и релейных трансформаторов, реле, реакторов, путевых реостатов и другой аппаратуры. Путевой ящик состоит из чугунного корпуса с запирающейся крыш- кой и лапками для крепления ящика на фундаменте. Для ввода кабелей в дне ящика предусмотрены отверстия, закрытые заглушками. На рис. 3.23,а показан путевой трансформаторный ящик, а на рис. 3.23,6 — путевой релейный ящик. Кабельные ящики служат для соединения воздушных сигнальных про- водов и силовых цепей низкого напряжения с жилами кабеля на сигнальных точках автоблокировки и в местах оборудования кабельных вставок в ВСЯ. Распределительные коробки предназначены для соединения деся- типарного распределительного кабеля местных телефонных сетей с однопарными кабелями, прокладываемыми от коробки к телефонным аппаратам абонентов (рис. 3.24) состоит из: 1 — пластмассовый кор- пус, 2 — крышки, 3 — десятипарный плинт. 90
При строительстве, ремонте и текущем обслуживании ка- бельных линий используют оло- вянно—свинцовые и оловянно— цинковый припои, флюсы, эпоксидные компаунды и клей, по- ливинилхлоридные и полиэтиле- новые ленты, изолирующие бу- мажные и полиэтиленовые гильзы и групповые кольца, кабельные прошпарочные и заливочные мас- сы, битумно-резиновую мастику, Рис. 3.24 симметрирующие конденсаторы и контура противосвязи и т. п. Заливочные кабельные массы применяют при заливке муфт, боксов, для создания необходимой герметичности. Кабельные заливочные массы из- готовляют по различной рецептуре в зависимости от их назначения. Прошпарочные кабельные массы используют при монтаже соедини- тельных муфт и оконечных кабельных устройств на местных телефон- ных сетях. Жилы разделанных концов кабелей с воздушно-бумажной изо- ляцией, бумажные гильзы и групповые кольца прошпаривают массой из смеси канифоли, парафина и трансформаторного масла. Для пайки скруток медных жил при соединении концов кабелей, при впайке жил в перья плинтов кабельных боксов, запайке швов соедини- тельных и оконечных свинцовых муфт и спайке конусов этих муфт со свинцовой или алюминиевой оболочкой кабелей применяют оловянно - свинцовые припои, представляющие собой сплав свинца и олова с при- садкой висмута или сурьмы. Для запайки свинцовых муфт на кабелях с алюминиевой оболочкой наружную поверхность оболочки, соприкасающуюся с конусами свин- цовой муфты, предварительно залуживают оловянно-цинковым при- поем марки. При удалении со спаиваемых поверхностей пленки окиси металла и обезжиривании их, а также для защиты поверхностей металлов и при- поя от окисления в процессе пайки и уменьшения сил поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл-припой при пай- ке оловянно-свинцовыми припоями применяют флюсы. В качестве флю- 91
са при запайке скруток медных жил используют канифоль, предвари- тельно растворенную в спирте. Запайку свинцовых муфт, припайку заземляющих проводников к броне кабелей осуществляют флюсом, содержащим спирт, канифоль, солянокислый анилин и триэтаноламин. При монтаже кабеля применяют клейкие поливинилхлоридные и полиэтиленовые ленты шириной от 10 до 25 мм и более, ленты из стеклоткани, марли и из пропитанной и непропитанной кабельной бумаги; эпоксидные клеи и эпоксидные компаунды, состоящие из эпок- сидной смолы, наполнителей (измельченный кварц, каолин и т. п.) и отвердителей. Для восстановления изолирующих покрытий на кабелях с алюминиевой оболочкой, имеющих защитные пластмассовые покрытия на оболочке и бро- не, а также для изолирования соединительных и разветвительных свинцо- вых муфт на этих кабелях применяют битумно-резиновые мастики, состоя- щие из смеси битума, синтетического каучука и полиизобитулена. Бумажные и полиэтиленовые гильзы используют при монтаже кабе- лей связи всех марок для изолирования скруток жил в соединительных и других муфтах, а также для изолирования места соединения жил ка- белей с выводными проводниками в оконечных муфтах. Полиэтилено- выми гильзами изолируют места соединения жил с пластмассовой изо- ляцией. Гильзы представляют собой цилиндрические трубочки. Размер гильз зависит от диаметра жил кабеля. Для устройства кабельной телефонной канализации применяют ка- бельные трубопроводы и смотровые устройства. Кабельные трубопроводы (рис. 3.25) собирают (монтируют) из от- дельных труб, соединяемых между собой при укладке. Их форма, кон- струкция, длина и способ соединения зависят от свойств материала и технологии изготовления труб. По форме и конструкции различают трубы круглые, прямоуголь- ные, с одним, двумя и более отверстиями (каналами). Для устройства трубопровода используют бетонные (рис. 3.25,6), асбестоцементные (рис. 3.25,а), керамические, пластмассовые и металлические трубы (рис. 3.25,в), а также полиэтиленовые шланги (рис. 3.25,г). Бетонные трубы изготовляют прямоугольной формы с одним, двумя и тремя каналами. 92
Рис. 3.25 Стыки труб обматывают гидроизолирующей лентой и покрывают цемен- тным раствором. Для увеличения механической прочности керамический трубопровод часто покрывают на всем протяжении слоем бетона. Пластмассовые трубы имеют значительные преимущества перед трубами других типов: гладкая поверхность канала значительно облег- чает протягивание кабелей; большая длина труб позволяет сократить число соединений их при укладке; сварка труб обусловливает высокую надежность и герметичность стыков; высокое электрическое сопротив- ление и герметичность труб обеспечивают надежную защиту кабелей в металлической оболочке от коррозии; пластмассовый трубопровод мож- но монтировать целым пролетом на бровке траншеи и затем опускать в траншею, что облегчает условия работ, и т. д. Стальные трубы используют для вывода одного-двух кабелей на сте- ны зданий и столбы. Кроме того, их применяют в магистральной кана- лизации при повышенной механической нагрузке. Смотровые устройства (колодцы и коробки) предназначены для про- тягивания и монтажа кабеля, контроля его состояния в процессе эксп- луатации и устранения повреждений. а б в г Рис. 3.26 93
а б Рис. 3.27 По своему назначе- нию колодцы делятся на проходные (рис. 3.26, а), устанавливаемые на прямых участках трассы через 100—150 м друг от друга, угловые (рис. 3.26,6), разветви- тельные (3.26,в) и стан- ционные (рис. 3..' ). Станционные колодцы устанавливаются на конце кабельной кана- лизации, они служат для ввода кабелей в здании. Колодцы изготовляют из железобетона (сбор- ные или монолитные) или складывают из кирпича. Для укладки кабелей колодцы оборудуют кронштейнами (рис. 3.27,а), чугунные консоли на которых укрепляют болтами (рис. 3.27,6), а коробки — консольными крюками. Кронштейны изготовляют из двух Рис. 3.28 стальных полос, соединяемых заклепками. К стенкам колодцев кронштейны крепят ершами (рис. 3.27,в). На каждой продоль- ной стене в колодце устанавливают по два- три кронштейна. Распределительные шкафы (рис. 3.28) размещают на местной телефонной сети в местах соединения магистральных кабе- лей с распределительными. Шкафы могут иметь емкость от 150 до 1200 пар. Вводно-кабельные стойки ВКС устанав- ливают в линейно-аппаратных залах. На таких стойках размещаются кабельные бок- сы, платы защитных устройств, платы для ввода цепей кабельных линий, устройства контроля качества связи и переговорные ус- тройства. 94
3.1.8. Маркировка кабелей связи, автоматики и телемеханики Кабели связи, автоматики и телемеханики различаются назначени- ем, конструкцией сердечника, материалами, диаметром и количеством жилы, типами и материалами изоляции, видом защитных покровов. Все это отражается в маркировке кабелей. Маркировка кабелей связи со- держит следующие позиции (при отсутствии в маркировке какого -то обозначения, позиции сдвигаются): 123456789 — ахбхв + ахбхв + ... 1. На первом месте в маркировке ставится буква, обозначающая тип кабеля: магистральный — М, городской или местной связи — Т, сред- ние коаксиальные кабели — КМ, малогабаритные коаксиальные кабе- ли — МК, кабели высокочастотные для зоновой связи — 3, кабели вы- сокочастотные для местной связи — КС, коммутационные кабели — КВ, однопарные — ПР, соединительные — СТ; 2. Скрутка жил: звездная скрутка — 3 (маркируется только в кабе- лях типа Т, парные не маркируются); 3. Материал жилы — медная не маркируется, алюминиевая —- А; 4. Тип изоляции: кордельно-бумажная — КБ (К) (в кабелях типа Т не маркируется); кордельно-полиэтиленовая или полистирольная — КП (в кабелях типа Т, Пк); кордельно-стирофлексная — КС; трубчатая бу- мажная — не маркируется; трубчатая из полиэтиленовой трубки и по- ристая полиэтиленовая — П, с повышенной электрической прочнос- тью— Пу; поливинилхлоридной — В; с гидрофобным заполнением — 3, пленкопористая изоляция — Пп; 5. Тип влагозащитной оболочки — свинцовая не маркируется, алю- миниевая — А, полиэтиленовая — П, поливинилхлоридная — В, сталь- ная — С, гофрированная — Ст, резиновая негорючая оболочка — Н, оболочка, не распространяющая горение — нг; 6. Защитные покровы поверх влагозащитной оболочки: если их нет, то кабель называется голым и маркируется — Г, стандартная подушка не маркируется, защитные экраны — Э, маркировка остальных защит- ных покровов приведена в разделе 3.1.6; 7. Тип брони: из стальных лент — Б, из стальных оцинкованных плос- ких проволок — П, из стальных оцинкованных круглых проволок — К, возможно сочетание разных броневых покровов — БК, БП и т.д.; 95
8. Покровы поверх брони — без покровов — Г, стандартная наруж- ная подушка не маркируется; 9. Маркировка и состав остальных наружных покровов приведена в разделе 3.1.6; а — число групп; б — число жил в группе; в — диаметр жилы. При маркировке комбинированных кабелей, образованных несколькими группами, последовательно перечисляются все группы и их параметры. Примеры маркировки: МКПАБл — 7x4x1,2 + 5x2x0,7 + 1x0,9 — магистральный кабель, скрутка звездная, жила медная, изоляция трубчато-полиэтиленовая, в алюминиевой влагозащитной оболочке, бронированной стальными лен- тами, подушка стандартная, поверх брони наружный покров типа л, ка- бель содержит 7 четверок с диаметром жил 1,2 мм, 5 пар с диаметром жил 0,7 и 1 жилу с диаметром 0,9. ТЗАБп — 7х4х1,2 — кабель местной связи, скрутка звездная, жила медная, изоляция — кордельно-бумажная, с алюминиевой влагозащит- ной оболочкой, бронированный стальными лентами с наружным по- кровом типа п, кабель содержит 7 четверок с диаметром жил 1,2 мм. ТГ — 100x2x0,4 — кабель местной связи, парная скрутка, жила мед- ная, изоляция — трубчатая бумажная, влагозащитная оболочка из свин- ца, кабель голый, емкость кабеля — 100 пар с диаметром жил 0,4 мм. Маркировка кабелей сигнально-блокировочных, контрольных и си- ловых отличается от кабелей связи. 1 234 5 6 789 —ахбхв 1. Тип жилы — медная не маркируется, алюминиевая — А. 2. Тип кабеля: сигнальный — С, сигнально-блокировочный — СБ, контрольный — К, силовой не маркируется. 3. Изоляция жил : бумажно-трубчатая с пропиткой и без нее не мар- кируется, резиновая изоляция — Р, полиэтиленовая — П, поливинилх- лоридная — В, пленкопористая изоляция — Пп. 4. Гидрофобное заполнение сердечника: его наличие маркируется буквой «3». 5. Тип влагозащитной оболочки: свинцовая — С, алюминиевая — А, резиновая негорючая — Н, полиэтиленовая — П, стальная — Ст, поливи- нилхлоридная — В; усиленная — у, нераспространяющая горение — нг. 96
6. Покровы поверх влагозащитной оболочки, маркировка аналогич- на кабелям связи. 7. Тип брони: маркировка аналогична кабелям связи. 8. Наружные покровы, маркировка аналогична кабелям связи. 9. Экран, его наличие маркируется: — э-Э а. Число жил; б. Тип скрутки, не маркируется, парная — П. в. Сечение жил. В сигнально-блокировочных кабелях с парной скруткой а, б и в ана- логичны кабелям связи. В силовых кабелях с бумажной изоляцией, пропитанной нестекаю- щим составом, перед маркировкой ставится Ц. Примеры маркировки: СБЗП — 10x2x0,9 — Кабель сигнально-блокировочный, жила медная, в полиэтиленовой изоляции, с гидрофобным заполнени- ем, броня из плоских стальных проволок, с 10 парами диаметром жил 0,9 мм. АКРВБГ — 14x2,5 — контрольный кабель с алюминиевыми жила- ми с резиновой изоляцией, влагозащитная оболочка из поливинилхло- рида, броня из стальных лент, без наружных покровов, 14 жил сечени- ем 2,5 мм. СБ — 3x6 — кабель силовой, жила медная, изоляция бумажная, вла- гозащитная оболочка из свинца, броня из стальных лент, 3 жилы сече- нием 6 мм. 3.1.9. Особенности кабелей для прокладки в зоне электрифицированных железных дорог Кабели автоматики, телемеханики и связи, проложенные вдоль элек- трифицированных железных дорог постоянного и переменного тока, подвергаются большим опасным и мешающим влияниям (см. 9.1). Для защиты от внешних влияний необходимо правильно выбрать тип про- кладываемого кабеля — с наименьшим значением к.з.д (5k) брони и металлической оболочки. Для уменьшения 5к, как показано в гл. 9, необходимо увеличивать индуктивность оболочки (Лоб) и уменьшать ее сопротивление (7?об). Кабели со свинцовой и пластмассовыми вла- гозащитными оболочками из-за большого Аоб не могут прокладываться 7 Зак 81 /х'Т
в зоне электрических железных дорог без применения защитных ме- роприятий. К ним относятся: — для уменьшения Лоб применяется броня, изготовленная из стали с повышенными магнитными свойствами марки ХТБ, которая имеет п = 2000 — 3000 (ц = 100 — 400 у брони из низкоуглеродистой стали); — уменьшение Rog путем наложения между влагозащитной оболоч- кой и броней металлических экранов. В качестве экранов используются медные или алюминиевые прово- локи, ленты. Такие кабели выпускались отечественной промышленно- стью и проложены на ряде участков железных дорог. Кабели марки МКБМ, где броня (М) выполнена из плоских стальных лент с повышенной магнитной проницаемостью. Выпускались кабели с повивами из круглых медных проволок поверх оболочки под броней МКБКМБ, кабель МКБКМБМ, где сочетались оба способа защиты, а так- же кабель МКБМБ с медными лентами. Впоследствии медные проволо- ки заменили на плоские алюминиевые в кабелях МКБПАБ и МКБПАБМ. Эти способы защиты усложняли конструкцию кабеля и увеличивали его стоимость, поэтому, когда в 60--х годах был освоен выпуск кабелей в алю- миниевой влагозащитной оболочке, выпуск этих кабелей был прекращен. Удельное сопротивление алюминевой ленты в 6—7 раз меньше, чем свин- цовой, что позволяет путем понижения 5к значительно уменьшить вне- шние влияния на жилы кабеля. Для сокращения металлоемкости и умень- шения затрат на железнодорожном транспорте в магистральных кабелях используются медные жилы диаметром 1,05 мм вместо 1,2 мм, которые применяются на сетях других ведомств. В зоне элекгрических железных дорог, могут прокладываться магистральные и местные кабели в алюми- ниевой оболочке со всеми типами изоляции жил и защитных покровов. Конструкция таких кабелей описана в разделе 3.2. В настоящее время на участках с электротягой переменного тока для кабельных линий автоматики и связи, сооружаемых в земляном полот- не наибольшее применение находят специальные железнодорожные бро- нированные кабели с повышенным защитным действием оболочки от электромагнитного влияния (например, МКПАБл, МКПАБп, МКПпАШп, МКБАБп), а также кабели с защитным покровом типа БпШп (например, МКПАБпШп или МКПпАБпШп), описание конст- рукции которых приведено в подразделе 3.2.2. 98
3.2. Основные типы электрических кабелей связи и область их применения 3.2.1. Общие сведения Высокочастотные магистральные кабели дальней связи применяются при сооружении магистральных кабельных линий, предназначенных для организации всех видов магистральной, дорожной и отделенческой свя- зи и цепей автоматики и телемеханики. Высокочастотные зоновые ка- бели дальней связи используют в цепях вторичной коммутации отде- ленческой оперативно-технологической связи (ОТС), при сооружении линий других министерств и ведомств и организации соединительных линий между усилительными пунктами Министерства путей сообще- ния и узлами связи других ведомств. Низкочастотные однородные кабели дальней связи предназначены для: сооружения соединительных линий между автоматическими теле- фонными станциями (АТС), между АТС и междугородными те- лефонными станциями (МТС); цепей вторичной коммутации; устрой- ства кабельных вводов, вставок в воздушные линии связи и ответвлений с цепями дорожных и отделенческих связей, а также линейными цепя- ми автоматики и телемеханики. Низкочастотные комбинированные ка- бели многоканальной связи применяют в радиотрансляционных сетях, для прокладки между радиостанциями и радиоцентрами, а также меж- ду радиоцентрами и междугородными телефонными станциями. Городские телефонные кабели, а также высокочастотные кабели ме- стной связи используют в линейных сооружениях станционной про- водной связи — местной и станционной распорядительной телефон- ной связи, кабельных сетях вторичной коммутации, при устройстве соединительных линий. Станционные провода и кабели применяют при монтаже аппаратуры те- лефонных станций и усилительных пунктов, высокочастотных цепей в ли- нейно-аппаратных залах, организации радиовещания, а также при монтаже стационарной звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры. Распределительные кабели предназначены для зарядки боксов в рас- пределительных коробках абонентской проводки. Провода и шнуры связи используются при монтаже аппаратуры те- лефонных станций, для соединения абонентских линий в коммутато- 7* 99
pax, подключения телефонных аппаратов и соединения телефонных трубок с аппаратами, коммутации цепей и подключения приборов, при электроизмерениях, трансляции радиопередач, подключения или соеди- нения оборудования телефонных станций, распределительных шкафов, записывающих устройств и звуковоспроизводящей аппаратуры. Условия прокладки кабелей магистральной связи в зависимости от материала оболочки и типа защитного покрова приведены ниже. Кабели без защитного покрова со свинцовой оболочкой проклады- вают в телефонной канализации, трубах, блоках, коллекторах, тонне- лях и внутри помещений при отсутствии механических воздействий на кабель и при эксплуатации в среде, нейтральной по отношению к обо- лочке, в районах, не характеризующихся повышенным электромагнит- ным влиянием. С полиэтиленовым шлангом Шп поверх свинцовой влагозащитной оболочки — в устойчивых грунтах без каменистых включений, в теле- фонной канализации, трубах, блоках при отсутствии механических воз- действий на кабель в среде, агрессивной по отношению к оболочке, в районах, не характеризующихся повышенным электромагнитным вли- янием, мерзлотными деформациями грунта, опасностью повреждения грызунами; Имеющие покровы типа Шп поверх алюминиевой оболочки — про- кладка в тех же условиях, а также по мостам и в грунтах, если кабель не подвергается большим растягивающим усилиям, в зоне электрифици- рованных железных дорог. На неэлектрифицированных участках в земляном полотне, отсы- панном грунтами всех групп, кроме крупнообломочных скальных, мо- гут прокладываться кабели с защитными покровами Б, Бл, Бп, Шп. При отсыпке земляного полотна скальными грунтами любой фракции про- кладка небронированных кабелей с защитным покровом Шп поверх металлической оболочки не допускается. Для защиты металлических оболочек от механических поврежде- ний и коррозии при прокладке в зонах блуждающих токов в земляном полотне железных дорог применяют кабель со следующими типами защитных покровов: Бл, Б2л, Б2лШп, Б2лШв, БШп, БШв со свинцовой оболочкой; Бп, Б2л, Б2лШп, Б2лШв, БлШп, БлШв с алюминиевой обо- лочкой; Шп и Шв со стальной оболочкой. 100
Защиту кабелей в алюминиевой оболочке от воздействия блужда- ющих токов обеспечивают шланговые покровы типа Шп толщиной- 2,5 мм или три полиэтиленовые ленты поверх брони для железнодо- рожных кабелей с защитными покровами типов Бл и Бп. Для защиты металлических оболочек кабелей от коррозии блуж- дающими токами рекомендуется преимущественное применение ка- белей с защитным покровом типа БпШп. Кабели с одношланговым по- крытием поверх металлической оболочки или с покрытием оболочки двумя полиэтиленовыми лентами применяют со стальной бронелентой поверх шланга (защитные покровы типов Бп, Б2л). 3.2.2. Кабели дальней связи Симметричные высокочастотные магистральные кабели многока- нальной связи серии МКБА с медными жилами, кордельно-бумаж- ной изоляцией в алюминиевой оболочке и броней предназначены для прокладки вдоль железных дорог с электротягой переменного тока с уплотнением цепей системами К-60П до 252 кГц, или другими сис- темами в диапазоне частот до 150 кГц с передачей дистанционного питания напряжением 700 В постоянного тока или 500 В перемен- ного тока, частотой 750 Гц. Применяются кабели емкостью 7 и 14 четверок. Кабели емкостью 7x4x1,20 + 5x0,7 + 1x0,9 изготавливают с жилами в четверках диаметром 1,2 мм, пятью вспомогательными (сигнальными) парами жил диаметром 0,7 мм и одной вспомогательной жилой из эма- лированного провода диаметром 0,9 мм. Кабель может выпускаться с шестью вспомогательными жилами. Три четверки — высокочастотные, четыре — низкочастотные. Строительная длина кабелей равна 425 и 850 м. Кабели прокладыва- ют при температуре от минус 15 до плюс 40°С. Симметричные высокочастотные магистральные кабели многока- нальной связи выпускаются с кордельно—полистирольной изоляцией в свинцовой оболочке марок МКСГ, МКСГШп, МКСБ, МКСБГ, МКСБл, МКСБШп, МКСБпШп, МКСГСтпШп, МКСК, МКСКл, в алюминиевой оболочке марок МКСАШп, МКСАБп, МКСАБпГ, МКСАБпШп, МКСАСтпШп, МКСАКпШп, в с гальной гофрированной оболочке мар- ки МКССтШп, (рис. 3.29, где 1 — пропитанная кабельная пряжа или 101
стеклянная пряжа из штапе- лированного волокна; 2 — броня из двух стальных лент; 3 — подушка; 4 — оцинкованные стальные круглые проволоки; 5 — по- лиэтиленовый шланг; 6 — битумный состав; 7 — по- ливинилхлоридная лента; 8 — токопроводящая жила; 9 — лента; 10 — заполни- тель; 11 — четверка; 12 — поясная изоляция; 13 — алюминиевая оболочка; 14 — подклеивающий битумный слой; 15 — битумный состав). Перечисленные кабели пред- назначены для кабельных магистралей, линий отделенческой связи и соединительных линий, уплотняемых до 252, или 8448 кГц (с исполь- зованием вторичных цифровых систем передачи), с передачей дистан- ционного питания напряжением 1000 В постоянного тока или 690 В переменного тока, частотой 50 Гц. Применяют кабели с одной, четырь- мя (рис. 3.30, а— в) и семью четверками. Медная жила диаметром 1,2 или 1,0 мм обмотана цветным корделем из полистирольной нити и по- листирольной лентой натурального цвета. Жилы с изоляцией различного цвета скручены в четверку вокруг расположенной в центре полистирольной нити. На четверку наложена Рис. 3.30 102
цветная хлопчатобумажная либо синтетическая пряжа или лента. Пер- вая пара четверки состоит из жил с красной и желтой изоляцией, вто- рая — с синей и зеленой. Поверх скрученных в кабель четверок устраивают поясную изоляцию из лент кабельной бумаги или синтетических материалов (полиэтиленовых, полиэтилентерефталатных и др.). На поясную изоляцию накладывают свинцовую оболочку, алюминиевую оболочку, экран из алюминиевой фольги, медную проволоку диаметром 0,3—0,4 мм, полиэтиленовую или полиэтилентерефталатную ленту и стальную гофрированную оболочку в кабелях МКССтШп, МКССтШпу. Поверх металлической оболочки кабеля находится защитный покров Шп. Симметричные высокочастотные магистральные кабели дальней связи серии МКПА с медными жилами, кордельно-трубчатой полиэтиленовой изоляцией в алюминиевой оболочке предназначены для прокладки вдоль электрифицированных железных дорог, кабели серии МКПпА имеют плен- копористую полиэтиленовую изоляцию (рис. 3.31, где 1 — центрирующий полиэтиленовой кордель; 2 — токопроводящая жила; 3 — полиэтиленовый кордель; 4 — полиэтиленовая трубчатая изоляция; 5 — прерывистая изоля- ция; 6—полиэтиленовая изоляция; 7—спиральная обмотка из хлопчатобу- мажной пряжи; 8 — поясная изоляция; 9 — алюминиевая оболочка; 10 — полиэтиленовая оболочка; 11 — пропитанная кабельная пряжа или стеклян- ная пряжа из штемлированного волокна; 12 — броня из двух стальных лент; 13—противокоррозион- ное покрытие; 14—бро- ня из стальных проволок; 15 —битумный состав). Такие же кабели в свинцовой оболочке, но без защитного покрова серии МКПГ предназ- начены для устройства вводов. Кабели допускают уплотнение высокочас- тотных цепей до 252 кГц и передачу дистанцион- 13 МКПАБп Рис. 3.31 103
кого питания постоянным током до напряжения 1000 В или переменным током частотой 50 Гц до напряжения 690 В. Медные жилы кабелей диаметром 1,05 мм с корделем или трубкой разного цвета скручены в звездную четверку вокруг полиэтиленового корделя. Сигнальные пары скручены из медных жил диаметром 0,7 мм со сплошной полиэтиленовой изоляцией различной расцветки. Конт- рольная жила — медная диаметром 0,7 мм с прерывистой полиэтиле- новой изоляцией. Поверх скрученных в кабель четверок, сигнальных пар и контрольной жилы наложена поясная изоляция из одной полиэтиленовой ленты, од- ной бумажной ленты, шести—восьми нитей бумажного корделя и трех листов бумаги, поверх которых имеется алюминиевая или свинцовая обо- лочка, а поверх алюминиевой оболочки — защитный покров Шп, Бл, Бп, БпШп, Кл, Кп или КпШп. На рис. 3.32 приведены конструкции кабелей разной емкости, где С — сигнальные пары, К — контрольные жилы. Рис. 3.32 104
Кабели емкостью 4x4 (рис. 3.32, а) имеют одну сигнальную пару, 7x4 (рис. 3.32, б) и 14x4 (рис. 3.32, в) — пять сигнальных пар. Четверки 2,4 и б предназначены для организации систем передачи в диапазоне частот до 252 кГц, четверка 5 — до 150 кГц. Во всех кабелях заложена одна контрольная жила. Строительная длина кабеля (за исключением серии МКПуА) 1000 и 500 м. Строительная длина кабеля серии МКПуА 850 м. В устройствах СЦБ и железнодорожной связи применяют одно- родные и комбинированные симметричные низкочастотные кабели связи типа ТЗ, предназначенные для монтажа телефонных и телеграфных уз- лов; для устройства кабельных вводов, вставок в воздушные линии, от- ветвлений от кабельных линий, содержащих цепи дорожных и отде- ленческих связей и линейные цепи автоматики; для прокладки соединительных линий между АТС, а также между АТС и МТС. Попе- речные сечения кабелей ТЗ изображены на рис. 3.33 (ТЗГ— рис. 3.33, а, ТЗБ—рис. 3.33, б, ТЗК—рис. 3.33, в, где 1 —усиленная четверка, 2 — поясная изоляция, 3 — оболочка, 4 — подушка, 5 — броня, 6 — наруж- ный покров. Однородные кабели изготавливаются: с медными жилами следующих диаметров: 0,9 и 1,2 мм с пористой полиэтиленовой изоляцией в алю- миниевой оболочке (ТЗПА); 1,05 мм (звездная четверка) и 0,7 мм (вспо- могательная пара и вспомогательная жила) с кордельно-трубчатой по- лиэтиленовой изоляцией в алюминиевой оболочке (ТЗПкА); 0,8, 0,9 и 1,2 мм с кордельно-бумажной изоляцией в свинцовой (ТЗ) или алюми- Рис. 3.33 105
ниевой (ТЗА) оболочке; 1,2 мм (звездная четверка) и 0,9 мм (сигналь- ная жила) с изоляцией из полистирольных нитей и лент в свинцовой (ТЗС), алюминиевой (ТЗСА), стальной гофрированной (ТЗССт), в алю- миниевой оболочке и стальной гофрированной броне (ТЗСАСтп), в свин- цовой оболочке и стальной гофрированной броне (ТЗСГСтп), в алюми- ниевой и свинцовой оболочках (ТЗСАС). Отдельные цепи кабелей могут уплотняться системами передачи с частотами до 150 кГц (ТЗА, ТЗПА, ТЗПкА), до 252 кГц (ТЗС, ТЗСА, ТЗССт, ТЗСАСтп, ТЗСГСтп, ТЗСАС) или до 552 кГц (ТЗ). Комбинированные кабели предназначены для организации провод- ной связи, между объектами проводной связи и радиообъектами, а так- же для применения в радиотрансляционных сетях. Комбинированные кабели серии ТДС выпускаются с медными жи- лами диаметром 0,8; 0,9; 1,2 и 1,4 мм. Изоляция жил — бумажный кор- дель и один или два слоя из наложенных с перекрытием лент кабельной бумаги. Жилы диаметром 0,8 и 0,9 мм могут быть изолированы только двумя лентами. В однородных кабелях с пористой полиэтиленовой изоляцией (ТЗПА) и кордельно-полиэтиленовой изоляцией (ТЗПкА) четыре жилы скру- чены в четверку. В кабеле серии ТЗПкА между четверками расположе- ны вспомогательные пары и жилы: в 4-четверочном кабеле—одна пара и одна жила, в 7- и 14-четверочном — пять пар и одна жила. Не менее четырех четверок допускают уплотнение в спектре частот до 150 кГц. Счетная четверка в каждом повиве красная, направляющая — зеленая. Поясная изоляция поверх скрученных четверок — кабельная бумага. Поверх поясной изоляции наложена алюминиевая оболочка и защит- ный покров. Токопроводящие жилы однородных кабелей с кордельно-бумажной изоляцией (ТЗ, ТЗА) обмотаны бумажным корделем и лентой кабель- ной бумаги. Жилы скручены в четверки и обмотаны цветной хлопчато- бумажной пряжей или бумажной лентой. В однородных экранированных кабелях ТЗЭБ или ТЗЭГ четверки обмотаны лентами металлизированной бумаги или металлической фоль- ги. Четверки скручены концентрическими повивами в кабель. Внут- ренние повивы обмотаны хлопчатобумажной пряжей или лентой ка- бельной бумаги. 106
Поясная изоляция состоит из четырех лент кабельной бумаги. По- верх поясной изоляции наложена свинцовая или алюминиевая нормаль- ная или утолщенная (у) оболочка и защитный покров. Допускается использование первых пар четверок 1 и 3 в кабелях ем- костью4х4х1,2 и первых пар четверок 2,3 и 4 в кабелях емкостью 7x4x1,2 для организации систем передачи в диапазоне частот до 150 кГц. В кабелях ТЗСА и ТЗС жилы с изоляцией из полистирольных нитей. Между четверками могут быть расположены сигнальные жилы. На скру- ченные четверки наложены поясная изоляция из четырех...восьми лент кабельной бумаги, свинцовая (у ТЗС) или алюминиевая (у ТЗСА) обо- лочка и защитный покров. В кабелях ТЗССт поверх поясной изоляции проложена медная про- волока диаметром ОД—0,4 мм, затем наложен экран из алюминиевой ленты, поверх которого расположены одна полиэтилентерефталатная, полиэтиленовая или бумажная лента, опознавательная нить или лента, стальная гофрированная оболочка с защитным покровом. В кабелях ТЗСАСБп, ТЗСАСБпШп поверх алюминиевой оболочки наложена свинцовая и защитные покровы. В кабелях ТЗСАСтпШп и ТЗСГСтпШн соответственно поверх алюминиевой и свинцовой оболо- чек находится стальная гофрированная броня и защитные покровы. В пару скручены жилы с изоляцией красного и желтого, натуральных цветов или синего и зеленого цветов. Каждая пара или четверка обмо- тана: обычная — пряжей или бумажными лентами; усиленная — не менее чем двумя слоями бумажных лент; экранированная — не менее чем двумя слоями бумажных лент и слоем металлизированной бумаги. Под экраном пары или четверки может быть проложена медная прово- лока диаметром 0,4 мм. Шестерка скручивается из трех пар, каждая из которых обмотана хлопчатобумажной пряжей. Шестерка обмотана не менее чем двумя слоями бумажной ленты. Комбинированные кабели изготавливаются одноповивными или двухповивными. В каждом повиве имеются смежные контрольная и счетная группы с различной расцветкой. Идеальный к.з.д. оболочки и брони при наведенной э.д.с., равной 30 В/км, для кабелей ТЗПАуБпШп равен 0.1; для кабелей ТЗПАБп и ТЗПАБпГ емкостью 4x4x0,9 и 7x4x0,9 — 0,45; емкостью 4x4x1,2 и 107
7x4x1,2 — 0,40; емкостью 14x4x0,9 и 19x4x0,9 — 0,35; емкостью 14x4x1,2 и 19x4x1,2 — 0,3. Строительная длина кабелей различных серий следующая: ТЗ и ТЗА —425, 850 и 1275 м; ТДС — 410 м; ТЗПкА — 425, 850 и 1000 м; ТЗС — 300 м; ТЗПА — 315м. Кабели можно прокладывать при температуре окружающей среды от минус 15 до плюс 40°С. При монтаже кабели можно изгибать при температуре окружающей среды не ниже минус 10°С. На участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе, применяются кабели с защитными покровами Бл и Бп при соблю- дении допустимых норм наведенных напряжений, а на участках желез- ных дорог, электрифицированных на постоянном токе или при авто- номной тяге, — кабели с покровом Шп. Кабели ТЗ, ТЗА, ТДС предназначены для работы при температуре окружающей среды: -45 до +45°С; ТЗПкА, ТЗС, ТЗПА -50 до +50°С. Срок службы кабелей серий ТЗ, ТЗА, ТДС, ТЗС ЗОлет, серий ТЗПкА, ТЗПА — 20 лет. Высокочастотные одночетверочные кабели ЗКП, ЗКПБ, ЗКПК, ЗКВ, ЗКВБ, ЗКВК, МККШв, МККШп, ЗКАШп, ЗКАБп, ЗКАКпШп предназ- начены для кабельных линий зоновой связи с уплотнением цепей до 252 кГц и обеспечением передачи дистанционного питания напряже- нием до 690 В переменного тока, частотой 50 Гц или напряжением 1000 В постоянного тока. Кабели применяются в цепях вторичной коммутации оперативно- технологической связи, в зоновых линиях Министерства связи и дру- гих ведомств, при организации соединительных линий усилительных пунктов Министерства путей сообщения и узлов связи Министерства связи. Конструкция кабелей показана на рис. 3.34. Жилы из медной проволоки диаметром 1,2 мм2 (2) со сплошной поли- этиленовой изоляцией (3) скручены в четверку вокруг полиэтиленово- го корделя (/). Поверх четверки устроено заполнение из композиции полиэтилена и бутилкаучука (4). Поверх заполнения в кабелях ЗКП, ЗКПБ, ЗКПК, ЗКВ, ЗКВБ, ЗКВК, МККШп и МККШв расположен экран (6) из двух отожженных алюминиевых или медных лент, между или под которыми проложена луженая медная проволока диаметром 0,3...0,5 мм. Поверх алюминиевого экрана нанесен битумный состав 108
(7) толщиной 0,25 мм и оболочка (8), подушка (9), броня (10) и на- ружный защитный покров (11). Кабели ЗКП, ЗКПБ, ЗКПК имеют оболочки из светостабили- зированного полиэтилена (П); ка- бели ЗКВ, ЗКВБ, ЗКВК — обо- лочки из поливинилхлоридного пластиката (В). Оболочки кабелей МККШп, МККШв изготавляются из поли- винилхлоридного пластиката, бро- нируются круглыми стальными оцинкованными проволоками, и кроме того помещаются в защитный шланг из полиэтилена (Шп) или поливинилхлоридного пластиката (Шв). Для кабелей ЗКАШп, ЗКАБп, ЗКАКпШп предусматривается алю- миниевая сварная или выпрессованная оболочка. Защитные покровы кабелей ЗКАШп, ЗКАКпШп, МККШп и МККШв при толщине шланга (2,5 + 0,5) мм пластмассовых лент не содержат. Рис. 3.34 3.2.3. Кабели местных телефонных сетей Кабели для цепей местной телефонной связи, электрочасофикации и городских телефонных сетей с воздушно-бумажной изоляцией, мед- ными жилами парной скрутки, выпускаются в свинцовой (марок ТГ, ТГШп, ТБ, ТБпШп,ТБГ, ТК, ТКпШп), алюминиевой (марки ТАШп), стальной гофрированной (марки ТСтШп) и алюминиевой гофрирован- ной (марки ТАгШп) оболочках. Диаметр жил 0,5 и 0,64 мм изоляция воздушно-бумажная, скрутка парная. Скрутка сердечника повивная или пучковая. Кабели предназначены для эксплуатации при температуре от +50С ... -50°С. Срок службы кабелей в свинцовой оболочке не менее 25 лет, в алюминиевой и стальной — не менее 20 лет. Кабели для местных телефонных сетей (городские) — с полиэтиле- новой изоляцией, медными жилами, парной скрутки, в полиэтилено- вой или поливинилхлоридной оболочке предназначены для примене- ния в цепях местной телефонной связи и электрочасофикации, распределительных линий городских телефонных сетей с уплотнением и 109
на неуплотнительных соединительных линиях АТС—АТС, МТС—АТС при рабочем переменном напряжении не более 145 В или постоянном напряжении не более 200 В. Марки кабелей: ТПП — с пористой полиэтиленовой изоляцией в по- лиэтиленовой оболочке, с экраном из алюминиевой ленты; ТППэп — то же, но с экраном из алюмополиэтиленовой ленты; ТППЗ — с полиэтиле- новой изоляцией, в полиэтиленовой оболочке, с гидрофобным заполне- нием, с экраном из алюминиевой ленты; ТППэпЗ — то же, но с экраном из алюмополиэтиленовой ленты; ТПпП — с пористой полиэтиленовой изоляцией в полиэтиленовой оболочке, с экраном из алюминиевой лен- ты; ТПпПэп — го же, с экраном из алюмополиэтиленовой ленты; ТПпПЗ — то же, с гидрофобным заполнением; ТПВ — такой же, как ка- бель ТПП, но в поливинилхлоридной оболочке; ТППт, ТППШт —то же, но с встроенным тросом и гидрофобным заполнением сердечника. Диаметр токопроводящих жил из медной проволоки 0,32; 0,4; 0,5; 0,64 и 0,7 мм. Пары скручены в пяти- и 10-парные элементарные пуч- ки или сердечник пяти- и 10-парного кабеля. Элементарные пучки скру- чены в сердечники или главные 50-или 100-парные пучки. Главные пучки или сердечники скрепляются наложением по открытой спирали обмотки из хлопчатобумажных или синтетических нитей или лент. В каждом повиве сердечника или главного пучка имеются счетный и направляющий элементарные пучки, отличающиеся между собой от остальных пучков цветом скрепляющей нити или ленты (у счетного пучка — красный цвет, у направляющего — зеленый или синий). В сердечнике, скрученном из главных 50- и 100-парных пучков в каждом повиве должны быть счетный и направляющий главные пучки, различающиеся между собой и от остальных пучков цветом скреп- ляющей нити или ленты (у счетного пучка — красный цвет, у на- правляющего — зеленый или синий). Кабели до 100 пар могут быть скручены повивами. Кабеля с гидро- фобным заполнением имеют наполнение свободного пространства сер- дечника на всей строительной длине. Поверх сердечника с гидрофобным заполнением или без него на- ложена поясная изоляция из полиэтиленовых, поливинилхлоридных, полиамидных, полиэтилентерефталатных или бумажно-полиэтилено- вых лент (не менее чем из одной ленты у кабелей с числом пар до 30 и НО
не менее чем из двух у кабелей с числом пар более 30). Могут быть применены две ленты из различных материалов. В кабелях ТППэп поверх поясной изоляции продольно наложен эк- ран из алюмополиэтиленовой ленты, а в кабелях остальных марок — продольно или спирально экран из гладкой или гофрированной алюми- ниевой ленты. У кабелей ТППт оболочка охватывает сердечник и трос. Диаметры троса 3,1 и 3,7 мм для кабелей с диаметром под оболочкой соответ- ственно до 20 и от 20 до 40 мм. Поверх оболочек кабелей ТППБбШп, ТППЗБбШп, ТППэпБбШп, ТППэпЗБбШп расположены пластмассовые ленты или ленты креки- рованной бумаги общей толщиной не менее 0,3 мм. Конструкция кабе- лей приведена на рис. 3.35, где 1 — главный пучок 10 (10x2) или 10 (5x4); 2 — поясная изоляция; 3 — экран; 4 — полиэтиленовая оболочка; 5 — главный пучок 5( 10x2) или 5(5 х4); 6—полиэтиленовый шланг; 7—под- клеивающий битумный слой; 8—броня из стальных лент; 9—подушка; 10—наружный волокнистый покров; 11 — повивы; 12—броня из сталь- ных оцинкованных лент; 13 — элементарные пучки. Строительная длина кабелей ТППт с числом пар до 30 включительно не менее 300 м, с числом пар 50 и 100— не менее 250 м. Кабели в полиэтилено- вой оболочке без гидрофоб- ного заполнения предназ- начены для эксплуатации при температуре окружаю- щей среды -50 ... +60°С, с гидрофобным заполнением -50... +50°С, а кабели в по- ливинилхлоридной оболоч- ке -40... +50°С. Срок службы кабелей (за исключением ТПпП) не ме- нее 15 лет, ТПпП — 20 лет. Кабели местной связи вы- сокочастотные серии КСП (рис. 3.36) предназначены для ТПП (ТППэп) Рис. 3.35 111
КСППБт 6 1 П 12 2 5 6 2 \~/ / \ О / Рис. 3.36 линий межстанционной связи те- лефонных сетей (АТС—АТС, МТС—АТС) с временным разде- лением каналов и импульсно-ко- довой модуляцией со скоростью передачи до 2048 кбит/с при на- пряжении дистанционного пита- ния до 500 В постоянного тока. Применяют кабели с медными жилами диаметром 0,9 и 0,64 мм с полиэтиленовой изоляцией, скрученными в одну или две чет- верки, марок: КСПП в полиэтиле- новой оболочке, КСПЗП —то же, с гидрофобным заполнением; КСППБ, КСПЗПБ—такие же, как кабели КСПП и КСПЗП, но с по- кровом Б; КСППт, КСППБт,—та- кие же как кабели КСПП и КСППБ, но с встроенным тросом; КСПЗПт — такой же, как КСППт, но с гидрофобным заполнением. Диаметр зроса 2,6 мм, размеры соединитель- ной перемычки 4x4 мм. Конструкция одночетверочных кабелей приведена на рис. 3.36, а, а двухчетверочных на рис. 3.36, б, где 1 — токопроводящая жила; 2 — полиэтиленовая оболочка; 3 — броня из стальной ленты; 4 — поливинилхлоридная лента; 5—алюминиевый экран; 6—медная проволо- ка; 7 — броня из стальных проволок; 8 — поливинилхлоридная лента; 9— экран из алюминиевой ленты; 10 — полиэтиленовая оболочка; 11 — поли- этиленовая изоляция; 12 — гидрофобная масса. Рабочие пары в четверке состоят из двух жил, расположенных по диагонали (первая пара — с изоляцией натурального цвета, вторая — с изоляцией синего цвета). В кабелях с двумя четверками цвета изоляции жил вторых пар первой и второй четверок различаются между собой. Поверх скрученных в кабели жил расположены: полиэтиленовая поясная изоляция; экран из алюминиевой ленты; медная луженая про- волока; бронза из стальной ленты (у кабелей с покровом Б) или слой полиэтиленовой поливинилхлоридной или полиэтилентерефталатной 112
ленты и повив оцинкованных стальных проволок (у кабеля КСПЗПК); битумный состав (кроме кабеля КСПЗПК) и полиэтиленовая оболочка. Строительная длина одночетверочных кабелей КСПП, КСПЗП, КСППБ, КСПЭПБ не менее 750 м, одночетверочных кабелей КСППБт, КСППт, КСПЗПт, КСПЗПК и двухчетверочных КСППБ, КСПЗПБ не менее 500 м. Срок службы кабелей без гидрофобного заполнения 15 лет, с гидро- фобным заполнением — 20 лет. Кабели предназначены для эксплуатации при температуре окру- жающей среды -5О...+5О°С. Симметричные кабели для структурированных кабельных сетей свя- зи КССПВ содержат 4 витых пары с полиэтиленовой изоляцией и обо- лочкой из поливинилхлорида. Предназначены для работ в диапазоне до 100 МГц. 3.2.4. Станционные кабели Высокочастотные станционные двухжильные кабели ВЧС-160 и ВЧС-60 предназначены для монтажа аппаратуры, работающей в диа- пазоне частот соответственно до 160 и 60 кГц. Жилы медные диамет- ром 0,68 мм, с полиэтиленовой изоляцией, в общем экране, в оболочке из поливинилхлоридного пластиката. Строительная длина кабелей 100 м. Кабели предназначены для эксплуатации при температуре окру- жающей среды —4О...+6О°С. Срок службы 12 лет. Пример условного обозначения: ВЧС-160 — кабель высокочастот- ный станционный, работающий в диапазоне частот до 160 кГц. Кабели симметричные станционные КМС и КСВ предназначены для монтажа оборудования высокочастотных систем передачи с частотой 12—552 кГц (КМС) и 12—250 кГц (КСВ). В кабелях КМС для межсто- ечного монтажа наряду в ВЧ цепями могут предусматриваться цепи дистанционного питания. Кабель КСВ предназначен для выполнения внутристоечного монтажа. Кабели содержат семь жил из медных проволок диаметром 0,20 мм. В кабеле КСВ жилы луженые, изоляция жил полиэтиленовая. Скручен- ные жилы заключены в полиэтиленовую трубку, поверх которой нало- жен экран из медных проволок (в кабеле КСВ луженых) и поливинилх- лоридная оболочка. Siax.S! ]13
Строительная длина кабелей КМС — 100 м, КСВ — 30 м. Кабели предназначены для эксплуатации при температуре окру- жающей среды -4О...+6О°С. Срок службы кабелей КМС 20 лет, КСВ 12 лет. Пример условного обозначения: КМС — кабель станционный, сим- метричный, для межстоечного монтажа и дистанционного питания, с жилами диаметром 0,20 мм, с полиэтиленовой изоляцией, в поливи- нилхлоридной оболочке. Станционные телефонные кабели ТСВ (рис. 3.37) предназначены: для монтажа оборудования местной телефонной и станционной связи (напри- мер, проводка от вводной шахты до распределительных устройств, подклю- чение аппаратуры станционной связи типов КАСС, КТС и соединение ее с устройствами поездной радиосвязи, включение цепей от блока БЗП до ком- мутаторов станционной связи, в цепях управления поездной и станционной радиосвязи и др.); для устройства каналов тональной и низкой частоты. Жилы кабеля медные диаметром 0,4 и 0,5 мм, с поливинилхлоридной изоляцией, скручены в пары (жилы а и в) или тройки (жилы а, в, с) однонаправленной или разнонаправленной скруткой. Пары (тройки) скручены в 5- или 10-парные элементарные пучки одно- или разно- направленной скруткой. На элементарный пучок наложена скрепляющая обмотка из син- тетических нитей. На счетный и направляющий элементарные пучки может быть наложена скрепляющая обмотка из цветных хлопчатобу- мажных нитей. Элементарные пучки скручены в сердечник одно- или разнонап- равленной скруткой. В наружном повиве находятся счетный и направ- ляющий элементарные пучки, отличающиеся друг от друга и от осталь- ных пучков цветом скрепляющих нитей. Счетный элементарный пучок обмотан скрепляющей нитью красного цвета. Сердечники могут быть скручены из пар (троек) по системе по- вивной скрутки. Повивы имеют взаимно противоположные направле- ния и обмотаны синтетической нитью. Жилы в парах (в кабелях до 30 Рис. 3.37 пар) и тройках (в кабелях до 20 тро- ек) отличаются цветом изоляции (жилы в и с) и цветом полосок на изоляции белого цвета (жила а). 114
Кабели поставляются длиной не менее 200 м. Кабели предназначены для эксплуатации при температуре окружа- ющей среды -20...+50°С. Кабели не распространяют горение. Срок служ- бы 15 лет. Пример условного обозначения: ТСВ 10X3 — кабель телефонный станционный, с поливинилхлоридной изоляцией жил, в поливинилх- лоридной оболочке с 10 тройками. Станционный кабель с повышенной электрической прочностью КППЭВ одночетверочный с медными жилами диаметром 2,24 мм. Изо- ляция жил полиэтиленовая. Поверх скрученных в четверку жил нало- жены экран и оболочка из поливинилхлоридного пластиката. Строи- тельная длина кабеля равна 150 м. Кабель предназначен для эксплуатации в диапазоне температур от 50 до +50°С. Кабель устойчив к агрессивным средам. Срок службы 20 лет. Вводно-соединительные кабели ТСКВ, СЭК, ВСЭК и СКОЭ служат для устройства соединений и вводов в аппаратуру узлов связи. Кабель ТСКВ телефонно-соединительный, СЭК — экранированный высокочастотно-соединительный, ВСЭК—экранированный высокочас- тотный вводно-соединительный, СКОЭ — экранированный телефон- но-соединительный. Кабели содержат жилы сечением 0,35 мм2, каждая из которых со- стоит из семи медных проволок диаметром 0,25 мм. Изоляция жил по- лиэтиленовая. Жилы скручены в пары. В одной паре находятся жилы с разным цветом изоляции. В кабелях СЭК и ВСЭК каждая пара экрани- рована оплеткой из медной проволоки. Пары скручены в кабель. В кабеле ВСЭК пары окручены вокруг сердечника из семи стальных проволок диаметром 0,4 мм, с полиэтиленовой изоляцией. В каждом повиве имеется счетная пара, цвет изоляции жил которой отличается от цвета изоляции жил других пар. Скрученные пары обмотаны полиамидной и полиэтилентерефталат- ной пленкой (в кабелях ТСКВ, СЭК и ВСЭК) или полиэтиленовой и поливинилхлоридной пленкой (в кабеле СКОЭ). Поверх пленки имеет- ся поливинилхлоридная оболочка. Кабели телефонные соединительные СТПВ, СТПЭВ и коммутаци- онные КТПВ, КТПЭВ предназначены для коммутации телефонных ка- налов и монтажа телефонной аппаратуры. 8* 115
Каждая жила кабелей сечением 0,1,2 мм2 свита из семи медных про- волок диаметром 0,15 мм. Изоляция жил полиэтиленовая. Сое- динительные кабели скручены из пяти пар жил, коммутационные — из двух пар. Экран кабелей СТПЭВ и КТПЭВ состоит из медных прово- лок, накладываемых поверх скрученных жил. Кабели СТПЭВ, КТПЭВ, а также СТПВ, КТПВ помещают в поливинилхлоридную оболочку. Строительная длина кабелей не менее 20 м. Кабели можно эксплуатировать при температуре окружающей сре- ды -50...+70°С. Срок службы не менее 8 лет. Пример условного обозначения: СТПВ 5x0,12 —кабель соединитель- ный телефонный 5-парный, с жилой диаметром 0,12 мм, с полиэтиле- новой изоляцией, в поливинилхлоридной оболочке. 3.2.5. Коаксиальные кабели Для организации многоканальной связи при числе каналов ТЧ бо- лее тысячи и телевидения наиболее часто применяют коаксиальные ка- бели среднего типа с диаметром внутреннего и внешнего проводников соответственно 2,6 и 9,4 мм, а также комбинированные, состоящие из средних и малогабаритных коаксиальных пар (типа 1,2/4,6); при мень- шем числе каналов—кабели с малогабаритными парами. Кабели среднего типа предназначены для протяженных магистралей (до 12 500 км) с числом каналов по двум коаксиальным парам до 10800 (система передачи К-108 00), а малогабаритные—для соединительных линий меж- ду магистралями и вводов радиорелейных линий с числом каналов по двум коаксиальным парам до 480 каналов (система передачи ИКМ-480). Кроме перечисленных выше существуют кабели с крупными коак- сиальными парами типа 5/18 и 9,2/34,5, предназначенные для подвод- ных магистралей, а также микрокоаксиальные кабели, состоящие из четырех, семи и большего числа тонких коаксиальных пар типа 0,7/2,9, применяющихся на городских и пригородных линиях связи с числом каналов по двум парам до 120. Конструкция магистрального коаксиального кабеля КМ—4 приведена на рис. 3.37 (а—поперечный разрез; б—коаксиальная пара). Кабель со- стоит из четырех коаксиальных пар типа 2,6/9,4 и пяти четверок с жи- лами диаметром 0,9 мм. Внутренний проводник 7 коаксиальной пары 116
изготовляют из медной полутвердой проволоки диаметром 2,58 мм; внешний 3 — из отожженной медной ленты толщиной 0,26 мм, шири- ной 30,6 мм с гофрированными кромками с одним продольным швом. На внутренний проводник насаживают или отливают полиэтиленовые шайбы 2 диаметром 9,4 мм, толщиной 2,2 мм с шагом 30,3 мм. На коаксиальную пару накладывают экран 4 из двух стальных лент тол- щиной 0,15 мм, а на него бумажные или пластмассовые ленты 5. Сер- дечник кабеля одевают в поясную изоляцию, оболочку (свинцовую), а затем защищают соответствующими защитными покровами (в зави- симости от марки кабеля). Симметричные пары в кабеле предназна- чены для организации служебной связи и цепей телемеханики и телесигнализации. Коаксиальные кабели КМА-4 и КМЭ-4 в алюминиевых оболочках отличаются от кабелей КМ-4 только типом оболочки. В кабелях КМА-4 применяют алюминиевую оболочку, а в кабелях КМЭ-4 — комбиниро- ванную, состоящую из алюминиевой оболочки толщиной 1 мм и свин- цовой 1,3мм. Эти кабели обладают повышенными экранирующими свой- ствами и предназначены для прокладки в районах высокой грозовой деятельности и вдоль электрифицированных железных дорог по систе- ме переменного тока. Рис. 3.38 117
Малогабаритный коаксиальный кабель МКТС—4 с четырьмя коак- сиальными парами типа 1,2/4,6, пятью симметричными парами и од- ной контрольной жилой диаметром 0,7 мм имеет конструкцию, сход- ную с конструкцией кабеля КМ-4 и отличается от него диаметром и изоляцией коаксиальной пары (полиэтиленовая трубка, обжатая на жилу через каждые 12 мм), а также использованием симметричных пар вместо четверок. Малогабаритный кабель изготавливают и в алю- миниевой оболочке (МКТА-4). Известны конструкции малогабарит- ных коаксиальных кабелей, имеющих одну, шесть, восемь и двенад- цать пар. В коаксиальных парах важным параметром является соотноше- ние диаметров внутреннего и внешнего проводников пары. При ис- пользовании коаксиальных кабелей в качестве фидеров для питания передающих антенн радиостанций соотношение диаметров про- водников в них выбирают по максимуму передаваемой мощности (D/d = 1,65) или по максимуму электрической прочности на пробой (D/d = 2,718). Оптимальное отношение D/d с точки зрения миниму- ма затухания равно 3,6. Станционные коаксиальные кабели применяют для межстоечных соединений аппаратуры. Кабель КСКЭМ служит для передачи спектра частот вторичных групп, КСКЭ, КСКПЭ, КСКПЭП — для передачи линейного спектра частот систем передачи коаксиального кабеля с парами 2,6/9,4 и 1,2/4,6. Кабель КСКЭ служит также для подачи спектра частот третичных групп и подачи групповых несущих и управляющих частот. Жила кабеля скру- чена из семи медных проволок диаметром: КСКЭ и КГКЭ — 0,26 мм; КСКЭМ — 0,18 мм; КСКПЭ — 0,52 мм. Изоляция у кабелей КСКЭ, КСКЭМ и КСКПЭП сплошная полиэтиленовая, у КСКПЭ — пористая полиэтиленовая. В качестве внешнего проводника используется оплет- ка из медных проволок диаметром 0,15 мм. Поверх внешнего провод- ника продольно наложена полиэтилентерефталатная лента, затем вы- полнена обмотка стальной лентой толщиной 0,1 мм и оплетка медной проволокой диаметром 0,15 мм. На оплетке расположена поливинилх- лоридная оболочка. Строительная длина кабелей КСКЭ, КСКПЭ не менее 100 м, КСКЭМ — не менее 50 м, КСКПЭП — не менее 200 м. 118
Кабели устойчивы к воздействию вибрационных, ударных и ли- нейных нагрузок, пониженного атмосферного давления, соляного тумана и солнечной радиации. Кабели КСКЭ, КСКЭМ, КСКПЭ предназначены для эксплуатации в диапазоне температур -5О...+5О°С. Срок службы 20 лет. Пример условного обозначения: КСКЭ — кабель коаксиальный стан- ционный, с медными жилами, с полиэтиленовой изоляцией, экраниро- ванный, в поливинилхлоридной оболочке. 3.2.6. Кабели для сигнализации и блокировки Кабели для сигнализации и блокировки предназначены для элект- рических установок сигнализации, централизации и блокировки, по- жарной сигнализации и автоматики при номинальном напряжении 380 В переменного тока частотой 50 Гц или 700 В постоянного тока. Кабели для сигнализации и блокировки можно условно разделить на основные группы: с оболочкой и (или) шлангом из поливинилхлоридного (ПВХ) плас- тиката, не распространяющие горение при одиночной прокладке (мар- ки СБВГ, СБВБГ, СБПБбШв, СБЗПБбШв); с оболочкой и (или) шлангом из ПВХ пластиката пониженной горю- чести, не распространяющие горение при прокладке в пучках (марок СБВГнг, СБВБГнг, СБВБбШвнг); в утолщенной оболочке из полиэтилена (марок СБПу, СБЗПу); в ПЭ оболочке, с броней из двух стальных лент, с различными типа- ми защитных покровов (марок СБПБГ, СПЗПБГ, СБПБ, СБЗПБ, СБПБбШп, СБЗПБбШп). Общий вид кабеля СБПБбШп представлен на рис. 3.39. Кабели изготавливаются с числом пар 1,3, 4, 7, 10, 14, 19, 24, 27, 30 и числом жил: 3, 4, 5, 12, 16, 30, 33, 40, 42. Могут изготавливаться по отдельному заказу с числом жил: 7, 9, 19, 21,24, 27, 37, 48, 61. Токопроводящие жилы кабелей — однопроволочные из медной мяг- кой проволоки, диаметром 0,8; 0,9; или1,0 мм. Кабели марок СБВГ и СБВГнг с токопроводящей жилой диаметром 0,8 мм прокладывают только в служебных помещениях. На токопроводящие жилы наложена изоляция из полиэтилена в виде сплошного концентрического слоя толщиной 0,35 мм для жил диамет- 119
ром 0,8 мм и 0,45 мм для жил диа- метром 0,9 или 1,0 мм. В кабелях парной скрутки две изолированные жилы («а» и »о»), Рис 3 39 резко отличающиеся по цвету, скру- ченные в пару однонаправленной (повивной или пучковой) или разно- направленной скруткой. При однонаправленной повивной скрутке жилы или пары вне за- висимости от их числа скручены в сердечник концентрическими по- вивами. В каждом повиве имеется счетная и направляющая жилы или пары, отличающиеся цветом изоляции (одной из жил для кабе- лей парной скрутки) друг от друга и от остальных жил или пар дан- ного повива. При разнонаправленной или однонаправленной пучковой скрутке жилы или пары с числом не более 12 скручены в сердечник или элемен- тарный пучок, скрепленный обмоткой из синтетических нитей или лент. Допускается использование отличительной расцветки изоляции не ме- нее двух пар или жил, имеющих расцветку счетных и направляющих жил или пар. При разнонаправленной или однонаправленной пучковой скрутке сердечник с числом жил или пар более 12 скручен из элементарных пучков. В каждом повиве сердечника, скрученного из элементарных пучков, имеется счетный и направляющий пучок, отличающийся цве- том скрепляющихся нитей или лент. Счетная жила, жила в счетной паре и обмотка нитями или лентами элементарного пучка — красного цвета, а направляющие — зеленого цвета. В кабелях марок СБЗПБбШв, СБЗПБбШп, СБЗПБГ, СБЗПБ, СБЗПу свободное пространство сердечника кабеля по всей его длине заполне- но гидрофобным заполнителем, что обеспечивает продольную влаго- непроницаемость кабеля. Гидрофобный заполнитель должен быть со- вместим с изоляцией жил. Поверх сердечника кабеля наложена с перекрытием поясная изоляция из полимерных лент. С 1999 г. на сетях СЦБ МПС было запрещено применение кабелей без гидрофобного заполнения. Поверх поясной изоляции может быть 120
наложен экран из алюминиевой или алюмополиэтиленовой ленты, ко- торый обеспечивает элетростатическое экранирование электрических цепей в кабеле. Поверх поясной изоляции или экрана (при его наличии) наложена оболочка: из ПВХ пластиката в кабелях марок СБВГ, СБВБГ; из ГГВХ пластиката пониженной горючести в кабелях марок СБВГнг, СБВБГнг, СБВБбШвнг; из ПЭ в кабелях остальных марок. В кабелях марок СБПу, СБЗПу оболочка из ПЭ может наложена в два слоя, один поверх другого. Поверх оболочки бронированных кабелей располагаются стандарт- ные защитные покровы. Для кабелей диаметром 15 мм и более на поверхности наружной оболочки или шланга нанесены марка кабеля, опознавательный знак предприятия—изготовителя и год изготовления. Для кабелей диаметром менее 15 мм в качестве маркировки используется нить присвоенного предприятию-изготовителю цвета. Кабели при температуре 20°С име- ют следующие параметры: электрическое сопротивление токопроводящих жил диаметром 1,0 мм не более 23,3 Ом/км, 0,9 мм — не более 28,8 Ом/км, 0,8 мм — не более 36,6 Ом/км; сопротивление изоляции токопроводящих жил без гидрофобного заполнения — не менее 5000 Момкм, с гидрофобным заполнением — не менее 4000 Мом км ; пробивное напряжение 2500 В переменного тока частотой 50 Гц, приложенное между жилами, в течение 1 мин; рабочая емкость на частоте 0,8 или 1,0 кГц пар кабелей парной скрут- ки — не более 100 нФ/км, жил кабелей с одиночными жилами — не более 150 нФ/км; коэффициент затухания пар кабелей парной скрутки для токопрово- дящих жил диаметром: 1,0 мм — не более 0,94 дБ/км, 0,9 мм — не более 1,04 дБ/км, диаметром 0,8 мм — не более 1,18 дБ/км; переходное затухание на ближнем конце на частоте 0,8 кГц меж- ду любыми парами кабелей парной скрутки на длине 300 м: для 100% значений — не менее 60,0 дБ, для 80% значений — не менее 67,0 дБ. Минимальный срок службы кабелей без гидрофобного заполне- ния — 12 лет; с гидрофобным заполнением — 17 лет. 121
Эти сроки обеспечиваются при следующих климатических условиях: относительная влажность воздуха до 98% при температуре до +35°С; верхнее значение температуры окружающей среды до + 60°С; нижнее значение температуры до -40°С для кабелей в оболочке или шланге из ПВХ пластиката или ПВХ пластиката пониженной горючес- ти и до -50°С для кабелей остальных марок. Кабели могут прокладываться механизированным или ручным спо- собом при температуре от + 60°С до — 15°С для небронированных ка- белей и для кабелей с защитным шлангом поверх брони и -10°С для остальных кабелей. Растягивающая нагрузка на кабели должна быть не более 50 Н на каждый квадратный миллиметр общего сечения токопроводящих жил. Допустимый радиус изгиба небронированных кабелей — не менее семи максимальных наружных диаметров, для бронированных — не менее 12 максимальных наружных диаметров кабеля 3.2.7. Контрольные кабели Контрольные кабели на номинальное переменное напряжение до 660 В, частотой до 100 Гц или постоянное напряжение до 1 000 В пред- назначены для соединения электрических цепей стативов с аппарату- рой пультов управления, выносных табло и другого оборудования СЦБ внутренней установки, подключения электропитания постовых уст- ройств автоматики и связи, монтажа цепей автоматики, сигнализации и релейной защиты трансформаторных подстанций СЦБ и связи, резерв- ных пунктов питания с ДГА и цепей дистанционного управления разъе- динителями высоковольтных линий автоблокировки. Жилы кабелей — медные или алюминиевые (А) однопроволочные с изоляцией резиновой (Р) или поливинилхлоридной (В), из полиэти- лена (П) или самозатухающего полиэтилена (Пс). Изолированные жилы скручены в кабель или уложены параллельно в одной плоско- сти (в плоских кабелях). Если кабель содержит более четырех жил и последующие повивы, то две, три или четыре центральные жилы мо- гут не скручиваться. Жилы могут быть скручены в пары, а пары — в сердечник кабеля. У кабелей с защитным покровом БбШв поверх жил наложены поли- этиленовые или поливинилхлоридные ленты или ленты из полиамид- 122
ной или полиэтилентерефталатной пленки, а также две ленты из крепи- рованной бумаги. Экранирование осуществляется обмоткой медными лентами или лентами из алюминиевой фольги, а также продольным наложением алю- миниевых гофрированных лент. Под экраном из алюминиевой фольги проложена медная проволока диаметром 0,4...0,6 мм. Оболочка кабеля — резиновая, не распространяющая горение, по- ливинилхлоридная или свинцовая. Контрольные кабели выпускаются с медными жилами, резино- вой изоляцией, свинцовой оболочкой, различными броневыми по- кровами КРС..., с резиновой изоляцией жил в резиновой негорючей оболочке (Н) КРН..., с резиновой изоляцией и поливинилхлоридной оболочкой КРВ..., с поливинилхлоридной изоляцией и поливинилх- лоридной оболочкой КВВ..., полиэтиленовой изоляцией с поливи- нилхлоридной оболочкой КПВ..., изоляцией из самозатухающего полиэтилена и поливинилхлоридной оболочкой КПсВ... Все эти же типы кабелей могут выпускаться с алюминиевыми жилами, в этом случае перед обозначением кабеля добавляется буква «А», напри- мер АКРНБ, АКВВБ и т.д. Контрольные кабели изготовляют с числом жил 4, 5, 7, 10, 14, 19, 27, 37, 52 при номинальной площади поперечного сечения жилы 0,75; 1 и 1,5 мм2; 4,5,7,10, 14, 19,27,37 при номинальном сечении жилы 2,5 мм2; 4,7, 10 при номинальной площади поперечного сечения жилы 4 и 6 мм2. При сооружении объектов автоматики, телемеханики и связи при монтаже устройств электропитания применяют контрольные кабели в следующих случаях. КВВБ, КНРБ, КПсВБ, КРВБГ, КПсПбШв, КПсБбШв — при проклад- ке в земле в условиях агрессивной среды и в местах, подверженных воздействию блуждающих токов, при условии отсутствия во время эк- сплуатации значительных растягивающих усилий. Общий вид кабеля КВВБ представлен на рис. 3.40. КВВГ, КПВБГ, КРВБбГ, КРНБГ, КВВБГ, КВВБбГ, КПВБбГ—внут- ри помещений в среде, нейтраль- ной по отношению к свинцовой Рис. 3.40 123
оболочке, и отсутствия значительных растягивающих усилий и вероят- ности механических воздействий; КРВГ, КРНГ, КПВГ — при тех же условиях, но при полном отсутствии механических воздействий; КПВБ, КВБбШв — для прокладки внутри помещений в условиях аг- рессивной среды при отсутствии значительных растягивающих усилий; КППбШв, КВПбШв в случае значительных растягивающих усилий; КПсПбШв, КПсБбШв при прокладке в пожароопасных помещениях, тоннелях и каналах. При наличии экрана в маркировку вводится бук- ва Э, например КВВГЭ. Строительная длина кабелей не менее 150 м. Кабели предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды -50 ...+50°С. Длительно допустимая температура жил кабелей с резиновой и поли- этиленовой изоляцией не должна превышать + 65°С, с поливинилхло- ридной изоляцией---н70°С. 3.2.8. Силовые кабели Для передачи и распределения электрической энергии в высоковольтных питающих линиях трансформаторных подстанций автоблокировки, постов ЭЦ, ДЦ и ГАЦ, домов связи, а также при сооружении кабельных высоко- вольтных линий автоблокировки и устройстве вставок в воздушные линии используются силовые кабели на напряжение 6—10 кВ. Силовые кабели различают по типу изоляции: кабели с бумажной изоляцией, в том числе пропитанные и маслона- полненные; с пластмассовой изоляцией; с резиновой изоляцией. По величине линейного рабочего напряжения силовые кабели под- разделяют на: напряженияе 1... 10 кВ; напряжение 20...35 кВ; напряжение ПО...500 кВ. Силовые кабели состоят из одной, трех или четырех одно- или многопроволочных медных или алюминиевых жил, изолированных друг от друга и окружающей среды бумажно—пропитанной, рези- новой или пластмассовой изоляцией, герметизированных свинцо- выми, алюминиевыми, пластмассовыми или резиновыми оболоч- 124
ками и защищенных, как правило, броней из стальных лент или оцинкованной стальной проволоки, а также защитными антикор- розийными покровами. Изоляции жил кабелей изготавливаются из бумажных лент, пропи- танных маслоканифольным составом, из поливинилхлоридного плас- тиката, полиэтилена, резины. Диапазон переменного рабочего напряжения, на который изготав- ливаются силовые кабели, находится в пределах от 660 В до 500 кВ. Величина рабочего напряжения влияет на конструкцию кабелей. Жилы силовых кабелей выполняются однопроволочными и много- проволочными. В маркировке кабелей с однопроволочной жилой до- бавляется обозначение «ож». Жилы круглой формы используются для одножильных и трехжиль- ных кабелей в отдельных металлических оболочках всех сечений; мно- гожильных с поясной изоляцией сечением до 16 мм2 включительно. Жилы сечением 25 мм2 и более для многожильных кабелей с поясной изоляцией изготавливают сегментной или секторной формы. Алюминиевые жилы силовых кабелей сечением 6...240 мм2 и мед- ные сечением 6...50 мм2 изготавливают сплошными однопроволочны- ми. Соответственно алюминиевые сечением 70...800 мм2 и медные се- чением 25...800 мм2—многопроволочными. Силовые кабели имеют изоляцию из бумажных лент, пропитанных маслоканифольным составом. Для вертикальных или крутых кабель- ных трасс используются кабели с обедненно-пропитанной изоляцией или изоляцией с нестекающим пропитывающим составом. Силовые кабели с алюминиевыми или медными жилами с бумаж- ной изоляцией, пропитанной маслоканифольными составами, в алю- миниевой или свинцовой оболочке с защитными покровами или без них предназначены для передачи и распределения электроэнергии в стационарных электрических сетях на переменные напряжения 1, 3, 6 и 10 кВ, а также в сетях постоянного тока. Конструкции некоторых силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией изображены на рис. 3.41, где 1 — жилы, 2 — поясная изоля- ция, 3 — оболочка, 4 — покров из кабельной пряжи, 5 — броня. Жилы кабелей изолируются однослойной кабельной бумагой на основе суль- фатной целлюлозы, которую пропитывают маслоканифольным соста- вом. Изоляцию кабелей для наклонных и вертикальных трасс обраба- 125
Рис. 3.41 тывают обедненным составом, что отмечается в обозначении буквой В через черточку, например: АСБ-В, либо не стекающим составом, что отмечается буквой Ц (добавка церезина), например, ЦСБ. Силовые кабели с пластмассовой изоляцией предназначены для пе- редачи и распределения электроэнергии в стационарных кабельных ЛЭП на номинальном переменном напряжении 0,66; 1; 3; 6; 10 и 110 кВ. Ка- бели используются и для устройства сетей постоянного напряжения, которое может превышать номинальное переменное напряжение кабе- ля не более, чем в 2,5 раза. Кабели выпускаются с алюминиевыми и медными жилами, с пласт- массовой изоляцией жил, в пластмассовой оболочке, с защитными во- локнистыми покровами, броней, в стальной гофрированной оболочке, а также без защитных покровов и без брони. В качестве изоляции используется полиэтилен (ПЭ) или поливинил- хлоридный (ПВХ) пластикат. Число токопроводящих жил кабелей равно 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Жилы могут иметь круглое или фасонное сечение. Номинальное сечение жил от 1,0 до 240 мм2. Кабели на напряжения 3, 6 и 10 кВ изготавливаются только трехжильными. Кабели с пластмассовой изоляцией общего применения по величине номинального напряжения условно разделяют на кабели низкого напря- жения (0,66...3 кВ), среднего (6... 10 кВ) и высокого напряжения (ПО кВ). Силовые кабели с резиновой изоляцией токопроводящих жил предназ- начены для передачи распределения электроэнергии на переменном и по- стоянном напряжении. Кабели низкого напряжения рассчитаны на перемен- ное напряжение 0,66 кВ и постоянное 1 кВ. Кабели среднего напряжения — на переменные и постоянные напряжения 3, 6 и 10 кВ. Кабели с резиновой 126
изоляцией жил используются д ля прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней. Оболочки кабелей изготовляют из маслостойкой, не рас- пространяющей горение резины, из поливинилхлорида или свинца. Некото- рые марки кабелей выполняют бронированными. Кабели эксплуатируются при температуре окружающей среды от -40 ...+50 °C. Промежутки между жилами могут быть заполнены резиновыми жгу- тами, кабельной пряжей или стеклопряжей. Поверх изоляции жил до- пускается обмотка ПЭТФ пленкой или прорезиненной лентой. Кабели в резиновых и поливинилхлоридной оболочках предназна- чены для эксплуатации при температуре окружающей среды -40,..+50°С, а кабели в свинцовых оболочках -50...+50°С. Контрольные вопросы 1. По каким признакам классифицируются кабели связи? 2. Как классифицируются кабели автоматики и телемеханики? 3. Какие материалы используются в токопроводящих жилах кабелей АТС? 4. Какие диэлектрики используются для изоляции жил кабеля? 5. Какие виды изоляции используются в кабелях АТС? 6. Назначение и виды скруток жил? 7. Как строится сердечник кабеля? 8. Виды защитных покровов подземных кабелей. 9. Виды влагозащитных оболочек и брони в кабелях АТС и их срав- нительные характеристики. 10. Назначение и виды арматуры. 11. Назначение и виды кабельных сооружений. 12. Порядок маркировки кабелей связи. 13. Как маркируются кабели автоматики и телемеханики? 14. Особенности конструкции кабелей для прокладки в зоне элект- рических железных дорог. 15. Какие типы магистральных кабелей используются на сетях свя- зи железной дороги. 16. Типы кабелей местной связи и их основные параметры. 17. Типы и конструкции станционных кабелей. 18. Конструкции и виды коаксиальных кабелей. 19. Какие виды сигнально-блокировочных кабелей используются на железнодорожном транспорте? 20. Особенности конструкции и виды контрольных и силовых кабелей. 127
Глава 4 СТРУКТУРИРОВАННЫЕ КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ (СКС) 4.1. Основные элементы кабельных систем В связи с развитием информатизации и связанных с ней технологий на железнодорожном транспорте в настоящее время интенсивно развивают- ся кабельные системы в административных и служебно-технических зда- ниях. Их назначение — обеспечить долговременное функционирование информационных сетей вне зависимости от используемых приложений (методов и средств передачи информации) в данных сетях. Это говорит об определенной «универсальности» таких кабельных систем. Они обеспе- чивают развитие информационно-вычислительных систем, возможность комбинирования электрических и оптических трактов передачи сигналов, гибкость при коммутации линий связи, интеграцию всех слаботочных си- стем в единую инженерную структуру. Создание современных универсаль- ных кабельных систем как элементов информационной инфраструктуры тем более важно, что срок их эксплуатации составляет 16—20 лет, в то время как активное оборудование меняется в среднем каждые 5 лет. Ука- занные преимущества обуславливают экономическую эффективность их применения на стадиях строительства, эксплуатации и развития. Кабельные системы зданий или групп зданий включают в себя теле- коммуникационные кабели и кабельные каналы, аппаратные шнуры, пассивное коммутационное оборудование (кроссовые и коммутацион- ные панели для кабелей; шкафы и стойки для размещения кроссовых панелей, активного сетевого оборудования, оборудования электропи- тания и др.) и арматуру для коммутации. Построенные по определенным правилам и структурам кабельные системы с учетом стандартизации отдельных элементов и расстояний между ними называются структурированными. Так, в существующих стандартах регламентируются передающие среды, топология кабельных систем, длины кабелей, конструкции и ра- бочие характеристики отдельных кабелей и всей линии, связывающей 128
CD BD FD TP (дополнительно) Терминал 500 м i ! 1 1500 м 90 м 10 м Кабельная подсистема рабочего места Горизонтальная кабельная подсистема Кабельная подсистема Магистраль здания м ОК Кабельная подсистема Магистраль кампуса 300 Универсальная кабельная система Рис. 4.1 активное оборудование, коммутационное оборудование СКС, правила монтажа, тестирования и т. п. На рис.4.1 показаны стандартизованные элементы и длины кабелей в универсальной кабельной системе. Магистральный кабель группы зданий (кампуса) проходит от коммутационного оборудования (кросса) CD (включительно) до кросса здания BD. Магистраль здания включает в себя кросс BD и заканчивается на этажных кроссах FD, расположен- ных на разных этажах здания. Горизонтальная кабельная подсистема связывает рабочие места с магистралью здания и включает точки кросс-соединений FD и ТО. Универсальная структурированная кабельная система строится с использованием топологии «звезда» (радиально-узловая топология), как показано на рис. 4.2. Основа СКС — кабель, проложенный на магистральных и горизон- тальных участках системы. В структурированных кабельных системах могут использоваться кабели различных конструкций. Это кабели с медными жилами, представляющие собой конструкции из симметрич- ных скрученных пар типа «витая пара» или «экранированная витая пара», а также коаксиальные кабели. На всех участках СКС могут при- меняться оптические кабели (ОК), свойства и конструкции которых более подробно рассматриваются в главе 5. Коммутационное оборудование СКС представляет собой комму- тационные блоки и панели переключений (пэтч — панели) для под- ключения (терминирования) кабелей с медными жилами или опти- 9 Зак.SI 129
Дополнительные кабели ') Дополнительная переходная точка Рис. 4.2 ческих волокон ОК. Там же выполняется соединение (кроссирова- ние) пар кабелей и оптических волокон. Коммутационные блоки могут иметь различные конструкции, располагаться в телекоммуни- кационных шкафах и на рабочих местах для подключения терми- нального оборудования. Панели переключений имеют модульные гнезда, аналогичные гнез- дам телекоммуникационных розеток. Подключение к ним выполняется с помощью аппаратного шнура, а кроссирование — с помощью шну- ров переключения (пэтч — кордов). В оптических пэтч — панелях дол- жны, как правило, использоваться симплексные и дуплексные коннек- торы типа SC (прямоугольной формы) или коннекторы типа ST. Кабельные коннекторы относятся к арматуре СКС. Они могут при- меняться в точках системы CD, BD, FD, и ТО для кроссирования и под- ключения оборудования (см. рис. 4.1). В СКС используются модульные коннекторы (для витых пар), коаксиальные коннекторы (для коаксиаль- ных пар) и волоконно-оптические коннекторы. Для участков СКС с симметричными кабелями наиболее широко применяются 8-позиционные модульные коннекторы для включения до четырех симметричных пар кабеля, аналогичные применяемым в кабельных сетях телефонных сетей. Для коаксиальных кабелей исполь- зуются коннекторы типа BNC. 130
В качестве коннекторов для оптических волокон стандартами узако- нено применение коннекторов типа SC и ST, хотя и допускается приме- нение и других конструкций (FDDI, MT-R, VF—45, SMA, FC). СКС могут включать в себя и элементы защиты от перенапряжений (разрядники) и больших токов (термические катушки), интегрирован- ные в кроссовое оборудование. 4.2. Кабели, применяемые для построения СКС Кабели на основе неэкранир<)ванных витых пар НВП (UTP — Unshielded Twisted Pair — неэкранированная витая пара) применяются на горизонтальном уровне СКС и в качестве магистральных кабелей (см. рис.4.1). Горизонтальные кабели НВП — четырех- или двухпар- ные (одножильные), с диаметром медных проводников 0,51 мм, с поли- винилхлоридной или полиэтиленовой изоляцией жил, в поливинилх- лоридной оболочке. Все механические и электрические характеристики кабелей стандартизированы. Так, разрывное усилие для четырехпарно- го кабеля составляет 400 Н. Для данных кабелей, а так же коммутационного оборудования стан- дартами определены три категории применения: категория 3 — для работы в диапазоне до 16 МГц; категория 4 — » до 20 МГц; категория 5 — » до 100 МГц. В диапазоне частот, начиная с частоты 1 МГц установлены электри- ческие характеристики данных кабелей: волновое сопротивление (100 Ом ± 15%); затухание несогласованности (SRL), дБ; рабочее зату- хание на участке цепи длиной 100 м, дБ; переходное затухание на ближ- нем конце цепи (NEXT), дБ. Регламентируемые частотные зависимости затухания витых пар при длине кабеля 100 м определяются по формуле, а(/)-^77+^/+^/(77),дБ, где/а 0,772 — частота, МГц; к\, к2, ку — коэффициенты, значения которых приведены в табл. 4.1. Также нормируется задержка распространения сигнала на частоте 10 МГц при длине кабеля 100 м. 9: 131
Таблица 4.1 Категория кабеля Коэффициенты для расчета затухания витых пар ki кг к3 Категория 3 2,320 0,238 0,000 Категория 4 2,050 0,043 0,057 Категория 5 1,967 0,023 0,050 Магистральные кабели НВП содержат более четырех витых пар, аналогичных горизонтальным кабелям. Обычно кабельная конструкция состоит из групп по четыре пары. Число пар кабеля кратно 24 или 25. В таких кабелях допускается наличие общего экрана. Рабочие характери- стики пар аналогичны приведенным выше. Иногда для улучшения параметра NEXT в много парных кабелях при- меняют экранирование групп по четыре пары или отдельных пар. Такие кабели называют гибридными. К гибридным относят и кабели, Содержа- щие кроме витых медных пар в своем сердечнике оптические волокна. Могут применяться в СКС и кабели с экранированными витыми па- рами ЭВП (STP — Shielded Twisted Pair- экранированная витая пара). Каждая из двух пар такого кабеля заключена в индивидуальный экран из алюминиевой фольги. Диаметр медных жил 0,63 мм, волновое сопро- тивление пар 150 Ом. Рабочие характеристики кабелей типа STP-A оп- ределены до 300 МГц. Коаксиальные кабели были первыми кабелями, которые использо- вались в широкополосных кабельных системах. В качестве передаю- щей среды для кабельных систем они были приняты стандартом 1991 г. Позднее, в стандартах 1995 г., коаксиальные кабели переведены в раз- ряд рекомендованных с исключением из последующих версий стандар- та. И, хотя они начинают вытесняться кабелями на основе UTP в новых СКС, встречаются достаточно часто. Коаксиальные кабели могут иметь одножильные и многожильные центральные проводники, экран (внешний проводник) сетчатый мед- ный или сплошной из алюминиевой фольги, оболочку из полихлорви- нила. Применяются несколько стандартных значений волнового сопро- тивления, чаще 50 и 75 Ом. Маркировка отечественных кабелей содержит аббревиатуру РК, а зарубежных — RG. 132
Оптические кабели для СКС используются на участках горизонталь- ных и магистральных подсистем. Для горизонтальных подсистем применя- ются ОК с числом оптических волокон не менее двух. Оптические волок- на —многомодовые градиентные с размерами 62,5 /125 или 50/125 мкм. В магистральных кабелях оптические волокна могут быть как многомодовые градиентные, так и одномодовые с размерами 9/125 мкм (см. главу 5). Оптические кабели должны обеспечивать прочность на растяжение, сжатие, гибкость и хорошую защиту волокон от воздействия окружаю- щей среды. Количество волокон в магистральных кабелях может ме- няться от 2 до 100, в зависимости от требований. В СКС применяются кабели как со свободной укладкой волокон, так и композитные. 4.3. Универсальные кабельные системы и применяемые стандарты Основные телекоммуникационные стандарты универсальных кабель- ных систем были созданы в 1990—1995 гт. Они направлены на создание кабельных систем, способных поддерживать новые телекоммуникацион- ные технологии в области передачи речи, данных и изображений. Основ- ными стандартами прокладки кабелей внутри зданий являются стандарт ANSI/EIA / TIA — 568-А (ANSI/ EIA / Т1А — Американский институт стандартов / Ассоциация электронной промышленности / Ассоциация телекоммуникационной промышленности) и стандарт ISO/IEC—11801 (ISO / IEC — Международная организация по стандартизации / Междуна- родная электротехническая комиссия). В них специфицируются кабели и ком- поненты кабельных линий, устанавливаются структуры СКС, определяются требования к магистральным системам группы зданий, внутренним магист- ральным системам и зонам обслуживания, экранированию, администриро- ванию систем. Стандарты дополняются техническими бюллетенями и но- выми разделами. Так, стандарт ANSI — 569, устанавливает требования к телекоммуникационным помещениям и трассам кабеля СКС, бюллетень TIA /EIA TSB-E1 дает рекомендации по тестированию кабельных систем на основе кабелей СТР, бюллетень TIA / EIA TSB-T2 дополняет стандарт по каблированию с помощью оптических кабелей, бюллетень TIA /EIA TSB-75 регламентирует применение многопользовательских телекоммуникационных розеток и дополняет правила построения горизонтальных подсистем СКС. 133
Одним из основных отличий стандарта Международной организа- ции по стандартизации ISO/IEC-\ 1801 является иное определение клас- сов приложений, использующих медные компоненты. Первые четыре класса приложений определены как: класс А — для речевых низкочас- тотных приложений и низкоскоростной передачи данных до 100 кГц; класс В — для цифровой передачи сигналов с частотами до 1 МГц; класс С—для высокоскоростной цифровой передачи (до 16 МГц), (соот- ветствует 3-й категории по стандарту ANSI/Е1А / ПА 568-А) и класс D— с рабочими характеристиками до 100 МГц (соответствует категории 5). Выделен класс приложений, использующих оптическое волокно в ка- честве среды передачи информации. К этому классу отнесены прило- жения с высокой и сверхвысокой скоростью цифровой передачи дан- ных (с шириной полосы частот более 10 МГц). Максимально допустимые расстояния в магистральной подсистеме (между точками CD и FD по рис. 4.1) в зависимости от класса приложений и типа при- меняемого кабеля даны в табл.4.2. В таблице максимальная длина 3000 м — предел, определенный сферой действия стандарта. Таблица 4.2 Тип кабеля Класс А Класс В Класс С Класс D Опти- ческий класс Кабель категории 3 2000 м 200м 100 м - - Кабель категории 4 3000 м 260 м 150 м - - Кабель категории 5 3000 м 260 м 160 м 100 м - Кабель Zg = 150 Ом 3000 м 400 м 250 м 150 м - Многомодовый ОК - - - - 2000 м Одномодовый ОК - - - - 3000 м Линии определенного класса поддерживают приложения и более низких классов. При этом расположение элементов универсальной ка- бельной системы в здании, как показано на рис. 4.3, должно соответ- ствовать стандартизованной топологии, а длины кабельных подсистем не должны превышать установленных значений, см. рис. 4.1 и табл.4.2. 134
Рис. 4.3 При выборе и создании СКС для информационных систем важ- ную роль играет ценовой фактор. Будучи достаточно капиталоемкой (5—10% стоимости информационной системы), кабельная сеть долж- на строиться с учетом целого ряда факторов: перспектив применения и модернизации активного оборудования, возможного расширения сети, использования компонентов с дополнительными свойствами и увеличенным сроком гарантии, но более дорогих и т. п. Контрольные вопросы 1. В чем заключается «универсальность» структурированных ка- бельных систем, какова область их применения? 2. Какие элементы входят в состав структурированных кабельных систем? 3. Какие типы кабелей используются в универсальных кабельных системах? 4. Какому классу приложений соответствуют кабельные системы с НВП, рабочие характеристики которых определены 5-й категорией?
Глава 5 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ 5.1. Структурная схема волоконно-оптической линии передачи Разработка световодных систем и их опытная эксплуатации на желез- нодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системах связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим светово- дам. Последние представляют собой тонкие нити специальной конструк- ции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения (кварцевое или многокомпонентное стекло, полимер, некоторые галоидные соединения). Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла (ОСЧ-кварцевого стекла) называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей. Перспективность волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) обусловлена большой пропускной способностью волокна, защищенно- стью от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требует- ся применять специальные меры по защите от опасных напряжений линий электропередачи и электрифицированных железных дорог; воз- можность прокладки кабеля между точками с большой разностью по- тенциалов; высокой помехозащищенностью цифровых линейных трак- тов; малой металлоемкостью и отсутствием дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле; малым значением коэффициента за- тухания в широкой полосе частот, что обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравнению с электрическими кабелями (10—150 км вместо 2—6 км); небольшими размерами кабеля. Структурная схема ВОЛП показана на рис.5.1. Для работы одной многоканальной системы связи требуются два оптических волокна (ОВ): по одному передаются сигналы в направлении от А к Б, по другому — в обратном. В оконечных пунктах передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования электрических сигналов в оптические. Приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) предназна- чен для преобразования оптических сигналов в электрические. 136
Рис. 5.1 Основными элементами приемопередающих модулей являются источ- ник излучения с длиной волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в оптическом волокне, и приемник излучения. Оба модуля содержат электронные схемы для преобразования электрических сигналов и стабилизации режимов работы и разъемные соединители. Линейный тракт содержит оптический кабель (ОК), в который через примерно равные про- межутки включены линейные регенераторы, а в случае использования вол- нового уплотнения оптических волокон — оптические усилители. Дальность непосредственной связи по ВОЛИ, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств. Источник оптического излучения. Основным элементом переда- ющего оптоэлектронного модуля является источник оптического излу- чения. Работа различных источников оптического излучения основана на инверсной заселенности энергетических уровней. Создание инверс- ной заселенности уровней называется накачкой. При переходе атома с более высокого энергетического уровня (Е2) на более низкий (Е}) происходит излучение на частоте о) = (£2 — E^-h, где h = 1,05• 1О34 Дж с — постоянная Планка. Переходы с верхнего уров- ня на нижний могут быть спонтанными (самопроизвольными), что ха- рактерно для обычных светоизлучающих диодов (светодиодов), а так- же спонтанными и вынужденными (суперлюминесцентные светоизлучающие диоды) и только вынужденными (лазеры). Излучение обычных светодиодов является некогерентным и слабонап- равленным, ширина спектра излучения составляет (20—40) нм. Суперлю- минесцентные светодиоды имеют более высокую яркость и малую излуча- ющую поверхность по сравнению с обычными светодиодами. Длина волны светового излучения зависит от состава полупроводникового материала. 137
В качестве направленных источников излучения наибольшее при- менение получили полупроводниковые инжекционные лазеры. Они легко позволяют осуществить внутреннюю модуляцию оптического излучения по интенсивности. Ширина спектра излучения полупровод- никового лазера менее 2 нм. Выбор источника излучения определяется областью применения системы передачи. Светодиоды используют в системах, предназначен- ных для работы на сравнительно небольшую дальность (примерно 10 км) и скорость передачи до 200 Мбит/ с. Светодиоды обладают луч- шей линейностью характеристик, большим сроком службы, более сла- бой температурной зависимостью излучаемой мощности, чем лазеры. К недостаткам светодиодов следует отнести малую мощность излуче- ния и невысокий к.п.д. согласования с оптическим волокном. Лазерные источники излучения применяют преимущественно в системах передачи с большой дальностью и высокой скоростью пе- редачи. Они обеспечивают высокий к.п.д. согласования с оптичес- ким волокном. Приемник оптических сигналов. Основным элементом приемного оптоэлектронного модуля является приемник оптических сигналов. В качестве приемника используют /лл-фотодиоды и лавинные фотодио- ды. Известно, что в р-п переходе, на который подано обратное смеще- ние, существует зона, в которой нет свободных носителей заряда (обеднен- ная зона). Поглощение фотона в этой зоне сопровождается возникновением пары носителей зарядов — электрона и дырки, которые под действием постоянного электрического поля, созданного внешним источником напряжения смещения, перемещаются к противоположным зажимам фо- топриемника, образуя ток во внешней цепи. Этот ток и является сигна- лом на выходе фотодиода, его значение пропорционально мощности принимаемого светового излучения. Когда световая мощность очень мала (нановатты), фототоки также малы (наноамперы), и в этом случае для уменьшения влияния шума (теп- ловые шумы, квантовые шумы) используют внутренее усиление в фото- приемнике (лавинный фотодиод) за счет эффекта лавинного умножения носителей заряда. Лавинные фотодиоды усиливают первичный фототок прежде, чем на полезный сигнал накладываются шумы. Однако они тре- буют более высокого напряжения питания и его стабильности. 138
5.2. Конструкция и классификация оптических волокон 5.2.1. Конструкция оптических волокон Сердцевина и отражающая оболочка. Оптическое волокно (ОВ) представляет собой нить, состоящую из сердцевины и отражающей оболочки изготовленных из ОСЧ-кварцевого стекла. Еще в процессе вытяжки на него наносится первичное защитное покрытие. Сердцевина — это область в центре волокна, показатель преломле- ния которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется боль- шая часть энергии светового сигнала. Оболочка — это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух облас- тей с более высоким и низким показателями преломления создает световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины. Световодом может быть и более простая конструкция, например, сердцевина из стекла и отражающая оболочка из окружающего возду- ха. Подобный световод используется при подсветке струй фонтана, где сердцевиной служит струя воды, а отражающей оболочкой — воздух. Однако световод такой конструкции не может быть использован для передачи сигналов. В нем будут большие потери вследствие загрязне- ния поверхности стекла пылью и водяным конденсатом, а также свето- вод будет обладать малой пропускной способностью из-за большой ве- личины дисперсии (см.п.5.4.2). Наличие кварцевой отражающей оболочки, имеющей показатель пре- ломления чуть меньше (не более нескольких процентов), чем у сердце- вины, приводит к трем последствиям, два из которых положительны: уменьшает потери световой энергии; уменьшает дисперсию (уменьшает уширение передаваемых импуль- сов), и одно отрицательно: уменьшает долю энергии, захватываемой сердцевиной от светоиз- лучающих диодов. Конструкция оптического волокна показана на рис.5.2. С точки зре- ния передачи сигналов ОВ представляет собой диэлектрический вол- 139
Первый слой первичного покрытия \ Второй слой первичного покрытия Сердцевина Отражающая оболочка Рис. 5.2 новод, работающий в оптическом диапазоне волн. Канализация распро- странения света создается путем скачкообразного или плавного изме- нения показателя преломления (диэлектрической проницаемости) квар- цевого стекла в поперечном сечении волновода. В оптическом диапазоне частот принято употреблять понятие показателя преломления (и) вмес- то диэлектрической проницаемости, которые количественно связаны между собой соотношением п = , где ег — относительная диэлект- рическая проницаемость. Здесь и далее через п обозначается абсолют- ный (фазовый, в отличие от группового) показатель преломления рав- ный отношению: скорость света в вакууме скорость света в данной среде Условия распространения светового импульса по оптическим волок- нам определяются законом изменения показателя преломления в попе- речном сечении сердцевины, величиной разности показателей прелом- ления в центре сердцевины и отражающей оболочки, а также диаметром сердцевины и толщиной отражающей оболочки. Для сохранения параметров передачи ОВ при их упаковке в кабель, а также в процессе прокладки и эксплуатации кабеля, оптические во- локна необходимо защитить от механических воздействий. Для этого, кроме первичного защитного покрытия, используются также защитные оболочки. Первичное защитное покрытие и защитные оболочки оптичес- ких волокон. Первичное покрытие обычно изготавливается двухслойным. Внутренний мягкий слой демпфирует механическую нагрузку, действу- 140
Трубка Оптическое волокно Рис. 5.3 ющую на волокно, и облегчает снятие первично- го покрытия. Наружный твердый слой устойчив к абразивным воздействиям. Показатель прелом- ления материала первичного покрытия берется большим, чем у отражающей оболочки для по- глощения в ней нежелательных световых волн, распространяющихся по отражающей оболочке. В оптическом кабеле волокна тре- буют дополнительных мер защиты от механических воздействий. Это дости- гается за счет применения защитных оболочек, скрутки оптических волокон и использования в конструкции кабеля специальных упрочняющих элементов. Рис. 5.4 Волокна с первичным защитным покрытием могут иметь дополнитель- Первичное „ покрытие Защитное Отражающая оболочка 245 мкм 900 мкм Рис. 5.5 ные защитные оболочки в виде по- лимерной модульной трубки, в которой волокна лежат свободно (рис.5.3), модульной ленты (рис.5.4) или защитная оболочка наносится непосредственно на первичное по- крытие, так называемая оболочка типа плотный (рис. 5.5) или усилен- ный буфер (рис. 5.6). Модульную трубку, заполнен- ную гелем, с одним оптическим во- локном называют одноволоконным оптическим модулем (см.рис.5.3), а с несколькими волокнами — многово- локонным оптическим модулем. Каждое волокно в модуле и сам модуль имеют цветной код для идентификации. Вариантом усовершенствования од- новолоконного модуля с точки зрения плотности упаковки волокон является Упрочняющий Защитное элемент покрытие Оптическое волокно с первичным покрытием Рис. 5 6 141
ленточная конструкция. Ленточная конструкция позволяет производить од- новременную сварку нескольких волокон, что убыстряет процесс монтажа в случае большого числа волокон в ОКС. При ленточной конструкции два или более волоконных световода объединяются в одной плоскости параллельно друг другу с одинаковым шагом в единый многосветоводный модуль. Эти ленточные модули могут быть объединены в стопку с прямоугольным про- филем или заключены в пазы профильного сердечника оптического кабеля. Защитные оболочки типа полимерная модульная трубка или лента применяются в кабелях для наружной прокладки, а типа плотный или усиленный буфер для прокладки внутри помещений. 5.2.2. Классификация оптических волокон Оптические волокна могут быть классифицированы по двум параметрам: числу распространяющихся мод; профилю распределения показателя преломления в поперечном се- чении сердцевины. По числу распространяющихся в оптическом волокне мод они подразде- ляются на одномодовые и многомодовые. Волокно с малым диаметром сер- дцевины (диаметр превышает длину волны передачи в несколько раз), по которому в рабочем диапазоне длин волн может распространяться только одна фундаментальная (основная) мода, которая хотя и может иметь две по- ляризации, называется одномодовым. Волокно с большим диаметром серд- цевины (диаметр на порядок больше длины волны передачи), в котором мо- гут распространяться две или большее число мод, называется многомодовым. При рассмотрении изменений показателя преломления п волокон- ного световода как функции радиуса используется термин «профиль распределения показателя преломления». Он определяет радиальное изменение значений показателя преломления от оси волокна в сердце- вине в направлении оболочки. В настоящее время наибольшее применение нашли следующие про- фили распределения показателя преломления в поперечном сечении сердцевины: ступенчатый (для многомодовых и одномодовых волокон); градиентный (для многомодовых волокон); сегментный и треугольный (для одномодовых волокон). Ступенчатый профиль. При ступенчатом профиле показатель прелом- ления п ] одинаков по всему поперечному сечению сердцевины и при перехо- 142
Рис. 5.7 ае от сердцевины к оболочке показатель преломления уменьшается ступенча- то и остается неизменным в оболочке со значением п2 (рис.5.7,а). Ступенча- тый профиль могут иметь как одномодовые, так и многомодовые волокна. Одномодовые волокна со ступенчатым профилем изготавливаются также с так называемой поглощающей оболочкой (рис. 5.7,6), имеющей провал показателя преломления оболочки. Здесь и далее на рисунках профиля показываются изменения показателя преломления вдоль ра- диуса только в пределах сердцевины и отражающей оболочки волокна без указания значений показателя преломления первичного защитного покрытия. В настоящее время многомодовые волокна со ступенчатым профилем для использования в сетях связи не изготавливаются. При расчетах характеристик световодов вместо абсолютной разно- сти показателей преломления принято использовать относительную разность показателей преломления (А), которая определяется как п? -п? п. - л, ------------иГ’ (51) Последнее упрощение правомерно, так как у применяемых волокон абсолютная разность — п2 не превосходит единиц процентов. Основное отличие одномодовых волокон от многомодовых состоит в существенно меньшем диаметре сердцевины и меньшем значении А, (в табл. 5.1 приведены характеристики типичных одномодовых и мно- гомодовых волокон). Таблица 5.1 Тип волокна Диаметр сердцевины, мкм Диаметр оболочки, мкм Относительная разность показателей преломления А, % Одномодовое 8,3 125 0,3 Многомодовое 62,5 125 1 143
Градиентный профиль. У оптических волокон с градиентным про- филем показатель преломления изменяется не ступенчато, а плавно. В этом случае сердцевина состоит из большого числа слоев концентри- ческих колец. При удалении от оси сердцевины показатель преломле- ния каждого слоя снижается. Наилучшие характеристики имеют опти- ческие волокна, у которых профиль показателя преломления (лг) описывается параболой (рис.5.7,в) пг = «1[1 — 2(г/а)2],/2 для Osrsa, (5.2) где — наибольшее значение показателя преломления в центре серд- цевины; г — текущий радиус; а — радиус сердцевины. Именно за оптическими волокнами с параболическим профилем зак- репилось название градиентных волокон. В отличие от ситуации со ступенчатым профилем, где свет отража- ется от относительно резкой границы между сердцевиной и оптичес- кой оболочкой, при параболическом профиле свет постоянно и более плавно испытывает отражение от каждого слоя сердцевины. При этом свет изгибается в направлении к оси волокна и его траектория стано- вится синусоидальной. Сегментный и треугольный профили показателя преломления. Уширение световых импульсов (дисперсия) после их прохождения че- рез одномодовое ОВ при скорости передачи меньше 2,5 Гбит / с вызы- вается двумя ее составляющими: материальной и волноводной диспер- сией. В диапазоне длин волн более 1,3 мкм эти два вида дисперсии в оптическом волокне имеют противоположные знаки. Для одномодово- го волокна со ступенчатым профилем сумма дисперсий равна нулю при длине волны вблизи 1,3 мкм. Нулевую дисперсию при других длинах волн можно получить изменяя величину волноводной дисперсии за счет изменения профиля. Это привело к созданию волокон с сегментным и треугольным профилем (рис.5.7,г и д'), позволяющим в зависимости от его конкретной реализации получить волокна, у которых длина волны нулевой дисперсии равна 1,55 мкм (так называемые оптические волок- на со смещенной дисперсией) или получить волокна с малой величи- ной дисперсии во всем диапазоне волн от 1,3 до 1,60 мкм (так называе- мые волокна со сглаженной дисперсией), а также получить волокна со 144
специально подобранной величиной дисперсии в диапазоне длин волн от 1,53 до 1,565 мкм, предназначенных для спектрального уплотнения с применением легированных эрбием волоконных усилителей, (так на- зываемые волокна с ненулевой смещенной дисперсией). 5.2.3. Разновидности многомодовых волокон и области их использования В настоящее время для электросвязи изготавливаются многомодо- вые градиентные оптические волокна с градиентным профилем. Они используются для удлинения ранее построенных на их основе сетей, а также в локальных вычислительных сетях и линиях передачи данных. Хотя многомодовые волокна несколько дороже одномодовых, суммарные затраты с учетом стоимости источников излучения, детек- торов, разъемных и неразъемных соединений получаются меньшими по сравнению с одномодовыми волокнами. Тип многомодовых волокон обозначается дробью: в числителе ука- зывается диаметр сердцевины, а в знаменателе — оболочки. Например, 50 / 125 означает, что диаметр сердцевины волокна равен 50 мкм, а диаметр оболочки 125 мкм. Иногда это обозначение не позволяет точно идентифицировать тип волокна, так как при одинаковых геометричес- ких размерах оно может изготавливаться с различным относительным показателем преломления А, а, следовательно, и разными характерис- тиками оптических волокон, зависищих от численного значения А. В табл. 5.2 приведены характеристики пяти типов многомодовых волокон общего применения. Таблица 5.2 Диаметр сердцевина / оболочка, мкм А, % Теоретическая числовая апертура Коэффициент широкополосное™, МГц • км 50/125 1,0 0,21 1500—1800 50/125 1,3 0,24 1400 62,5 /125 1,9 0.29 600—1000 85/125 1,7 0.27 800 100/ 140 2,1 0,3! 500 10 Зак. 81 145
Многомодовые волокна в настоящее время изготавливаются для их использования в трех модификациях: на длине волны X. = 0,85 мкм или на длине волны X. = 1,3 мкм, а также одновременно на двух указанных длинах волн. В последнем случае ширина полосы пропускания может быть равной, но обычно на X = 1,3 мкм она выше. Волокна 50 / 125. Эти волокна были первыми волокнами, которые предназначались для организации связи на значительные расстояния с использованием лазерных источников излучения. Характеристики этих волокон приняты за образец, относительно которых сравниваются ха- рактеристики всех остальных типов многомодовых волокон.. В России многомодовые волокна 50 / 125 с числовой апертурой NA - 0,2 используются в оптических кабелях для организации соеди- нительных линий АТС. Передаточные характеристики отечественных оптических волокон на длине волны X. = 1,3 мкм приведены в табл.5.3. Таблица 5.3 Сети Затухание, дБ / км Коэффициент широкополосности, МГц • км Городская 0,7; 1,0 Не менее 100 Сельская 0,7; 1,0; 1,5 Не менее 120 Зоновая 0,7; 1,0; 1,5 Не менее 800 Волокна 62,5/125. По мере снижения стоимости оптических воло- кон стало привлекательным их использование на других участках сети связи, в частности на магистральных участках сети местной связи. Бо- лее неблагоприятные условия эксплуатации в сетях местной связи по- требовали разработки новых систем передачи с использованием свето- излучающих диодов (СИД) вместо лазеров для обеспечения большей температурной стабильности, надежности работы и меньшей стоимос- ти. Эти волокна захватывают большую долю мощности от СИД по срав- нению с волокнами 50 / 125. Из рассматриваемых пяти типов, они име- ют наименьшие вносимые потери на изгибах при равных прочих условиях. До недавнего времени это волокно имело наиболее широкое использование в зарубежных частных сетях связи при использовании СИД в качестве источника излучения. Их затухание незначительно больше, чем у волокон 50 / 125 мкм, но значительно меньше, чем у волокон 100 / 140 мкм. Учитывая, что в 146
некоторых случаях стоимость прокладки оптического кабеля в несколь- ко раз превышает стоимость самого кабеля, ожидается, что с лазер- ными источниками излучения волокна 62,5 / 125 (при развитии суще- ствующей сети)могут быть использованы для передачи данных со скоростью, превышающей 1 Гбит / с, на коротких линиях внутри зда- ний и со скоростью выше 200 Мбит / с при длине линии до 2 км (меж- ду зданиями). Возможность передачи на двух длинах волн позволяет предусмот- реть развитие пропускной способности сети, например, вначале исполь- зовать длину волны X. = 0,85 мкм для передачи данных со скоростью 10 Мбит / с, а затем X = 1,3 мкм для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с. Одномодовые волокна дешевле, чем многомодовые. Однако более высокая цена лазерных источников излучения приводит к более высокой стоимости коротких линий передачи данных в зданиях по сравнению с вариантом многомодового волокна плюс светоизлучающие диоды. Волокна 85,5 /125. Это волокно предназначено для использования в локальных вычислительных сетях. Его недостатком является наиболь- шая чувствительность к изгибам с точки зрения вносимых потерь. По этой причине оно не получило широкого использования. Волокна 100 / 140. Предназначено для использования на коротких участках сети низкоскоростной передачи данных, содержащей большое число коннекторов. Это волокно захватывает наибольшую долю мощ- ности от СИД из всех рассматриваемых. Оно наименее чувствительно к отклонениям от номинальных размеров коннекторов, но последние несколько дороже из-за нестандартного размера отражающей оболоч- ки волокна. 5.2.4. Разновидности одномодовых волокон и области их использования Интересно отметить, что одномодовые волокна были изготовлены раньше, чем градиентные многомодовые волокна. Однако опыт их ис- пользования в начале 1970-х годов был отрицательным и тогда же сло- жилась точка зрения, что одномодовые волокна не пригодны для прак- тического использования из-за малости размеров сердцевины и жестких допусков. Поэтому основное внимание специалистов было переключе- 10* 147
но на разработку многомодовых волокон и доведения их до практичес- кого использования. В результате последние имели широкое коммер- ческое использование в конце 1970-х и начале 1980-х гг. Однако рабо- ты по технологиям одномодовых волокон не прекращались и в результате они получили коммерческое использование в 1984 г. В настоящее время в сетях связи одномодовые волокна вытесняют многомодовые и используются не только на участках магистральной, зоновой сети связи, но и в сетях местной и корпоративной связи. Мощным стимулом совершенствования технологий изготовления одномодовых волокон является потребительский спрос и стандарти- зация все большего числа технических характеристик волокон. Тен- денцией развития оптических волокон с начала до середины 1980-х гг. было стремление уменьшить затухание волокон с целью увеличе- ния длины регенерационного участка при умеренных потребностях в росте скорости передачи до 0,5 Гбит / с. Затем в середине 80-х — начале 90-х гг. происходит смена тенденции и главным становится обеспечение максимальной скорости передачи по одному каналу во- локна, которая была доведена до 2,5 Гбит / с. В середине 90-х гг. по- явились системы передачи со спектральным (волновым) уплотнени- ем и оптические усилители, которые стимулировали разработку специального одномодового волокна с ненулевой смещенной диспер- сией, позволяющего передавать сравнительно большие мощности оп- тического сигнала при спектральном уплотнении волокна. В эти же годы происходит резкое увеличение трафика (ежегодный прирост: те- лефония — 10 %, передача данных — 30 %, Интернет — 100 %). Доступные в настоящее время для коммерческого использования одномодовые волокна могут быть разделены на три обширные группы: стандартное волокно (обычные волокно с несмещенной диспер- сией), оптимизированное для использования на длинах волн около X. = 1,31 мкм, его можно также использовать в диапазоне длины волны около 1,55 мкм (там, где характеристики волокна не оптимизированы); волокно со смещенной нулевой дисперсией, оптимизированное для использования вблизи длины волны А. = 1,55 мкм; волокно с ненулевой смещенной дисперсией, предназначенное для спектрального (волнового) уплотнения в диапазоне длин волн от 1,530 до 1,565 мкм. 148
К настоящему времени среди одномодовых волокон подавляющее большинство составляют стандартные волокна и начинают широко ис- пользоваться волокна с ненулевой смещенной дисперсией. В отличие от классификации многомодовых волокон, основанной на определенных размерах диаметра сердцевины и оболочки, произво- дители одномодовых волокон изготавливают волокна, различающиеся между собой профилем показателя преломления и диаметром сердце- вины внутри одной и той же группы. Диаметр сердцевины для стандартных одномодовых волокон может быть легко идентифицирован как размер области в которой показатель преломления имеет наибольшее значение. Волокна со смещенной дис- персией имеют более сложные профили показателя преломления (см.рис.5.7,г и д), для которых определение диаметра сердцевины ста- новится неоднозначным. Поэтому вместо диаметра сердцевины (или наряду с ним) для одномодовых волокон принято указывать диаметр модового поля, т.е. диаметр области в центре волокна, по которой рас- пространяется основная часть электромагнитной энергии. Диаметр модового поля (ИО у стандартных одномодовых волокон с поглощающей оболочкой (W = 8,8 мкм при А. = 1,31 мкм) меньше, чем аналогичного волокна с согласованной оболочкой (W = 9,3 мкм). Поэтому при изгибах одномодовое волокно с поглощающей оболоч- кой вносит меньшие потери, чем волокно с согласованной оболочкой, но последние имеют меньшие потери на разъемных и неразъемных соединениях. При соединении одномодовых волокон с неодинаковым диаметром модового поля происходит потеря энергии на стыке волокон, которая не зависит от направления передачи, хотя это и противоречит интуи- тивным представлениям. Это объясняется тем, что согласно физичес- ким законам, определяющим условия распространения света по одно- модовым волокнам, волокно имеющее больший диаметр модового поля имеет меньший угол приемного конуса света. Так, например, при пере- даче в направлении от меньшего диаметра модового поля в сторону большего, часть энергии теряется, так как свет из первого волокна из- лучается в больший световой конус, чем может принять световой конус второго волокна. 149
При обратном направлении передачи часть энергии вводится слиш- ком далеко от сердцевины приемного волокна и не захватывается. В настоящее время при проектировании сети связи на выбор типа одномодового волокна влияют следующие три основные фактора: максимальная длина регенерационного участка; максимальное число каналов в системе передачи (максимальная скорость передачи по одной системе); общее число каналов при передаче по одному волокну. Если не предполагается использовать скорость передачи выше 2,5 Гбит / с или не требуется длина участка регенерации более 50—100 км (в зависи- мости от типа использованного лазера), то целесообразно использовать стандартное одномодовое волокно с согласованной или поглощающей обо- лочкой, так как оно стоит на 30—300% дешевле по сравнению с волокном со смещенной нулевой или смещенной ненулевой дисперсией. 5.3. Распределение света по оптическому волокну Два подхода к объяснению процесса распространения света в опти- ческих волокнах. Исходя из двойственной природы света, процесс распрос- транения светового излучения в световодах можно изучать, используя мето- ды геометрической оптики (лучевой подход) или волновые уравнения электромагнитного поля (электромагнитный подход). Для расчета электро- магнитных процессов в световодах используют ряд математических моде- лей, отличающихся друг от друга сложностью математического аппарата и наглядностью. Лучевой подход основан на представлении источника излу- чения и светового луча соответственно в виде точки и линии. Лучевой под- ход наглядно показывает процессы распространения света по световодам, однако им можно пользоваться только при соблюдении условия малости длины волны по сравнению с радиусом сердцевины волокна. Поэтому луче- вой моделью можно пользоваться при изучении распространения света в многомодовых волокнах, где указанное условие соблюдается. В случае одномодовых волокон требуется электромагнитный подход, т.е решение волновых уравнений при заданных граничных условиях. При лучевом подходе распространение света по волокну трактуется как различные траектории лучей. При электромагнитном подходе этим лучам соответствуют различные типы волн (моды). Термин мода пред- 150
ставляет собой физическое и математическое понятие, связанное с опре- деленным типом электромагнитной волны. Мода оптического волокна, как физическое понятие характеризует тип волны оптического излуче- ния, распространяющегося по ОВ и характеризующегося определенной структурой поля в его поперечном сечении и определенной фазовой ско- ростью. С математической точки зрения мода — каждое из решений вол- новых уравнений. В зависимости от размеров и физических характерис- тик световода в нем возможно распространение нескольких мод или только одной моды. Электромагнитный подход, как более общий, дает ответы на вопросы, которые невозможно получить в рамках лучевого подхода, например, объяснение природы волноводной дисперсии. 5.3.1. Лучевой подход Основная его идея заключается в том, что в оптическом диапазоне частот с достаточно большой точностью распространение волн можно представить как движение энергии волн по лучам, описываемым с по- мощью геометрических соотношений. Анализ распространения света в лучевом приближении составляет предмет геометрической оптики. Напомним основные законы геометрической оптики: 1. При отражении от зеркальной поверхности угол падения <р(. ра- вен углу отражения фг (рис. 5.8). 2. При распространении луча от одной однородной среды с показате- лем преломления пх в другую с показателем преломления л2 на фанице раздела сред луч прелом- ляется. Углы падения ф(. и прелом- ления cpv связаны соотношением sin<p;/sin<pv = Hj/Hp (5.3) Если л2<и1> то есть в случае, когда луч выходит из оптически более плотной среды в менее плот- ную, то из соотношения (5.3) сле- дует, что ф5>фг Поэтому увеличи- вая угол падения ф(, при ф(< 90°, значение которого принято назы- вать предельным углом падения 151
Фпр, получим угол преломлениях ф?= 90° (преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред). При углах падения ф>фпр имеет место полное внут- реннее отражение, когда преломленный луч отсутствует и вся энергия со- средоточена в отраженном луче. На этом явлении и основан процесс удер- жания света внутри волоконного световода. Из (5.3) также следует, что имеется простая связь между углом фпр и показателями преломления сред в виде соотношения: Фпр = arcsin (5-4) Полное внутреннее отражение может происходить только тогда, когда луч света распространяется из оптически более плотной среды в опти- чески менее плотную и никогда не происходит в обратном случае. У реальных оптических волокон вследствие малой разности показате- лей преломления сердцевины п1 и оболочки п2 луч света проникает, а сле- довательно, и распространяется по оболочке ОВ даже при углах падения Ф>Фпр, (рис.5.9). Глубина проникновения волн в оболочку уменьшается при увеличении угла падения, при этом отраженная волна приобретает фазовый сдвиг, зависящий от угла падения. Глубина проникновения 6, т.е. расстояние, на котором плоская волна ослабевает в е = 2,71 раза при ф>фпр определяется выражением (5-5) Полное внутреннее отражение плоской вол- ны на границе раздела двух сред сопровождает- ся теми же эффектами, что и отражение от ме- таллической плоскости, смещенной на некоторое расстояние х0 от повер- хности раздела. При ус- ловии отсутствия потерь 152
энергии во второй среде поток энергии из первой среды во вторую в среднем равен нулю, поэтому энергия падающей электромагнитной вол- ны полностью возвращается в первую среду. На рисунках, иллюстрирующих процесс распространения лучей вдоль оси волокна, скачок фазы не показывается, но о нем необходимо помнить для правильной оценки физических процессов, происходящих при распространении света в оптических волокнах. Пример. Рассчитать предельный угол падения фпр и глубину про- никновения 6 плоской волны при ее распространении из среды с пока- зателем преломления п} = 1,480 в среду л2 = 1,475 при угле падения ф(. и длине волны k = 1,3 мкм. Из выражения (5.4) предельный угол падения равен Ф„ = arcsin — = arcsin = arcsin 0,9966; ф„„ = 85,2°. пр Н] 1,480 пр Из выражения (5.5) глубина проникновения поля во вторую среду равна --------. ..... = 1,98 мкм. 2л-1,48-70,998-0,993 Распространение света в ступенчатых оптических волокнах. Ис- пользуя лучевой подход, рассмотрим распространение световых волн по волокну, у которого показатель преломления сердцевины и обо- лочки и2 не изменяется по сечению (ступенчатый профиль). Лучи све- та в рассматриваемом волокне распространяются по ломаным пря- мым линиям, испытывая полное внутреннее отражение в местах падения на границу раздела сердцевина — оболочка (рис.5.10). В за- висимости от размеров источника излучения и его положения относи- тельно оси волокон могут распространяться два типа лучей: меридио- нальные, распространяющиеся в плоскостях и пересекающие ось световода; и косые, не пересекающие ось световода и распространя- ющиеся по ломаным право или левовинтовым спиральным линиям. Косые лучи быстро рассеиваются на изгибах оптического волокна, и поэтому их можно не учитывать. 153
®max Сердцевина Отражающая оболочка Световой конус захвата лучей Входная угловая и числовая апертура световода. Используя законы геометрической оптики, определим максимально возможный угол0таг (cM.pwc.5J0), при котором свет из окружающей среды с показателем преломления пс может быть захваченным, т.е. будет распространяться вдоль оси световода. Этот угол принято называть входной угловой апер- турой световода. На практике более часто используется не численное значение угла 0п|нх„ а значение синуса этого угла, называемое числовой апертурой. Это объясняется тем, что при лучевом подходе способность световода вос- принимать световую энергию от светоизлучающего диода характери- зуется числовой апертурой (NA), представляющей собой произведение показателя преломления среды пс, из которой луч падает на торец све- товода, на синус максимального угла падения лучей, который соответ- ствует модам, распространяющимся по сердцевине. Условие полного внутреннего отражения предопределяет условие падения на входной торец волоконного световода, при котором проис- ходит захват лучей сердцевиной волокна. Для меридиональных лучей (см. рис.5.10) согласно соотношению (5.3) имеем: пс- sin0 = и, - simp, учитывая, что при угле падения лучей 0=0^ угол ф=ф^, а угол ф=(л /2) - ф[1р числовая апертура равна М4 =«csin0max -njnf -п* . (5.6) 154
Если лучи падают из воздушной среды (пс= 1), то NA = ~п1 (5.7) И 0 max = arcsin 7"|2 ~П2 (5-8) С увеличением разности между показателями преломления сердце- вины и оболочки возрастает значение числовой апертуры NA, что улуч- шает эффективность ввода света от источника излучения в волокно. Однако волокна с большей числовой апертурой имеют и большую дис- персию, что является отрицательным фактором. Из всех лучей, падающих на торец волокна в пределах апертуры, вдоль оси волокна будут распространяться лишь те, которые в ре- зультате многократных отражений от границ интерферируют в фазе, т.е. не подвергаются «самогашению». При электромагнитном под- ходе этим лучам соответствуют моды, которые в поперечном сече- нии волокна образуют стоячую волну (свет замкнут в сердцевине волокна). Пример. Рассчитать входную угловую и числовую апертуру светово- да с показателем преломления сердцевины п} = 1,47 и оболочки п2 = 1,46 при падении света на торец волокна из воздушной среды. Из выражений (5.7) и (5.8) получим NA -л2 =J1,472 -1,462 -0,171; 0тях -9,85° у 1 х» 4 П14Л Распространение света по градиентному оптическому волокну. Прак- тически при распространении меридиональных лучей в градиентных во- локнах ОВ они образуют с осью z достаточно малые углы, для кото- рых можно принять tga=sina+a. Расстояние от оси z обозначено через г, остальные обозначения приведены на рис. 5.11. Запишем закон Снеллиуса Рис. 5.11 для преломления на бесконечно тонком слое Дг, в котором показа- тель преломления изменяется от л(г) до и(г + Дг). «(r)cosaj = п(г + Дг) • cos(aj + Дг). (5-9) 155
Располагая n(r + Дг) в правой части равенства (5.9) в ряд Тейлора по Аг, ограничиваясь линейным по Аг членом и пользуясь тригонометри- ческой формулой для косинуса суммы двух углов, получим: n(r)-COStt] , , . dn(r} n(r) + Ar—— dr (cosci| cos A a - sin a] sin A a). (5.10) В рассматриваемом случае можно принять, что sin Aa = Aa, cos Aa = 1. Тогда с точностью до величин первого порядка по Aa из равенства (5.10) находим: Эл (г) . . Aa —^ = л(г)—rgap (5.Н) dr Ar где члены с AaAr, являющиеся членами второго порядка малости, не учтены. Поскольку tga| tsr/tsz, в параксиальном приближении можно за- писать: Aa Ar Aa Aa A (Ar\ d2r -r-tgaj = — •— = — = — (5.12) Ar az ar az az \az I az С учетом преобразования (5.12) из формулы (5.11) находим уравне- ние распространения луча d2r 1 dn(r) (5.13) dzz n(r) dr Подставляя в уравнение (5.13) функцию, характеризующую закон изменения показателя преломления в поперечном сечении градиентно- го волокна, получим уравнение распространения луча. При параболи- ческом распределении и(г) = «,(1 — 0,5 ar2), с учетом того, что a > 0 и ar2 « 1, уравнение (5.13) примет вид d2r <5|4> Решение этого уравнения дает траекторию луча при параболичес- ком распределении r(z) = A^osfjJa -z) + A2sin(y/a -z). (5.15) Постоянные интегрирования A, и A^ определяются начальными усло- виями: высотой входа луча над осью в начале волокна и углом между лучом и осью. Таким образом, в случае градиентного волокна траекто- 156
рия лучей представляет собой сину- соидальные кривые относительно оси волокна с периодом I = 2 тс / V а (рис. 5.12). Локальная и эффективная чис- ловая апертура. Для градиентно- го волокна кроме числовой апер- туры используется также понятие локальной и эффективной число- вой апертуры. Локальная числовая апертура характеризует способность светово- да воспринимать световую энергию от СИД в зависимости от точки ввода лучей в сердцевину (расстояния г от оси волокна) и определяет- ся выражением: NA(r) = Jп2(г) - , (5.16) При вводе света вблизи границы с оболочкой локальная числовая апертура стремится к нулю, а на оси волокна она достигает максималь- ного значения, равного числовой апертуре NA, определяемого выраже- нием (5.7). Для оценки эффективности ввода излучения в градиентное оптическое волокно по всему сечению сердцевины используется поня- тие эффективной числовой апертуры, значение которой в корень из двух раз меньше числовой апертуры. Эффективность ввода световой мощ- ности от СИД в световод пропорционально квадрату числовой аперту- ры. Поэтому эффективность ввода излучения в градиентные волокна в 2 раза меньше, чем в ступенчатые, что является недостатком градиент- ных волокон, однако последние имеют значительно меньшую модовую дисперсию, что и обусловило их широкое применение в многомодовом режиме передачи. Модовая дисперсия. Расчетные соотношения для этого вида дис- персии наглядно и просто получаются при лучевом подходе. Ушире- ние импульса, передаваемого по ОВ, за счет модовой дисперсии в этом случае определяется как разность длин пути лучей, распространяю- щихся по наикратчайшей и наидлиннейшей траекториям. Лучи света, введенные в ОВ со ступенчатым профилем под углом к оси (рис. 5.13), из-за многократных внутренних отражений на границе сердцевина- оболочка проходят более длинный путь по сравнению с лучами, рас- 157
Рис. 5.13 пространяющимися вдоль оси ОВ. Наикратчайшим является путь, про- ходящий вдоль оси волокна и равный длине линии L, а наидлинней- ший — Л/со80тал..Имея в виду, что скорость распространения света в сердцевине г, = с/п и cosQтах - соз[л/2 - <рпр] = sin<pnp = п2/пх, можно рассчитать уширение тм на выходе волокна. Начало выходного им- пульса совпадает с приходом луча, имеющего наиболее короткую тра- екторию tmin = Л/V], а конец — с приходом луча, имеющего наиболее длинную траекторию ^тах ~ L/V\ COS0maJ_. Отсюда уширение импульса г -t -t .Гп^ ,с1„ч тм “‘max ‘mm "ь ’ (5.17) где (л( - л2) / «2 = Ди / л2 = Д. Как видно из выражения (5.17), уширение импульсов тем меньше, чем меньше относительная разность Д коэффициентов преломления сердцевины и оболочки ОВ. Из этой же формулы следует, что ушире- ние импульсов пропорционально длине линии. Однако последнее спра- ведливо только при отсутствии взаимодействия между модами. В реаль- ных световодах при значительных длинах линии такое предположение ведет к большим погрешностям расчета модовой дисперсии. Связь между модами в реальном ОВ, вызванная неоднородностями показателя пре- ломления, нерегулярностями геометрических размеров, напряжениями изгиба и растяжения, микротрещинами, разъемными и неразъемными соединениями отрезков ОВ, всегда имеет место и проявляется обменом энергии между модами. При лучевом подходе это эквивалентно изме- нению углов наклона лучей к оси световода при их распространении вдоль него. 158
У входного торца световода наблюдается довольно интенсивное излучение мод, и соответственно стабилизируется модовая структура в сердечнике световода. При этом лишь на некотором расстоянии от входного торца световода, называемом длиной установившейся связи между модами (Ау), наступает относительно постоянное (равновес- ное) распределение мод, не зависящее от условий ввода излучения в световод. Это расстояние может составлять от нескольких сот метров при сту- пенчатом профиле ОВ до нескольких километров при градиентном ОВ и зависит от материала и размеров сечения сердцевины ОВ, характера и числа введенных в него мод. Поэтому при длине линии, превышающей длину Лу величина модо- вой дисперсии рассчитывается по формуле тм = nrEc~l^LLy. (5.18) Модовая дисперсия импульса может быть существенно уменьшена за счет соответствующего выбора профиля показателя преломления. При параболической зависимости показателя преломления лучи, введенные в волокно под небольшим углом к оси, колеблются синусоидально от- носительно оси по мере распространения, и время распространения почти не зависит от угла вхождения луча, поскольку околоосевые лучи проходят меньший путь, но распространяются в среде с большим зна- чением и, т.е. с меньшей скоростью, а периферийные лучи проходят более длинную траекторию, но в основном в среде с меньшим п, т.е. с большей скоростью. Таким образом, среднее время прохождения раз- личных лучей через ОВ будет уравнено. 5.3.2. Волновой анализ распространения света в волокне Рассмотрим волновые процессы в идеальном оптическом волокне двухслойной конструкции (см.рис.5.14) без потерь. В цилиндрической системе координат волновые уравнения для про- дольных составляющих Ег и Нг формул (1.23) и (1.24) для сердцевины (г < а) имеют вид d2Ez dr2 1 dEz 1 +---------- + — r dr r2 ^ + gl2-Ez-0; (5.19) <9<р 159
Рис. 5.14 t~) 2/7z t 1 ЭЯг । 1 Or2 r dr г2 d2Hz дер2 + g\'Hz = °; (5.20) g\ = <”2 -Hoei -₽2 =₽? -₽2 > <5-21) что следует из выражения (1.25), поскольку в слу- чае диэлектрических материалов е = ё, ц = ц0 и в средах без потерь у2 = — р2 (Р — продольный коэффициент распространения волны в оптичес- ком волокне). Фазовая постоянная распростра- нения плоских волн р, в среде с показателем пре- ломления И] определяется в случае однородного диэлектрика соот- ношением Pi =®7т ="7йо£о = =-«i- Л с где ег| - относительная диэлектрическая проницаемость сердцевины ОВ; X — длина волны в вакууме; «I — коэффициент преломления сердцевины волокна ОВ относи- тельно вакуума или показатель преломления сердечника; с — скорость света в вакууме. Параметры £r) =Е|/е0; X~df', пх c = \/^z0]i0 .Фазовую постоянную распространения плоской волны в оптике называют вол- новым числом среды с показателем преломления и обозначают (далее будем следовать терминологии, принятой в электросвязи). Для рассмотрения процессов в оболочке (г а а) воспользуемся теми же уравнениями (5.19) и (5.20) с заменой Hag2. g22 = w2poe2 — p2 = |322 — p2, (5.22) где P2 = 2лп2/ X — фазовая постоянная распространения плоских волн в среде с диэлектрической проницаемостью, равной е2, и соответствен- ным показателем преломления п2 = J^2 . Уравнения (5.19) и (5.20) однотипны, поэтому поясним подход к их ре- шению на примере уравнения (5.19) для продольных составляющих Ez. Решения уравнений возможно с использованием метода разделения переменных. В этом случае можно представить в виде Ег(г,ф) = /?(г)Ф(ф), (5.23) где R(r) и Ф(ср) — функции, зависящие соответственно только от г или ф. 160
Подставив формулу (5.23) в (5.19) и разделив все члены уравнения на произведение R Ф (здесь и далее для краткости аргументы функций не указываются), получим г2 d2R г dR 1 d2^ - R dr2 R dr Ф dtp2 (5.24) Поскольку первые два слагаемых этого уравнения зависят только от координаты г, третье — от координаты ср, то уравнение (5.24) может выполняться для любых значений г и ср только при условии, что каждая из частей уравнения равна постоянной величине при сумме этих час- тей, равной -g2]^. Если обозначить постоянную величину для третьего слагаемого урав- нения (5.24) через -т 2, то последнее сводится к двум дифференциаль- ным уравнениям второго порядка d^ dcp2 + т2Ф = 0; d2R I dR ( 2 m2} ~JT + ~'^~ + \S^ 2 dr r dr \ r •Л = 0. (5.25) (5.26) Решение уравнения (5.25) может быть представлено в виде: Ф = Ах sin тер + cos тер. (5.27) Величина т в уравнении (5.25) не определена, однако исходя из обеспече- ния периодичности поля по ср с периодом 2л можно утверждать, что m должно быть целым числом. С физической точки зрения т — это число полных цик- лов изменения составляющих поля при изменении ср на 2л радиан. Уравнение (5.26) является одной из форм уравнения Бесселя, имею- щего два линейно независимых решения. Если т — целое число, то одно решение выражается в виде функций Бесселя первого Jm(g}r) и второго рода Nm(g{r) т-го порядка R = A2Jm(S]r) + A3Nm(gir), (5.28) другое—в виде функций Ганкеля первого (g}r) и второго (g}r) рода m-го порядка R = A4H^{gxr)+A,H^(g^. (5.29) 1 1 Зак. 81 161
Аналогичные решения имеет и уравнение для оболочки при замене аргумента (gtr) в уравнении (5.28) и (5.29) на аргумент (g2r). В соотношениях между цилиндрическими функциями, с одной сто- роны, и показательной и тригонометрической функциями с другой, имеется некоторая аналогия. Известные соотношения между последними е>х - cosx + ysinx; (5.30) e~Jx = cosx - ysinx (5.31) похожи на соотношения для цилиндрических функций H^(z)=Jm(z)+JNm(zy, (5.32) H^(z) = Jm(z)-jNm(z). (5.33) Переменная z может быть произвольной комплексной величиной. Если переменная z = х вещественна, то функции Бесселя первого Jm(x) и второго Nm(x) родов имеют, как и тригонометрические функции, ос- циллирующий характер. При z -* 0 только функция Jm(z) остается ко- нечной. Функции Ганкеля напоминают показательные функции, а имен- но функция (z) для больших значений аргумента z уменьшается экспоненциально так же, как показательная функция в>х, если z = х +jy имеет положительную мнимую часть. Если же z = х - jy, то функция Hffl (z) будет убывать подобно функции e~Jz. Отмеченные аналогии функций, выражающих волновые процессы при плоских и цилиндри- ческих волнах, сведены в табл. 5.4. Выбор вида цилиндрических функций, описывающих электромаг- нитное поле в сердцевине и оболочке, определяется физическими со- Таблица 5.4 Плоские волны Цилиндрические волны ( Бегущие { 1 [ cosx Стоячие ( 1 sin х (z) — функция Ганкеля I рода (г) — функция Ганкеля 11 рода ^т(х) — функция Бесселя I рода Nm(x) — функция Бесселя 11 рода или Неймана 162
ображениями передачи направляемых мод и предельными значениями цилиндрических функций. Полю в сердцевине соответствует выражение (5.28) при А3 = 0, в противном случае, поскольку Nm(g}r) -* оо при г -* 0 поле на оси волок- на имело бы бесконечно большое значение, что противоречит физичес- кому смыслу. Электромагнитное поле в оболочке должно стремиться к нулю в бес- конечности (г -* оо). Этому условию соответствует выражение (5.29) при А5 = 0, поскольку 00 ПРИ г “* °0’ где g2 " 7₽2 ~Р2 “ л/р2 -₽2 “ Л» (5.34) при условии, ЧТО V > 0. Поэтому решения для продольных составляющих поля Ez и //, для разных областей волокна имеют вид: для сердцевины Ez = AJm(ur)smm<(); (5.35) Н, = BJm(ur)cosmq>. (5.36) (здесь g, переобозначено через к); для оболочки Ez = CHO‘vr)sinmq); (5.37) Hz - DHm(2>(jvr)co's,mty. (5.38) Решения для Ez выбраны зависящими от угла ф, как cos/иф а для Hz — как sin/иф. Такой выбор дает возможность удовлетворить гранич- ным условиям на поверхности сердцевины при г = а для других состав- ляющих поля Е^ Ец> и Н(р. В выражениях (5.35) — (5.36) можно про- извести обратную замену sin/иф на cos/иф, что дает идентичное решение. Постоянные интегрирования А, В, С, D определяются из условия не- прерывности тангенциальных составляющих электрического и магнит- ного полей на границе сердцевина — оболочка (г = а). Эти условия при- водят к характеристическому уравнению, которое условно можно представить в виде: (w, v, Р) =7((о, И], п2, а). (5.39) Это уравнение является следствием граничных условий, которые означают, что для каждого значения т в выражениях (5.35)— (5.38) н* 163
существует только определенный дискретный набор значений и и v. Обо- значим эти наборы итп и vmn. Как и т, индекс п — целое число. Отсюда с учетом формул (5.21), (5.22) и (5.34) следует, что и постоянная рас- пространения мод р также принимает лишь дискретные значения, оп- ределяемые выражением <5-«» внутри области Р2<Р<Р]. Индекс п — это номер корня функции Jm(ur), физически означаю- щий, сколько раз напряженность электрического или магнитного поля становится равной нулю при движении вдоль радиуса г от оси волокна до г = а (исключая нулевое значение на оси). Графики функций Jw(wr) нулевого и первых трех порядков приведены на рис. 5.15. Значения кор- ней определяются аргументами, при которых значение функций равно нулю, например для Jo значения первых трех корней равны соответ- ственно 2,405; 5,52; 8,654. Каждая направляемая мода световода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля в сердцевине и коэффициентом фазы р, для определения которых необходимо найти решение характе- ристического уравнения (5.39) при заданных ю, п}, п2, а. Типы и число направляемых волн (мод). При т = 0 решение уравне- ния (5.39) получается наиболее простым. В этом случае происходит полное разделение поперечных электрических Н и магнитных Е мод, поскольку Ez или Н7 оказывается равным нулю, т.е. распространяются два типа симмет- ричных волн Н и Е . При лучевом подходе каждой из этих мод соответ- ствует меридиональный луч с определенным утлом наклона к оси волокна. Важным параметром любой моды является ее частота отсечки (/*%,„), называемая также критической ча- стотой, ниже которой поле не рас- пространяется вдоль световода. В случае симметричных мод для определения частот отсечки можно воспользоваться уравнением (5-41) которое имеет бесчисленное мно- жество решений (корней). 164
Обозначим л-й корень уравнения (5.41) через р0л(моды НОп, ЕОп) и определим для мод HQn, ЕОп критическую частоту. Из формул (5.21) и (5.34) с учетом gt = и можно получить иа = ^(п2 - л2)(2л:а/Л)2 -(va)2 = yjv2 -(va)2. (5-42) Параметр/ = (2лп/Х)^л12 - wj принято называть нормированной (харак- теристической) частотой, которая является обобщенной характеристикой режима работы световода, поскольку зависит от радиуса сердцевины во- локна ОВ, длины волны (частоты) и коэффициента преломления сердце- вины и оболочки. Как указывалось ранее, для направляемых мод должно выполняться требование v > 0; в этом случае поле в оболочке экспоненциально спа- дает. При v = 0 поле выходит из световода. Таким образом при v = 0 для каждого из корней уравнения (5.41) получается критическое значение нормированной частоты РОп = %*=Г0л,« = 1,2,3,.. (5-43) В этом случаер01 = 2,405, р02 = 5,520, р03 = 8,654 и т.д. Из (5.42) и (5.43) определяются критические длины волн XqP или критические частоты симметричных мод: , KD 2naJn^ - п2 С-------V-------(544) РОп /кр_____Фо» у°« 0 П 2 ‘ (5.45) 2na^«j। -«2 v 7 Для направляемой моды должно выполняться условие Х< XqP или />/оКГ Из соотношений видно, что чем толще сердцевина и чем больше отличаются пх и л2 тем больше значение критической длины волны и соответственно ниже критическая частота. Для несимметричных мод НЕтп и ЕНтп критические длины волн и частоты определяются выражениями (5.44) и (5.45) при замене зна- чений корнейрОп на рпт. Существует только одна мода, а именно НЕ},, частота отсечки которой равна нулю. Выбирая параметры световода 165
таким образом, чтобы следующие высшие моды £"0|, Но), Ж2) с бо- лее высокими частотами отсечки не могли распространяться, можно получить одномодовый режим распространения только для одной волны НЕ} ।. При лучевом подходе этой моде соответствует луч, на- правленный вдоль оси ОВ, так как только характеристики распрост- ранения осевого луча не зависят от условий отражения на границе сердцевина — оболочка. Условие одномодовой передачи может быть реализовано при V ~п2 <2’405- (5.46) Л, При заданной длине волны, условие (5.46) можно достигнуть, умень- шая разность показателей преломления сердцевины и отражающей обо- лочки волокон и/или радиус сердцевины а. С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны передачи число мод значи- тельно возрастает. Достоинством одномодовой передачи является широкая полоса пе- редаваемых частот (несколько гигагерц) и меньшее затухание по срав- нению с многомодовой. С увеличением числа мод полоса передавае- мых частот сужается. Однако одномодовый режим требует применения когерентных источников излучения (лазеров). Для многомодовых сис- тем передачи можно использовать простейшие источники излучения — светодиоды. Для определения числа направляемых мод (N) волокна со ступенча- тым профилем можно воспользоваться приближенной формулой 2 (5.47) V2 Число направляемых мод градиентного волокна равно У - — . При одинаковой нормированной частоте число направляемых мод градиен- тного оптического волокна в 2 раза меньше, чем у ступенчатого, что существенно улучшает его характеристики передачи. Пример. Определить число направляемых мод ступенчатого опти- ческого волокна при 2а = 50 мкм, п( = 1,47, п2 - 1,46, если длина волны источника излучения X = 1,91 мкм. 1 |2лл 1 2 1 X J 166
При переходе от воздуха к сердцевине длина волны излучения умень- шается в П| раз и составит к = 1,3 мкм. Тогда из выражений (5.7) и (5.47) получим N V2 1 —as —— 2 2 ,2 •NA . л-50 1,3 •0,171 = 213,2-214. 2 2 Поскольку число направляемых мод не может быть дробным, расчет- ное значение N округлено в большую сторону до ближайшего целого. 5.4. Параметры передачи оптических волокон 5.4.1. Затухание световых сигналов Одним из факторов, ограничивающих дальность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя пре- ломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает потери мощнос- ти сигнала на поглощение и рассеяние. Германий и фосфор увеличива- ют показатель преломления кварцевого стекла, а бор и фтор — наоборот уменьшают его. Потери на поглощение. При поглощении происходит преобразова- ние световой энергии в тепловую. Потери на поглощение состоят из собственного поглощения в ульт- рафиолетовой и инфракрасной областях спектра и поглощения свето- вых квантов ионами металлов переходной группы (железа, кобальта, хрома, никеля, меди) и ионами гидроксильных групп, представляющих собой вредные примеси в плавленном кварцевом стекле, из которого изготовляют волокна. Например, медь при концентрации одна часть на миллион основного вещества вызывает затухание в несколько сотен де- цибел на километр в диапазоне длин волн 0,8 мкм, а такая же концент- рация ионов ОН обуславливает затухание 35 дБ / км при длине волны 1,39 мкм. В зависимости от вида примеси особенно большое поглоще- ние имеет место при определенных длинах волн, что может быть ис- пользовано для определения вида и контроля количества примесей в плавленом кварце. Потери на рассеяние. Процесс рассеяния сводится к генерации вто- ричных волн молекулами или частицами под действием падающего на 167
них излучения. Если линейные размеры частицы меньше, чем пример- но 1/15 длины волны, то рассеяние называется «рэлеевским». Эффект рэлеевского рассеяния проявляется в том, что при распространении све- товых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в однородной среде от прямолинейного направления). При этом угол па- дения луча на границу сердцевина — оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения и луч выйдет из волокна. По ана- логичной причине часть лучей может начать распространяться в обрат- ном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно про- порциональна четвертой степени длины волны. Поэтому, чем большая длина волны использована при передаче световых сигналов по опти- ческому волокну, тем меньше потери в нем на рэлеевское рассеяние. Суммарные потери на рэлеевское рассеяние и собственное погло- щение в оптическом волокне определяют теоретический минимум по- терь в волокне. На рис. 5.16 приведена спектральная зависимость потерь одномодо- вого световода, легированного германием, где показаны эксперимен- тальная кривая 1 и теоретические кривые инфракрасного 2 и ультрафио- летового поглощения 3, рэлеевского рассеяния 4. Как видно из рисунка, в длинноволновой области спектра имеются два окна прозрачности — на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Поэтому эти длины волн используют в современных оптических системах дальней связи. Теоретический ми- нимум потерь для кварцевых ОВ на длине волны А = 1,55 мкм около 0,14 дБ / км. При передаче по многомодовым волокнам используется первое окно прозрачности А. = 0,85 мкм и второе — А. = 1,3 мкм. Квар- цевое стекло существенно поглощает свет на длинах волн свыше 1,6 мкм, что и обуслав- ливает рост затухания в области длинных волн. Особенность опти- ческого волокна как на- правляющей системы состоит в том, что в ней возникают дополни- тельные потери энергии передаваемого сигнала 168
из-за микроизгибов, связанных с нанесени- ем первичного покры- тия, а также макроизги- бов кабеля. Потери на изги- бах. Пояснение воз- никновения потерь на Рис. 5.17 изгибе дано на рис.5.17. На прямолинейном участке луч света, распро- страняющийся под углом фр большим, чем предельный угол фпр, мо- жет падать на изгибе на границу сердцевина — оболочка под углом Ф2<(Рпр- Угол уменьшается с уменьшением радиуса изгиба, поэтому по- тери на изгибе возрастают с уменьшением радиуса. Потери на изгибах подразделяются на два вида: потери на микроизги- бах и потери на макроизгибах. Снижение потерь на микроизгибах связано с совершенстваванием технологии производства оптического волокна. Микроизгибом волокна называется изгиб оптического волокна, ко- торый влечет за собой смещение волокна порядка нескольких микрон относительно его оси, обусловленное различием боковых давлений на волокно по его длине. Он может быть вызван механическими деформа- циями при изготовлении кабеля и его прокладке, а также изменениями геометрических размеров материалов кабеля вследствие изменений тем- пературы окружающей среды в процессе эксплуатации. Для уменьше- ния потерь, обусловленных микроизгибом, необходимо не допускать усилий, случайно прикладываемых к волокну вдоль его оси при изго- товлении кабеля, а также во время и после прокладки кабеля. Макроизгиб волокна является результирующим искривлением опти- ческого волокна после изготовления и прокладки кабеля. Макроизгиб мо- жет вызвать увеличение оптических потерь. Оптические потери увели- чиваются с уменьшением радиуса изгиба. При правильной прокладке кабеля его затухание будет несколько меньше по сравнению со значени- ем, измеренным на барабане, за счет меньших макроизгибов. В реальных ОВ из-за большого числа случайных причин, приводя- щих к резкому возрастанию потерь, основным методом определения затухания является его измерение. На заводах измеряют затухание всех ОВ на заданной длине волны и данные измерений заносят в паспорт. 169
5.4.2. Дисперсия импульсных световых сигналов Одним из основных параметров, ограничивающих скорость переда- чи по любой направляющей системе, является ее ширина полосы про- пускания. Количественно она может быть оценена с временной и час- тотной точек зрения. Оба подхода обладают равной полнотой и поэтому однозначно математически связаны. Другими словами, зная временные характеристики передаточной характеристики оптического волокна, можно рассчитать частотные характеристики и наоборот. Термин «ширина полосы пропускания» относится к частотному описа- нию передаточных характеристик оптического волокна, аналогом этого тер- мина при временном описании является дисперсия. В оптике слово «дис- персия» означает зависимость показателя преломления вещества от длины волны, а в оптических системах связи — уширение световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду. Уширение импульсов при передаче по ОВ зависит от формы передаваемого импульса, ширины спектра частот источника излучения (ЛХ) и собственно дисперсии волокна, под которой далее понимается рассеяние во времени модовых или спект- ральных составляющих оптического сигнала. Количественно ширина поло- сы пропускания обратно пропорциональна дисперсии. Если полоса пропус- кания уменьшается, то дисперсия увеличивается. Таким образом, при частотном подходе оптическое волокно подобно фильтру нижних частот. Ширина полосы пропускания оптического волокна — это частота модуля- ции света, при которой передаточная функция ОВ уменьшается в два раза по сравнению с величиной при нулевой частоте. Под передаточной функцией понимается отношение амплитуды световой мощности на входе и выходе ОВ в зависимости от частоты модуляции. В металлических кабелях симметричной и коаксиальной конструкции ограничение полосы пропускания возникает из-за зависимости затухания кабельной цепи от частоты. Для оптических волокон действует совершен- но иной механизм ограничения полосы пропускания, а именно модовая и хроматическая дисперсии. Суммарную величину волноводной и матери- альной дисперсии принято называть хроматической дисперсией. Дисперсию при передаче импульсов света через ОВ со скоростью передачи ниже 2,5 Гбит/с условно можно представить состоящей из трех составляющих: модовой дисперсии, обусловленной наличием нескольких мод, каж- дая из которых распространяется со своей скоростью; 170
волноводной дисперсии, обусловленной нелинейной зависимостью коэффициента фазы р данной моды ОВ от длины волны (частоты) оп- тического излучения; материальной дисперсии, связанной с нелинейной зависимостью показателя преломления материала ОВ от частоты, приводящей к раз- личию фазовых скоростей распространения энергии у различных спек- тральных составляющих сигнала. Доля различных составляющих в суммарной дисперсии зависит от типа волокна: в ступенчатых ОВ при многомодовой передаче преобла- дает модовая дисперсия; в градиентных многомодовых ОВ необходимо учитывать модовую дисперсию и материальную дисперсию; в одномо- довых волокнах — материальную и волноводную дисперсию. Суммарное уширение импульсов (т) при распространении света по волокну равно * = л/Тм+(Тв+Тмат)2> <5'48) где тм, тв и хмат — уширение соответственно вследствие модовой, вол- новодной и материальной дисперсии. Дисперсия имеет размерность времени и определяется по формуле Т “лАвых“'вх’ где ?вх и ?вых — длительность импульсов соответственно на входе и вы- ходе оптического волокна на уровне 0,5. Волноводная дисперсия. Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена направляющими свойствами световодной структуры, при- водящей к нелинейной зависимости постоянной распространения дан- ной моды ОВ от длины волны источника оптического излучения. В многомодовом волокне почти вся световая энергия сконцентрирована в относительно большой сердцевине, в одномодовых волокнах значи- тельная доля света распространяется в оболочке. Поэтому единствен- ная направляемая мода может рассматриваться как распространяю- щаяся со скоростью, определяемой эффективным показателем преломления, большим чем показатель преломления оболочки, но меньшим показателя преломления сердцевины. Чем больше длина волны, тем большая часть света фундаментальной моды (при прочих равных условиях) распространяется по отражающей оболочке ОВ, и 171
вследствие этого она распро- страняется в целом быстрее. В пределах ширины спектра ДХ излучения источника фазовая скорость распространения на- правляемых мод неодинакова, что приводит к различной временной задержке частот- ных составляющих этих мод. Уширение импульса, обуслов- ленное волноводной дисперси- ей определяется выражением тв = ДХЛЯ(Х), где В(к) — удель- ная волноводная дисперсия, имеющая размерность пс/км-нм. Зависимость B(k) от длины волны для одномодового волокна со сме- щенной дисперсией приведена на рис. 5.18. кривая 1 (кривая 4 соответствует В(Х) стандартного волокна). На этом же рисунке кривая 2 соответствует материальной дисперсии, а кривая 3 — результирующей (хроматической) дисперсии оптического волокна со смещенной дисперсией. Материальная дисперсия. Ее можно рассматривать как аналог рас- ширения импульса при передаче его через большой блок стекла. По- казатель преломления кварцевого стекла изменяется в зависимости от длины волны (подобно тому, как стеклянная призма разлагает сол- нечный свет в цвета радуги), и в результате этого различные длины волн распространяются с разными скоростями. Материальная диспер- сия является основным механизмом, влияющим на хроматическую дис- персию в одномодовых и градиентных многомодовых волокнах. В случае дисперсионной среды необходимо различать так называе- мые фазовую и групповую скорости света в среде. Фазовая скорость Гф дает соотношение между длиной волны и пери- одом колебаний Т Х=гфТ, (5.49) а групповая скорость vr — между групповым временем задержки света zy и расстоянием L в однородной среде: /г = L/vv. (5.50) 172
Из теории связи известно, что v0 = w/p; (5.51) Vr=^. (5.52) ар Аналогично ранее использованному фазовому показателю преломле- ния п = сА>ф, вводится понятие группового показателя преломления (N): N = c/vr. (5.53) Выражая величину Учерез и и к, из формулы (5.52) и (5.53), получим: „ с/В с?(®и) dn 2лс dn N = с—1- = ——- = п + а— = п +-------(Ч Sd'i da da da Далее с учетом dn dn/dX 2лс da — =--------; ; — da da/dX A rfX выражение (5.54) можно переписать в виде: \ dn N-n-X-~ (5.55) X da 2л,с ~Л2~ Тогда групповое время задержки светового импульса при прохожде- нии через волокно длиной L составит /г =L/vr = NL /с-(£/с)^л-Х^ (5.56) Согласно (5.56) групповое время задержки зависит от длины волны X. Источник излучения имеет ширину спектра АХ относительно X, по- этому отдельные составляющие светового излучения в пределах АХ рас- пространяются с различными скоростями и имеют различные задерж- ки по времени. Уширение импульса вследствие материальной дисперсии Тмат можно рассчитать по формуле хмат= XXLMX, (5.57) — принято называть удельной материальной диспер- Так как групповой показатель преломления для кварцевого стекла имеет минимальное значение на длине волны Х~1,3 мкм, то ее произ- лхпл- d2n где Л/(Л.)-------г- ___~ с dX 173
a б Рис. 5 19 водная на этой длине волны равна 0 и удельная материальная диспер- сия на этой длине волны также равна нулю. Удельная материальная дисперсия выражается в пикосекундах на километр длины оптического волокна и нанометр ширины спектра ис- точника излучения, а ее численные значения для различных длин волн приведены на рис. 5.18 (кривая 2). Поляризационная модовая дисперсия. В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фун- даментальные моды — две перпендикулярные поляризации исход- ного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неодно- родности по геометрии, две моды распространяются с одинаковой скоростью, рис. 5.19,а. Причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии тп является некоторое двойное лучепреломление, что означает различие значений показателя преломления для двух ортогональных мод и нео- динаковую скорость их распространения (рис.5.19,6). Из-за относительно небольшой величины тп может учитываться только в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкопо- лосного сигнала (скорость передачи 2,5 Гбит/с и выше). В этом случае поляризационная модовая дисперсия становится сравнимой с хромати- ческой дисперсией. Поляризационная модовая дисперсия может приво- дить к временным колебаниям амплитуды аналогового видеосигнала. В результате ухудшается качество телевизионного изображения или при передаче цифрового сигнала возрастает коэффициент ошибок. При производстве оптического волокна ведущие производители нор- мируют коэффициент поляризационной модовой дисперсии Т. Он име- ет размерность (nd 4юл)\ тп растет с увеличением расстояния L по закону т = Т -1L . Для учета вклада тп в результирующую дисперсию следует добавить слагаемое т„ в правую часть выражения (5.48). 174
(5.58) (5.59) (5.60) (5.61) 5.5. Характеристики оптических волокон, определяющие их качество и долговечность 5.5.1. Геометрические характеристики Для увеличения длины регенерационного участка одним из необхо- димых условий является уменьшение величины затухания смонтиро- ванной волоконно-оптической линии. Так как коэффициент затухания выпускаемых в настоящее время одномодовых волокон близок к теоре- тическому минимуму, то основное внимание производители волокна уделяют уменьшению отклонений геометрических характеристик во- локна от их номинальных значений: диаметра и некруглости сердцеви- ны и отражающей оболочки, эксцентриситет сердцевины и оболочки. Указанные геометрические характеристики оптического волокна (в соответствии с обозначениями на рис. 5.20) могут быть определены сле- дующим образом _ ^max + ^min 2 D +D D ш max шт . 2 е=^тах.1^тт.100%. ^0 Е = —'maximin..!00%. с = --100%, d где: d, D — диаметр соответственно сердцевины и отражающей обо- лочки; <70, Dq — диаметр соответственно сердцевины и отражающей обо- лочки при отсутствии некруглости; е, Е — некруглость соответственно сердцевины и отражающей обо- лочки; с — эксцентриситет; х — неконцентричность сердцевины и оболочки. 175
Рис. 5.20 Ужесточение допусков на гео- метрические характеристики по- зволяет значительно уменьшить затухание на стыке волокон при их соединении сваркой или с применением механических со- единителей. В табл. 5.5 приведены требо- вания к допускам на геометрические характеристики одномодовых во- локон ведущих производителей оптического волокна. Таблица 5.5 Характеристика Допуски н отклонение от номинального значения Диаметр отражающей оболочки ± 1,0 мкм Некруглость отражающей оболочки Меньше 1 % Неконцентричность сердцевины и отражающей оболочки Меньше 0,5 мкм Из данных табл. 5.5 видно, что ведущие производители оптическо- го волокна применяют в два раза более жесткие допуски на геометри- ческие характеристики по сравнению с рекомендациями сектора стан- дартизации Международного союза электросвязи. Цена оптического волокна на мировом рынке при определенном профиле сердцевины зависит от двух основных факторов: величины допусков на геометрические характеристики оптических волокон и ста- бильности геометрических размеров по длине волокна, а также от чис- ла непрерывно контролируемых характеристик оптического волокна в процессе производства. 5.5.2. Механическая прочность и срок службы оптических волокон Теоретическая и реальная прочность оптического волокна на разрыв. Для кварцевых оптических волокон принято рассматривать теоретичес- кую и реальную прочность на разрыв.Теоретическая прочность состав- 176
ляет около 20 ГПа. Однако реальная прочность кварцевых волокон в не- сколько раз меньше теоретической, для лучших образцов кварцевых во- локон она не превышает 5 ГПа. Прочность реально изготовленного во- локна снижается из-за наличия поверхностных объемных дефектов в заготовках и готовом волокне, а также из-за воздействия внутренних на- пряжений, возникающих в волокне в процессе вытяжки из заготовок. Нео- днородности материалов в стекле или дефекты поверхности стекла соз- дают механически ослабленные места вдоль оптического волокна. О механической прочности оптического волокна можно говорить лишь с определенной степенью вероятности, поскольку местоположения нере- гулярностей и их величины имеют случайный характер. При воздействии на волокно растягивающих усилий наибольшие напряжения возникают вокруг концов трещин. Природная хрупкость стекла увеличивает напряжение на конце трещины и способствует раз- рушению волокна, в противоположность металлам, тягучесть которых позволяет расплываться и выравнивать местные перенапряжения. Ка- чественно этот процесс аналогичен разрыву листа бумаги. Бумагу трудно разорвать путем растягивания, но если она имеет небольшие разрезы (трещины), то легко рвется. Также происходит и с волокнами и они раз- рушаются в месте наибольшей трещины. Поверхностные трещины возникают от множества причин, неко- торые из которых присущи собственно стеклу, а другие связаны с про- цессами изготовления заготовки волокна; вытягивания волокна из за- готовки; нанесения первичного покрытия. Глубина и число трещин на единицу длины оптического волокна произвольно распределены вдоль длины волокна. Волокно разрушается в месте нахождения са- мой глубокой трещины (слабейшее звено в цепи), и так как в длинных волокнах наличие такой глубокой трещины более вероятно, чем в ко- ротких волокнах, то прочность волокна зависит от его длины. Корот- кие соединительные волокна длиной несколько десятков сантиметров содержат большие трещины с меньшей вероятностью и поэтому име- ют большие напряжения разрушения, находящиеся в диапазоне от 4,5 до 5,9 ГПа. В противоположность этому волокно длиной несколько километров, используемое для приготовления кабелей связи может со- держать одну большую трещину, которая сильно уменьшает прочность. Единственная возможность быть уверенным, что длинное волокно не 12 Зак, 81 177
содержит трещины большей по величине, чем допустимая, — это ис- пытать на прочность полностью всю длину, чтобы знать нижнюю гра- ницу прочности. Испытание оптического волокна на прочность и расчет вероят- ности разрушения волокна. Проверка волокна на прочность и его от- браковка осуществляется путем перемотки волокна через систему ро- ликов с заданной величиной натяжения, которая устанавливается исходя из расчетного срока службы кабеля. Международный союз электросвязи рекомендует испытывать опти- ческие волокна на механическую прочность в процессе его изготовле- ния при следующих условиях: напряжение растяжением не менее 0,35 ГПа (что приблизительно соответствует деформации ~ 0,5 %); номинальная длительность испытания составляет 1 с. В пределах определенного диапазона нагрузки напряжение растя- жения и относительное удлинение волокна связаны между собой моду- лем Юнга. Поэтому некоторые фирмы условия испытания волокна на прочность указывают не в единицах напряжения растяжения, а в про- центах относительного удлинения. В этом случае желательно знать точ- ное значение модуля Юнга для данного волокна, в противном случае, можно говорить об ориентировочном значении напряжения, так как значение модуля Юнга для различных волокон изменяется в пределах от 70 до 90 ГПа. Ведущие производители оптического волокна испытывают его на- пряжением растяжения 0,7 ГПа для наземных кабелей и 1,4 ГПа для подводных кабелей при длительности испытаний равной 1 с. Для расчета вероятности разрушения оптических волокон, выдер- жавших испытания на прочность в процессе изготовления, должна ис- пользоваться методика, учитывающая множество дефектов, которыми могут обладать волокна. Множество случайных трещин различной глу- бины распределенных по всей длине волокна обуславливают необхо- димость применения статистических методов расчета. В настоящее время расчеты напряжений при разрыве оптических волокон выполняются с использованием экспериментально полученных параметров распределения Вейбулла, которое позволяет рассчитать прочность системы, зависящей от слабейшего звена этой системы. 178
Распределение Вейбулла для ис- пытуемой партии оптических воло- кон получают экспериментально, измеряя напряжение (относительное удлинение) при разрыве большого числа отрезков волокна длиной от 10 до 20 м. По данным измерений стро- ят интегральную кривую вероятнос- ти разрыва волокон от величины на- пряжения при разрыве. На рис.5.21 приведена типичная зависимость ве- роятности разрыва (Р) волокна от величины напряжения при разрыве (а). Излом кривой при напряжении разрыва (о = о р указывает на наличие в данной испытуемой партии волокон двух видов дефектов, распределенных по длине волокна с раз- ной плотностью. При напряжениях меньших величины о2 волокно не разрушается. Минимальное напряжение, при котором происходит раз- рыв, равно а = О|. среднее напряжение разрыва при котором происходит разрушение половины волокон (Р = 0,5), равно а = а3, разрушение всех волокон (Р = 1) происходит при максимальном напряжении разрыва рав- ным а = о4. Чем больше численное значение напряжений при разрыве Пр о3, о4, тем большей механической прочностью обладает волокно. Вероятность разрыва оптического волокна произвольной длины L в зависимости от величины приложенного и испытательного напряжения без учега коррозии может быть рассчитано по формуле P(L,o) -1 - exp /и О \ °0 / (5.63) где: P{L,o) - вероятность разрыва волокна длиной L при напряжении; Ао- длина отрезка оптического волокна при испытаниях на разрыв; erQ — испытательное значение напряжения растяжения волокна при его изго- товлении; т — числовой параметр распределения Вейбулла, рассчи- танный по результатам испытаний отрезков волокна на разрыв. Срок службы оптического волокна. Если волокно выдержало испы- тание на прочность при определенном значении напряжения, то это не оз-
начает, что оно может противостоять ему повторно или выдерживать мень- шие значения неограниченно долго. Воздействие на волокно постоянно приложенной растягивающей силы более низкого значения, чем при ис- пытаниях на прочность в процессе его изготовления, также приводит че- рез определенный промежуток времени к разрушению волокна вследствие процесса статической коррозии. Под статической коррозией понимается процесс уменьшения прочности волокна (увеличение размеров трещин) во времени при воздействии на волокно напряжений, влаги, высокой тем- пературы, щелочи или аммиака. Способность волокон противостоять воз- действию оптической коррозии оценивается коэффициентом устойчивос- ти оптических волокон к статической коррозии, его численное значение определяется путем измерений, и чем оно больше, тем лучше. Конкретное значение определяется главным образом материалом волокна и его пер- вичного покрытия, приложенных усилий, влажности и температуры. При увеличении температуры и влажности коэффициент устойчивости умень- шается. Это объясняется тем, что коррозия возникает, когда под действием воды разрушаются молекулярные связи кремния и кислорода, повышение же температуры и влажности ускоряет реакцию разрыва связей. Производители оптических волокон указывают численное значение коэффициента устойчивости оптических волокон к статической корро- зии (л) в спецификациях на волокно. Для обычных волокон значение коэффициента равно ла20, а для волокон, имеющих тонкий слой тита- на в отражающей оболочке для повышения механической прочности и надежности, пь25. Статическая коррозия ограничивает допустимое итоговое остаточ- ное напряжение, которое может выдержать волокно в течение срока службы, или другими словами, определяет срок службы волокна, при его известном остаточном напряжении внутри кабеля. Статическая кор- розия также накладывает ограничение на минимальный радиус изгиба волокна в муфте. Так как после прохождения испытаний волокна на прочность гаранти- рован определенный наибольший размер трещины, то по нему может быть рассчитан минимальный срок службы оптического волокна. Для выполне- ния расчетов должны быть известны следующие исходные данные: напряжение растяжения (относительное удлинение) при заводских испытаниях волокна на прочность; 180
напряжение растяжения, приложенное к волокну в процессе срока службы; коэффициент устойчивости оптических волокон к статической кор- розии. Результаты расчетов, приведенные в книге [7] показывают, что срок службы оптического волокна составит 20 лет при величине остаточно- го напряжения соответственно не более 0,12 ГПа, испытательном на- пряжении о = 0,35 ГПа и величине коэффициента устойчивости опти- ческих волокон к статической коррозии п - 20. Чем при большей величине напряжения растяжением (относитель- ного удлинения) выполнено испытание волокна на прочность в про- цессе его изготовления, тем больше срок службы оптического волокна в кабеле при прочих равных условиях. Чем большая итоговая сила растяжения приложена к волокну в про- цессе эксплуатации кабеля, тем меньше срок службы кабеля. Итоговое напряжение растяжения зависит от остаточной деформации волокна. Причиной остаточной деформации волокна может быть растяжение, скручивание и изгибание, которые возникают при изготовлении, про- кладке и эксплуатации кабеля. Величина остаточной деформации зави- сит от конструкции оптического кабеля и усилий, приложенных к опти- ческому кабелю в процессе его прокладки. Наименьшие итоговые остаточные напряжения растяжения в зависимости от способа прокладки оптического кабеля имеют место при прокладке кабеля в трубопрово- дах методом вдувания, а наибольшие напряжения растяжения в про- цессе эксплуатации может испытывать самонесущий подвесной кабель при воздействии гололедной и ветровой нагрузки, а также, в случае ос- лабления по той или иной причине упрочняющих элементов при про- кладке или эксплуатации. Срок службы волокна значительно сокращается при его динами- ческой деформации. Она может возникать при ударах и толчках опти- ческого кабеля во время прокладки, а также в процессе эксплуатации самонесущих кабелей. Динамическая деформация возникает при са- мопроизвольной вибрации самонесущего кабеля, а также при удар- ной нагрузке на кабель при воздушных вводах кабеля за счет падения гололеда с выше расположенных проводов и падения глыб льда с крыш. Динамическая деформация, наряду со статической деформацией вы- 181
зывает ускоренный рост трещин, поэтому в процессе прокладки, мон- тажа и эксплуатации оптического кабеля его нельзя подвергать воз- действию ударных нагрузок. 5.6. Оптические кабели связи 5.6.1. Классификация и конструкция оптических кабелей Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла, заключенных в общую защит- ную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (уп- рочняющие) и демпфирующие элементы. В зависимости от назначения, условий прокладки и эксплуатации разработаны и производятся опти- ческие кабели (в дальнейшем — ОК) разных типов и конструкций. ОК должны удовлетворять ряду требований, предъявляемых к традиционным металлическим кабелям связи: возможность прокладки в условиях, в которых прокладываются элек- трические кабели; максимальное использование такой же кабелепрокладочной техни- ки и оборудования; возможность сращивания и монтажа в полевых условиях с дос- таточной легкостью и в течение короткого времени; устойчивость к внешним воздействиям в соответствии с условиями эксплуатации на сетях связи; надежность эксплуатации с заданными показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности. Необходимо отметить, что по таким показателям, как устойчивость к внешним воздействиям и надежность эксплуатации, ОК не только не уступают, но и значительно превосходят металлические. Конструкция ОК выполняет следующие основные функции: защита волокна от повреждений и разрушений в процессе произ- водства, прокладки и эксплуатации кабеля; обеспечение постоянства характеристик оптического волокна в про- цессе срока службы кабеля; сохранение прочностных характеристик кабеля; возможность идентификации волокон в кабеле для предотвращения разбитости волокон при соединении строительных длин оптического кабеля. 182
ОК для защиты волокон от повреждений и дополнительных потерь из-за микроизгибов в процессе прокладки и эксплуатации конструиру- ются с упрочняющими (силовыми) элементами, чтобы выдержать нагруз- ки тяжения и нагрузки от температурных расширений и укорочений. Существующие ОК по своему назначению могут быть клас- сифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяются подводные, объектовые и монтажные ОК. Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обла- дать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-про- пускной способностью. Используется одномодовое волокно с размера- ми сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3... 1,55 мкм. Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи с даль- ностью связи до 250 км. Используются одномодовые и градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм. Городские ОК применяются в качестве соединительных между го- родскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до 10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные (50/125 мкм) и одномодовые (по заказу). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов. Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механичес- кой прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков. Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные сис- темы подвижных объектов (самолет, корабль и др.). Используются мно- гомодовые волокна. Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монта- жа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент. В отличие от электрических, оптические кабели — магистральные и городские -— по своим конструктивным и оптическим параметрам мало различаются. Более показательным критерием являются условия прокладки, согласно которым все ОК подразделяются на две большие 183
категории: для наружной и для внутренней прокладки. Есть кабели, пригодные для прокладки как вне, так и внутри зданий. В свою очередь, кабели наружной прокладки подразделяются на две группы: кабели подземные и подводные, подвесные. Кабели подземные и подводные могут прокладываться в пластмас- совых трубах, в кабельной канализации и других линейных сооруже- ниях — на мостах и эстакадах, в отдельных трубах и блоках, коллекто- рах, тоннелях, станционных шахтах, непосредственно в грунте — ножевым кабелеукладчиком в заранее отрытую траншею, под водой — на речных переходах, через другие водные преграды. Кабели подвесные подвешиваются на опорах линий связи, ЛЭП, кон- тактной сети электрифицированных железных дорог и городского транс- порта. Они подразделяются на самонесущие, навивные, прикреплен- ные и в грозозащитном тросе. Основной частью конструкции сердечника ОК является модуль — самостоятельный конструктивный элемент кабеля, содержащий одно 184
или несколько ОВ с за- щитными покрытиями, расположенными в за- щитной полимерной труб- ке с гидрофобным запол- нителем или без него. Модули бывают трубча- тые (рис. 5.22,а), где 1 — ОВ, 2 — гидрофобное за- Рис. 5.23 полнение, 3 — защитная оболочка, профильные, когда единицы и груп- пы ОВ размещаются в спиралеобразных пазах профилированного эле- мента (рис. 5.22,6), где 1 — ОВ, 2 — защитная оболочка, 3 — демпфи- рующая оболочка, 4 — упрочающий стержень, 5 — профилированный элемент, а также ленточные — группы из 4... 12 волокон расположены в один ряд между двумя склеенными синтетическими лентами, из кото- рых формируется вертикальный блок в зависимости от требуемого числа ОВ в кабеле; единичный блок заключается в полимерную трубку, несколь- ко блоков размещаются в пазах профилированного элемента (рис. 5.22,в), где 1 — ОВ, 2 — защитная оболочка, 3 — профилирующий элемент, 4 — демпфирующая оболочка. В соответствии с образующими их мо- дулями кабели называются трубчато-модульными, профильно-модуль- ными и ленточно-модульными. Во всех случаях кабель может содержать один модуль, расположенный, как правило, в центре (рис. 5.23,а) — одномодульная конструкция или несколько скрученных модулей, рас- положенных вокруг центрального силового элемента, —многомодуль- ная конструкция (рис. 5.23,6), где 1 — ОВ, 2 — защитная оболочка, 3— демпфирующая оболочка, 4 — упрочающиеся элементы. Иногда оди- нарный трубчатый модуль расположен не в центре, а в повиве, при этом конструкция сердечника соответствует многомодульной. К этому перечню следует добавить также одноволоконные кабели, в том числе для внутристоечных соединений, кабели для подводной про- кладки и кабели для подвески на высоковольтных линиях электропере- дачи или вдоль линий контактной сети на железных дорогах. При выборе типа оптического кабеля, его конструктивных и переда- точных характеристик для конкретного объекта строительства необхо- димо учитывать: способ прокладки оптического кабеля; 185
стоимость и сроки выполнения строительно—монтажных работ а так- же затраты на эксплуатацию; технологии выполнения аварийно-восстановительных работ; топологию линейного тракта; вариант обслуживания сети связи; цену минуты простоя линейного тракта и/или отдельных сегментов сети связи; требуемое значение коэффициента готовности линейного тракта; величины передаваемого и ожидаемого трафика. Оптические кабели, используемые для построения железнодорожных волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП), должны соответствовать техническим требованиям к оптическим кабелям связи, предназначенным для применения на Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации. Оптические кабели для применения на Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации в соответствии с условиями их подземной про- кладки и эксплуатации, а также согласно данным технических условий на их изготовление условно подразделяются на четыре типа: Тип 1: с допустимым растягивающим усилием не менее 80 кН для прокладки через водные преграды (судоходные реки, водохранилища), болота (глубиной более 2 м) и в районах вечной мерзлоты; Тип 2: с допустимым растягивающим усилием не менее 20 кН для прокладки в скальных и тяжелых грунтах при наличии опасности ме- ханического повреждения; Тип 3: с допустимым растягивающим усилием не менее 7 кН для прокладки в гравийно-песчаном грунте, наносных песках и тяжелых глинистых грунтах; Тип 4: с допустимым растягивающим усилием не менее 2,7 кН для прокладки в кабельной канализации и защитных пластмассовых трубо- проводах. Согласно техническим требованиям кабели, предназначенные для непосредственной прокладки в грунтах, должны быть бронированны- ми, грозостойкими (выдерживающими импульсный ток 105 кА). Оптический кабель состоит из следующих основных элементов: сер- дечник кабеля; упрочняющие элементы; оболочка кабеля. Кабели на- ружной прокладки могут иметь два дополнительных элемента: броне- вые покровы; наружный защитный покров (защитную оболочку). 186
Затухание ОК зависит от внутренних и внешних механических уси- лий. Любые виды механических воздействий, приводящие к изгибам оптических волокон, вызывают увеличение затухания кабеля. Для со- хранения параметров передачи в процессе эксплуатации необходимо защитить оптические волокна в кабеле от внешних воздействий. Оптические волокна имеют более высокий модуль упругости по сравне- нию с большинством материалов, используемых в конструкциях ОК. Поэто- му в случае приложения продольных сил к кабелю (например, в процессе прокладки) самое большое напряжение развивается в оптических волокнах. Чтобы этого избежать, в конструкцию кабеля вводят упрочняющие (сило- вые) элементы, которые имеют более высокий модуль упругости, чем у оп- тических волокон, что позволяет противостоять усилиям на растяжение. Возможны два варианта конструктивных решений по укладке оптичес- ких волокон в кабеле — свободная, при которой волокна не скреплены друг с другом и с оболочкой, т.е. лежат в ней свободно (кабели наружной прокладки), и связанная укладка (кабели внутренней прокладки). Эти два варианта укладки волокон совместно с возможными вариантами размеще- ния упрочняющих элементов (в центре, во внешних защитных слоях или их комбинации) дают многообразие конструкций оптических кабелей. С точки зрения удобства монтажа кабеля предпочтительной является струк- тура кабеля с центральным расположением упрочняющего элемента. Некоторые конструкции кабелей ОК, кроме оптических волокон, содержат медные проводники для дистанционного питания регенера- торов и служебной связи, которые располагаю! в пазах профильного сердечника или во внешнем повиве. Существуют комбинированные ОК с медными парами и четверками для цепей связи. Вне зависимости от условий применения кабеля: кабельная канали- зация, прокладка в грунте, подвеска на опорах, прокладка под водой, размещение в грозозащитном тросе, — важнейшим элементом в конст- рукции кабеля, определяющим его технические и экономические ха- рактеристики, являются сердечник оптического кабеля. Скрутка оптических модулей в сердечник, вокруг несущего элемен- та кабельного сердечника, может быть выполнена одним из следующих способов: спиральная скрутка; SZ- скрутка. 187
1 /2 При спиральной скрутке модули (волокна) свиваются в одном направ- лении и одинаковым углом по отноше- нию к продольной оси кабеля. Этот вид скрутки оптических модулей, такой же как групп в кабелях симметрич- ной конструкции. При SZ— скрутке рис. 5.24 одно направление скрутки (/), например по часовой стрелке, через определенное число витков меняется на про- тивоположное направление (2). В точке смены направления скрутки во- локна параллельны оси кабеля. При спиральной скрутке волокна имеют тем больше превышение их длины по сравнению с длиной оси, чем меньше шаг скрутки. Уменьшение шага скрутки позволяет прикладывать к кабелю при прочих равных усло- виях большие усилия на растяжение и сжатие. Однако минимальная длина шага скрутки ограничивается минимальным допустимым радиусом кри- визны волокна с точки зрения механических характеристик и увеличения затухания волоконного световода вследствие изгибов. Величина радиуса кривизны при спиральной скрутке не изменяется вдоль оси кабеля. При SZ— скрутке величина радиуса кривизны изменяется вдоль оси кабеля. Она достигает максимума в точках смены направления скрут- ки. В целом эта скрутка обеспечивает более высокую стабильность па- раметров передачи и обладает более высокой стойкостью к растягива- ющим усилиям, а также эксплуатационные удобства благодаря более быстрому доступу к оптическим волокнам в середине строительных длин при проведении аварийно-восстановительных работ. В последние годы широкое распространение получил кабель с сердеч- ником в виде одной центральной трубки со свободно лежащими в ней скру- ченными волокнами. Существенным отличием этой трубки от трубок оп- тических модулей является то, что она выполняет также роль упрочняющего элемента. Эта трубка может иметь обычную гладкостенную или спирале- видную конструкцию. Оптические волокна внутри трубок скручены по- добно волокнам в трубках оптических модулей. Но так как диаметр цент- ральной трубки больше диаметра оптического модуля, то оптические волокна в центральной трубке могут иметь меньший шаг скрутки, что обес- печивает большую длину волокна. Трубка может вмещать более 100 опти- ческих волокон, и этом случае для облегчения идентификации волокон они 188
объединяются в пучки, которые обвязаны цветной пряжей. Трубка со спи- ралевидным модулем имеет более хорошие механические характеристики в поперечном направлении, обладая лучшей устойчивостью к раздавлива- нию, по сравнению с устойчивостью модульной структуры сердечника, профильного сердечника и гладкостенной трубки. Для того чтобы предот- вратить распространение влаги по длине кабеля, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом (гелем). Если продольная водонепроницаемость не требуется, как, например, для кабелей внутренней прокладки, то необходимости в заполнении сердечника компаундом нет. Для предотвращения нежелательного воздействия компаунда на си- ловые элементы и/или оболочку кабеля сердечник кабеля изолируется от последующих внешних элементов несколькими слоями тонкой плас- тмассовой пленки. Упрочняющие элементы в ОК могут располагаться в сердечнике, оболочке или одновременно в обеих частях. Упрочняю- щие элементы независимо от места расположения наиболее часто изго- тавливаются из стали, арамидной пряжи (кевлара), стеклопластиковых стержней и синтетических высокопрочных нитей. Площадь попереч- ного сечения этих материалов должна быть достаточна, чтобы макси- мальное удлинение кабеля для установленной нагрузки вызывало рас- тяжения волокон не более, чем две трети от удлинения волокон, которое они получили при их испытании на прочность в процессе изготовле- ния. Выбор материалов для упрочняющих элементов зависит от допус- тимого радиуса изгиба кабеля, допустимых механических нагрузок, диапазона температур, в котором должен эксплуатироваться кабель. Оболочка ОК связи выполняет те же функции, что и оболочка элек- трических кабелей, т.е. она должна защищать сердечник кабеля от ме- ханических, тепловых и химических воздействий, а также от влаги. Использование металлических оболочек для ОК нежелательно так как кабели в этом случае подвержены повреждениям грозовыми разряда- ми; необходимо сооружать и обслуживать заземление металлических оболочек. Кроме того, в случае свинцовых или гофрированных оболо- чек имеется опасность остаточной продольной деформации кабеля после его прокладки. Наибольшее применение среди пластмассовых оболо- чек получили полиэтиленовые и поливинилхлоридные. Для защиты кабеля от повреждений грызунами используют слоис- тую оболочку, армированную гофрированной стальной лентой и для 189
Рис. 5.25 водонепроницаемости ламинированную алюминием. Алюминиевая лента толщиной 0,2 мм с обеих сторон покрывается слоем связующего пластмассового вещества. Подвесные кабели имеют специальную обработку наружной поверх- ности оболочки для борьбы с гололедообразованием, поэтому подвес- ные кабели требуют особой осторожности в обращении с целью пре- дотвращения трения оболочки кабеля с различными поверхностями (земля, опоры, деревья) при его прокладке. На рис. 5.25 представлены эскизы поперечных сечений оптических кабелей разных типов, где I — ОВ, 2 — плоские ленты, 3 — защитная оболочка, 4 — упрочающий элемент. ОК на рис. 5.25,а выполнен в виде повивов из оптических модулей, закрученных вокруг центрального упрочняющего элемента. Такая кон- струкция эффективна при числе оптических модулей не более 20. Ти- повой повивной ОК имеет внешний диаметр 12 мм и от 6 до 8 оптичес- ких модулей. Оптический модуль представляет собой полимерную трубку со свободно уложенным в ней волокном. Оптический кабель на рис. 5.25,6 состоит из пучков оптических моду- лей, повитых вокруг центрального упрочняющего сердечника. Пучок представляет собой полимерную трубку, внутри которой имеются про- фильные сердечники с продольными пазами. В эти пазы свободно уло- жены оптические волокна. В отличие от ОК повивной скрутки, повивы в оптическом модуле кабеля типа «б» имеют одинаковые направление и шаг. Кабель этого типа содержит 25...50 модулей, в типовой конструк- ции — 40. Внешний диаметр кабеля равен 15...25 мм (рис. 5.25, б). Оптический кабель на рис. 5.25,в состоит из сердечника, представля- ющего собой несущий пластиковый элемент с винтообразными парами, в которые свободно, без натяжения, уложены световоды с первичной защит- 190
ной оболочкой или оптические модули, диаметр которых меньше ширины паза. Сердечник с оптическими волокнами или модулями обматывается изоляционной лентой и покрывается оболочкой. В некоторых конструкци- ях ОК упрочняющий сердечник имеет круглое сечение, вокруг которого по спирали навиты прокладки с чередующимися между ними свободно лежащими оптическими модулями. В кабелях типа «в» содержится обыч- но 8...10 световодов. Их внешний диаметр до 20 мм (рис. 5.25, в). Сердечник кабелей на рис. 5.25,г собран из отдельных плоских лент с параллельно уложенными на расстоянии друг от друга в несколько десятых долей миллиметра световодами. Скрученные ленты образуют сердечник кабеля. Упрочняющие элементы в таком ОК расположены в оболочке. Благодаря плотной укладке кабель такой конструкции можно изготовить с весьма небольшим диаметром. Так, кабель из 144 опти- ческих волокон имеет внешний диаметр 12 мм. Малые размеры сер- дечника позволяют осуществлять компоновку модуля в сочетании с дру- гими кабельными элементами. Каждый из рассмотренных типов ОК имеет свои преимущества и недостатки. Их применение в каждом конкретном случае диктуется ус- ловиями прокладки, эксплуатации и характером решаемой задачи. 5.6.2. Маркировка оптических кабелей Маркировка ОК достаточно разнообразна и зависит от компаний- производителей. Обычно используются два типа маркировки; кодовая буквенно-цифровая и непосредственная, когда вслед за маркой кабеля последовательно указываются значения основных параметров. Примером отечественной кодовой маркировки может служить кодировка кабелей компании «Севкабель-оптик» и «Севкабель» (табл. 5.1, где код приведен в русской и латинской версиях). Порядок маркировки кабелей: СЕВ-234-567-8-9, где СЕВ — завод- изготовитель, а цифры соответствуют порядковому номеру в таб. 5.1. Пример маркировки; СЕВ-ДПС-024 Е 06-06-М2 SEV— DPC -024 Е 06 — 06 — М2. Кабель магистральный модульный с центральным диэлектрическим элементом, влагозащитная оболочка полиэтиленовая, с однослойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой, с 24 одномодовыми стан- дартными оптическими волокнами, 6 скрученными в модуле волокна- ми и двумя медными жилами. 191
Таблица 5.6 п/п Код Расшифровка кода маркировки Русск. Лат. 1 СЕВ SEV ОАО «Севкабель» СКО SCO ЗАО «Севкабель-Оптик» 2 Д D Модульный, с диэлектрическим центральным элементом о О Трубчатый (центральный модуль) 3 А А Алюмополиэтиленовая (полиэтилен, покрытый алюминием) П Р Полиэтиленовая 4 О О Без дополнительных внешних покровов Л L С гофрированной продольно наложенной стальной лентой и оболочкой н N С гофрированной стальной лентой и оболочкой из пластмасс, нераспространяющих горения с С С однослойной броней из стальных проволок и полиэтиленовой оболочкой У У С усиленной однослойной броней из стальных проволок и полиэтиленовой оболочкой 2 2 С двухслойной броней из стальных проволок и полиэтиленовой оболочкой 5 Число оптических волокон (четное) 6 Е F Одномодовое стандартное волокно С S Одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией н N Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией 7 Число волокон в модуле/пучке 8 Число элементов в скрутке 9 М2 М2 Две медные жилы М4 М4 Четыре медные жилы М8 М8 Восемь медных жил Примером непосредственной цифровой маркировки (кроме буквен- ных обозначений типа кабеля) может служить кодировка обозначений кабелей, используемая ЗАО «Самарская оптическая кабельная компа- ния» (СОКК), представленная в табл.5.7. Пример маркировки: ОКЛ—01—Ъ—16—10/125—0,36/0,22—3,5/18—1,0 — оп- тический кабель для прокладки в трубах и кабельной канализации внутри 192
Таблица 5.7 п/п Код Расшифровка кода маркировки 1 ОКГТ ОКЛ оклк ОКЛСт Оптический кабель, встроенный в грозотрос для подвески на опорах ЛЭП Оптический кабель для прокладки в трубах, коллекторах, кабельной канализации и внутри зданий. Оптический кабель для прокладки в трубах, коллекторах, кабельной канализации, грунтах всех категорий, на мостах, через болота и водные переходы Оптический кабель для прокладки в трубах, коллекторах, кабельной канализации, в гравийно-песчаных и тяжелых глинистых грунтах, с защитой от грызунов 2 01,02,5,МТ Модификация типа кабеля 3 Количество элементов в повиве сердечника (кроме ОКГТ-МТ) 4 2—96 Количество оптических волокон 5 Диаметр сердцевины/диаметр оболочки в мм 6 Коэффициент затухания в дБ/км на длинах волн 1310 нм/1550 нм 7 Хроматическая дисперсия в пс/нм/км на длинах волн 1310 нм/1550 нм 8 Допустимая растягивающая нагрузка в кН или (для ОКГТ) внешний диаметр кабеля в мм 9 Для ОКГТ — термическая стойкость к току КЗ в кА2*с 10 Для ОКГТ — разрывная нагрузка в кН (или кГ) зданий, 01—тип конструкции, с 6-повивной скруткой сердечника, 16 ОВ с диаметром сердечника 10 мм, диаметром оболочки 125 мм, коэффициент затухания дБ/км надлине волны 1310 нм — 0,36, на 1550 нм — 0,22, хро- матическая дисперсия — в пс/нм/км на длине волны 1310 нм — 3,5, 1550 нм — 18, допустимая растягивающая нагрузка кН — 1. В маркировке кабелей «Электропровод» (табл. 5.8) нет явного указания на рабочую длину волны волокна, но ее можно установить по двум другим пара- метрам — диаметру сердцевины и коэффициенту затухания, если использо- вать указанные в примечании значения, связывающие эти параметры 0В. ] 3 Зак. 81 193
Таблица 5.8 п/п Код Расшифровка кода маркировки 1 ОК Оптический кабель в полиэтиленовой оболочке 2 Н Если используется полиэтиленновая оболочка, не распро- страняющая горение 3 А Б В О С /А Силовой элемент из арамидных нитей Броня из стальных оцинкованных проволок Оболочка из поливинилхлоридного пластиката Оплетка стальными оцинкованными проволоками Броня из стальной гофрированной ленты Подвесной кабель с внешним силовым элементом из арамидных нитей 4 М Т Модульная конструкция кабеля Конструкция с центральной трубкой 5 N (0/0) 0 Количество элементов (модулей, корделей) в повиве Наружный диаметр модуля/диаметр буферного покрытия (для внутриобъектовых кабелей) Диаметр центральной трубки 6 п т Центральный силовой элемент — стеклопластиковый пруток Центральный силовой элемент — стальной трос 7 8 10 50 62,5 Тип волокна 8 Предельное значение коэффициента затухания в дБ/км 9 4 4 — 72/«п» 4—72 (х) Количество ОВ/количество СЖ (если есть) Количество 0В (допустимое растягивающее усилие — для кабеля ОКА) В табл. 5.8 (поз 7) код 8 обозначает — ОМ волокно со сдвигом дис- персии (диаметр сердцевины 8 мкм) работает на длине волны 1550 нм и поставляется с затуханием 0,2...0,25 дБ/км. Код 10: ОМ волокно стандартное (диаметр сердцевины 10 мкм) ра- ботает на длинах волн 1550 и 1310 нм и поставляется с затуханием; 0,2...0,25 дБ/км (для 1550 нм) и 0,35...0,4 (для 1310 нм). 194
Код 50: ММ волокно стандартное (диаметр сердцевины — 50 мкм) работает на длинах волн 850 и 1310 нм и поставляется со следующими значениями затухания: 2,4...5,0 дБ/км. (для 850 нм — широкополосность: 400...600 МГцкм) и 0,5...1,5дБ/км (для 1310 нм — широкополосность: 400... 1500 МГцкм). Код 62,5: ММ волокно стандартное (диаметр сердцевины — 62,5 мкм) работает на длинах волн 850 и 1310 нм и поставляется со следую- щими значениями затухания: 2,8...5,0 дБ/км. (для 850 нм — широкопо- лосность: 160...400 МГцкм) и 0,6...1,5 (для 1310 нм — широкополос- ность: 200...800 МГцкм). Пример маркировки: ОКВО—Ml2(0,9)Т-10-0,4-8 ОКНБ-М8Т-10- 0,25-8/4, ОК/Т-М6П-10-0,4-12, ОКБ-Т6,0-8-0,22-32. Завод «Сарансккабель-оптика» маркирует волоконно-оптические кабели следующим образом: ОКХа ОК — оптический кабель X — внешнее покрытие, где Г — без брони, Б — броня из стальных проволок, К — броня из высокомодульных армированных нитей а — коэффициент затухания Компания ЗАО «Трансвок» маркирует оптические кабели придер- живаясь принципа описания элементов его конструкции последователь- но от наружного к внутренним элементам. ОКАВ — а-б-в- г/д, (е,ж) — з- и(к)/и1(к1) ОК — оптический кабель А — назначение кабеля, где М — магистральный, 3- зоновый, В — условие прокладки, где С — самонесущий, Т-для прокладки в трубопроводе, для остальных условий прокладки не маркируется, а - внешняя облочка, где полиэтилен не маркируется, В — обо- лочка из поливинилхлорного пластика, Н — не распространяю- щие горение; б — защитные покровы (броня), где А — обмотка из армидных нитей, С — броня из стальной гофрированной ленты; в — материал внутренней оболочки кабеля, где П — полиамид- ная, полиэтиленовая не маркируется; г — число оптический модулей; д — число заполняющих модулей; 13* 195
е- номинальный наружный диаметр оптического модуля, мм; ж — номинальный оптический диаметр заполняющего модуля мм; з — тип центрального элемента, где Т — стальной тросе, Сп — стеклопластиковый пруток; и — число волокон в кабеле (если волокна одного типа) или в мо- дулях (если имеются модули с различными типами волокон); к — тип оптического волокна. к1, и1 — то же для волокон другого типа. В ОК применяются одномодовые оптические волокна, соответству- ющие рекомендациям ITU.T. : 2-G652, 3-G653, 5-G655 Пример маркировки: ОКМС — А — 4/2 (2,4) Сп — 12(2)/12(5) Оптический магистральный самонесущий кабель в полиэтиленовой внешней оболочке, с защитным покровом из арамидных нитей, 4 опти- ческих модулей и двух заполняющих с наружным диаметром 2,4 мм. Внутренняя оболочка из полиэтилена, центральный силовой элемент из стеклопластикового прутка 12 стандартных одномодовых волокон типа G 652 и 12 волокон с ненулевой смещенной дисперсией G-655. Завод «Москабельмет» маркирует кабели следующим образом: ХХХХ-А-БВГ. ХХХХ — тип кабеля; А — тип волокна: 10 — ОМ 10/125, 50 — ММ 50/125, 62 -МН 62,5/ 125; Б — типа центрального несущего элемента: 01 — стеклопруток, 02 — стальной трос, 03 — стальная проволока; В — максимальное затухание на рабочей длине волны, дБ/км; Г — количество волокон. Пример маркировки: ОКК—50-02-022-24. Тип кабеля — ОКК, тип используемого волокна ММ 50/125, цент- ральный несущий элемент — стальной трос, максимальное затухание на рабочей длине волны — 0,22 дБ/км, количество волокон — 24. Структура маркировки кабелей наружной прокладки, основанная на германском национальном стандарте DIN VDE 0.888 (часть 3) приведе- на в табл. 5.9. В указанной маркировке кабелей для наружной прокладки (первая буква А) может быть до 17 буквенно-цифровых позиций, причем пози- ции отсутствующих в конструкции элементов опускаются (последние 196
Таблица 5.9 п/п Код Расшифровка кода маркировки 1 А ADSS Кабель наружной прокладки Диэлектрический самонесущий кабель 2 В D Н Модуль без заполнителя и пучком волокон в трубке со свободной укладкой Модуль с заполнителем и пучком волокон в трубке со свободной укладкой Модуль без заполнителя и одним волокном в трубке со свободной укладкой 3 S Металлический силовой элемент в сердечнике кабеля 4 F Заливочная масса в пустотах между скручиваемыми элементами в сердечнике кабеля 5 У 2У (£)2У (L)(ZN)2Y (ZN)2Y (ZN)(SR)2Y Оболочка из поливинилхлорида — ПВХ Оболочка из полиэтилена — ПЭ Оболочка, армированная алюминиевой лентой Полиэтиленовая оболочка, армированная алюминиевой лентой с неметаллическими силовыми элементами Полиэтиленовая оболочка с неметаллическими силовыми элементами Оболочка, армированная стальной гофрированной лентой (СГП) с неметаллическими силовыми элементами 6 B/b BY/bY B2Y/b2Y Броня Броня с поливинилхлоридной защитной оболочкой Броня с полиэтиленовой защитной оболочкой 7 N*m Число волокон или пучков/модулей * число волокон в пучке/модуле 8 E G Одномодовое волокно Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления 9 50, 62.5, 9 Диаметр сердцевины или диаметр поля моды, мкм 10 125 Диаметр оболочки, мкм. 11 0.7, 0.22 Коэффициент затухания на рабочей длине волны, дБ/км 12 В F H Рабочая длина волны 850 нм Рабочая длина волны 1300 нм Рабочая длина волны 1550 нм 13 Коэффициент широкополосности, МГц-км (ММ) или дисперсия, пс/(нм-км) (ОМ) 14 LG Послойная скрутка 15 Материал силовых элементов (не обязательно) 16 Площадь сечения силовых элементов (не обязательно) 17 Допустимое растягивающее усилие 197
три позиции не обязательны и берутся в скобки), для кабелей внутрен- ней прокладки (первая буква J) может быть до 10 позиций. A-WF (ZN)2Y 8 G 50/125 0.7 F 800 LG 1 245 789 10 11 12 13 14 ADSS-D 2Y(ZN)2Y4x4 £9/125 0.22 Я 18 (6.0) 1 2 5 789 10 11 12 13 17 Эту кодировку использует ряд европейских компаний, например Alcatel, Hellukabel, Philips, Siemens, а также ряд российских производителей. 5.6.3. Конструкция оптических кабелей 5.6.З.1. Отечественные оптические кабели В настоящее время отечественная кабельная промышленность ос- воила производство оптических кабелей практически любых типов и назначений. Эти кабели отвечают требованиям международных стан- дартов, рекомендациям МСЭ (ITU-T) G.651...G.655. Для изготовления ОВ применяются как отечественные, так и импортные материалы вы- сокого качества. Оптические кабели в России производят девять отечественных за- водов, имеющих 15 сертификатов соответствия. Завод АОНФ «Электропровод»выпускает почти все типы оптичес- ких кабелей для наземных ВОСП — от магистральных и подвесных ОК до внутриобъектовых, а также ОК для внутристоечных соединений. Кабели типа ОКБМ (рис. 5.26) предназначены для прокладки в грун- тах всех категорий, в том числе зараженных грызунами (кроме грунтов, Рис. 5.26 198
подверженных мерзлотным деформациям), в воде для прокладки через водные преграды и судоходные реки глубиной более 2 м, в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Этот тип ОК снаружи покрыт полиэтиленовой оболочкой I, под которой имеется броня из стальной проволоки 2, гидрофобное за- полнение 3, сердечник одномодульный 4. На рис. 5.27 кабель типа ОКНБ-М. Этот тип кабеля имеет то же са- мое назначение. В качестве силового элемента в нем применяется сталь- ной трос или стеклопластиковый пруток (в центре) 3. Наружная обо- лочка кабеля 1 выполнена из обычного полиэтилена или из полиэтилена, не распространяющего горение. Под оболочкой имеется броня из сталь- ной проволоки 2. В отличие от ОКБМ этот кабель имеет многомодуль- ный сердечник, модули расположены вокруг центрального силового элемента из стального троса. Все перечисленные типы ОК выполнены на основе одномодовых ОВ с затуханием 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм. В названиях кабелей заложены их основные характеристики: ОКСБС-Т 6,0-10-0,22-8 — оптический кабель, броня из стальной про- волоки, диаметр центральной трубки (6,0), диаметр сердечника 0В (10), затухание ОВ — 0,22 дБ/км, 8 — количество волокон. Городские оптические кабели представлены на рис. 5.28. Кабели типов ОК-М...ОКН-М и ОКО-М...ОКНО-М (рис. 5.28,а) предназначены для прокладки в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Кабели типа ОК-М (рис. 5.28,6) сна- ружи покрыты полиэтиленовой оболочкой 1, тип используемого волок- Рис. 5.28 199
на 2 — одномодовое с затуханием 0,22 дБ/км. ОК типов ОКО-М...ОК- НО-М кроме полиэтиленовой оболочки имеют под ней оплетку из сталь- ной проволоки 4. Тип используемого волокна — многомодовое ОВ с затуханием 0,6 дБ/км на длине волны 1300 нм. Оба типа кабелей имеют центральный силовой элемент 3 — стальной трос или стеклопластико- вый пруток. Оптические кабели типов ОКС-М...ОКНС-М, ОКСА-Т, ОКНСА-Т (рис. 5.28,в) предназначены для прокладки в легких грун- тах, кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Кабели типа ОКС-М...ОКНС-М имеют централь- ный силовой элемент—стальной трос или стеклопластиковый пруток 3. Наружная оболочка 1 выполнена из полиэтиленового покрытия, не рас- пространяющего горение, под которой имеется броня из стальной гоф- рированной ленты 4. Кабели типа ОКСА-Т...ОКНСА-Т имеют броню из стальной гофрированной ленты и обмотку из арамидных нитей. В кабелях этих типов используются оптические одномодовые волокна с затуханием 0,22 дБ/км. Внутриобъектовые ОК предназначены для прокладки внутри зданий, сооружений, станций, внутри аппаратуры. Кабель типа ОКНА-Т (рис. 5.29,а) имеет наружную оболочку из полиэтилена, не распространяющего горение, и обмотку из арамидных нитей, одно- модульный сердечник. Используемое волокно — многомодовое с сер- дечником диаметром 50 мкм и затуханием 0,6 дБ/км на 1300 нм. Ка- бель типа ОКВ (рис. 5.29,6) покрыт наружной оболочкой из поливинилхлоридного пластиката, имеет центральный упрочняющий элемент — стеклопластиковый пруток, сердечник многомодульный. Используемое ОВ — многомодовое с диаметром сердечника 62,5 мкм и затуханием 0,6 дБ/км на 1300 нм. Оптические подвесные кабели предназначены для подвески на опорах линий связи, контактной сети же- лезных дорог, линий элект- ропередач на напряжение до ПО кВ. Нарис. 5.30,а пред- ставлено поперечное сече- ние одного из типов подвес- 200
Рис. 5.30 ных OK — ОК/А. Этот тип ка- беля имеет центральный сило- вой элемент из стеклопластико- вого прутка 2. Внешний силовой элемент выполнен из арамид- ных нитей и пластикового тро- са 1. В кабелях используется одномодовое ОВ с затуханием 0,4 дБ/км на 1300 нм. Подвес- ной кабель ОКА-М (рис. 5.30,6) имеет только центральный силовой элемент из арамидных нитей. Завод «Москабельмет» выпускает кабели для внешней прокладки. Кабе- ли ОМЗКГм предназначены для прокладки в грунт всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, рекомендуется для проклад- ки в местах заражения грызунами, имеет броню из стальной проволоки (рис. 5.31,а), где 1 — ОВ, 2 — гидрофобный заполнитель, 3 — полимерная трубка, 4—стальной трос, 5 — гидрофобный заполнитель, 6 — скрепляю- щая лента, 7 — промежуточная оболочка, 8 — стальная проволока, 9 — полимерная оболочка. Кабель ОМЗГКЦ имеет аналогичное назначение, но отличается кон- струкцией сердечника, внутри кабеля размещена полиэтиленовая трубка с оптическими волокнами. Конструкция кабеля показана на рис. 5.31,6, где 4 — оболочка из ПБТ, 5 — водоблокирующая лента, 6 — стальная проволока, 7 — полимерная оболочка. Кабели типа ОКСТ и ОКК предназначены для прокладки в кабель- ной канализации, трубах, коллекторах и т.д. Конструкция сердечника их такая же, как и в кабеле ОМЗКГ. Отличительная особенность ОКСТ — броня в виде гофрированной стальной ленты, а ОКК не имеет брони поверх полимерной оболочки, которая может изготавливаться из мате- риала, не поддерживающего горение. Подвесной кабель типа ОКП представлен рис. 5.31,в, где 4 — стек- лопластик, 5 — полимерная трубка, 6 — гидрофобный заполнитель, 7 — скрепляющая лента, 8 — синтетическая нить (кевлар или таврон), 9 — полимерная защитная оболочка. ОКП имеет выносной несущий трос, силовой элемент изготовлен из стального троса или жгута нитей из синтетического высокомодульного материала (кевлар, таврон). 201
Рис. 5.31 Подвесной самонесущий кабель ADSS имеет полностью диэлектри- ческую конструкцию, в том числе и силового элемента, аналогичного кабелю ОКП. Его конструкция представлена на рис. 5.31, г, где 3 — обо- лочка из ПБТ, 4 — стеклопластик, 5 — гидрофобный заполнитель, 6 — полипропиленовая лента, 8 — оболочка из ПЭ, 9— нити таврон, 10 — защитная оболочка из ПЭ. Завод выпускает также кабели для внутренней прокладки. Распределительные кабели -DST (рис. 5.32,а) с количеством воло- кон от 2 до 24 и Breackout (рис. 5.32,6) с числом волокон от 2 до 12, предназначенный для прокладки в колодцах кабельной канализации, коллекторах, тоннелях, плинтусах, по стенам зданий и для подвески. На рис. 5.32,а 1 — ОВ в буферном покрытии, 2 — упрочняющие эле- менты, 3 — внешняя оболочка, а на рис.5.32,б 3 — центральный сило- вой элемент, 4 — наружная оболочка. 202
Выпускаются также одноволоконные (рис. 5.33, а) и двухволоконные кабели (рис. 5.33, б, в), предназначенные для внутренней прокладки в зда- ниях, кабельных шахтах, коробах, открытым способом, а также изготов- ления соединительных шнуров (patch-cords и pig-tails). В этих ОК во- локна 1 покрыты буферным покры- тием 2, поверх которого располага- ются упрочняющие нити 3, а сверху накладывается защитная полимер- ная оболочка 4. Используются во- локна одномодовые — 10/125, или многомодовые — 50/125 и 62,5/125. Конструкция одноволоконного кабе- ля Simplex приведена на рис. 5.33,а, двухволоконного кабеля Duplex Zipcord на рис. 5.33,6 и двухволокон- ного кабеля с двойной оболочкой Duplex Heavy Duty на рис. 5.33, в. ОАО «Севкабель» и ЗАО «Сев- кабель-Оптик» предлагают потре- бителям следующие типы ОК для применения в различных условиях. Конструкция ОК ДАО представ- лена на рис. 5.34, а, где 1 — цент- 6 1 2 —WZZiB Рис. 5.33 203
a 1 2 5 6 7 Рис 5 34, а, б рапьный силовой элемент, 2 — ПБТ трубка со свободно уложенными оп- тическими волокнами и гидрофобным гелем 3,4 — гидрофобный запол- нитель, 5 — водоблокирующая алюмополиэтиленовая лента, 6 — алю- мополиэтиленовая лента, 7 — полиэтиленовая оболочка. В кабеле ДНО, 204
Рис 5.34,в,г предназначенном для внутренней прокладки, в отличие от ДАО отсут- ствуют водоблокирующая и алюмополиэтиленовая ленты. Кабель ДПЛ (рис. 5.34, б) предназначен для прокладки в кабельной канализации, в нем водоблокирующая лента заменена полиэтиленовой оболочкой 5, по- верх которой наложена стальная гофрированная лента 6, что позволяет 205
прокладывать его в зонах, зараженных грызунами. Кабель ДПС (рис. 5.34,в) предназначен для прокладки в грунт любой группы в открытую тран- шею, в отличие от ДПЛ он армируется круглыми стальными проволока- ми 6, обмотанными полиэтилентеревталантными лентами 3, которыми также покрыт сердечник кабеля. Конструкция кабелей ДАС, ДАУ, кроме прокладки в грунт, позволяет прокладывать их в болотах и несудоходных реках, для чего на сердечник накладывается дополнительная алюмопо- лиэтиленовая оболочка. Кабели ДП2 и ДА2 предназначены для проклад- ки в грунты всех категорий в районах с активным проявлением мерзлот- но-грунтовых процессов, а также через судоходные реки и глубокие водные преграды (рис. 5.34, г) В этих целях сердечник покрывается во- доблокирующией 3 и алюмополиэтиленовой 4 лентами, полиэтиленовым шлангом 5 и двойным слоем брони из круглых стальных оцинкованных проволок 6, которые обматываются полиэтилентеревталантными лента- ми 7 сверху которых накладывается наружный полиэтиленовый шланг 8. ДПТ — самонесущий кабель модульной конструкции, содержащий сердечник, образованный повивом оптических модулей вокруг цент- рального стеклопластикового элемента. Сердечник защищен промежу- точной оболочкой из полиэтилена, повивами арамидных нитей и на- ружной полиэтиленовой оболочкой. Для самонесущих кабелей существует опасность повреждения ружейной дробью, поэтому возникает необходимость в баллистичес- кой защите, которая достигается благодаря применению промежуточ- ной оболочки из специальной высокопрочной полиамидной компози- ции. В сочетании с арамидными повивами такая оболочка обеспечивает хорошую баллистическую защиту оптического сердечника кабеля, не меняя существенно его массо-габаритных показателей. Кабель ДПМ — полностью диэлектрический кабель со стеклоплас- тиковой броней для подвески на опорах линий связи, линий электропе- редачи, для прокладки в грунтах всех групп (кроме грунтов, подвер- женных мерзлотным деформациям) в кабельной канализации, трубах, блоках, по мостам и эстакадам, в тоннелях и коллекторах (в исполнении, не распространяющем горение). Его применяют при особо высоких требованиях по устойчивости к внешним электромагнитным воздей- ствиям. Отличие от конструкции кабеля ДПС заключается в замене стальных проволок стеклопластиковыми стержнями. 206
ОК типов ОПС и ОПУ (рис. 5.35) представляет собой центральный модуль с оптическими волокнами 1, гидрофобным заполнением 2, бро- нированный повивом стальных оцинкованных проволок 3 диаметром от 1,2 до 1,6 мм и защищенный наружной полиэтиленовой оболочкой 4. Эти кабели предназначены для укладки в грунт и канализацию. Предприятие «Вимком—Энергострой» выпускает самонесущие неметаллические ОК марок ОКСН для подвески на опорах контактных сетей, воздушных линий автоблокировки и воздушных ЛЭП. Конструкция самонесущего неметаллического ОК с центральным силовым элементом из стеклопластикового стержня, вокруг которого скручены оптические модули с общим количеством одномодовых или многомодовых оптических волокон от 4 до 72 с гидрофобным заполне- нием, промежуточной оболочкой из полиэтилена, слоем арамидных ни- тей и внешней оболочкой из трекингостойкого полиэтилена или поли- этилена. Количество ОВ от 40 до 72. Кабель типа ОКЛ — 01(02), выпускается ЗАО СОКК в двух моди- фикациях: для прокладки в трубах, коллекторах кабельной канализа- ции, а также внутри зданий и для прокладки в полиэтиленовых трубо- проводах, отличия между ними заключаются в защитных покровах. Кабель для подземной прокладки типа ОКЛК — 01(02) имеет в отли- чие от кабеля ОКЛ броневой покров из круглых стальных проволок и поэтому допускает воздействие более высоких механических нагрузок. Кабель оптический, встроенный в грозозащитный трос типа ОКГТ, (рис. 5.36) предназначен для подвески на опорах ЛЭП напряжением до 220 кВ. В этом кабеле 1 — ОВ, 2 — гидрофобный заполнитель, 3 — стекловолоконные стержни, 4 — силовой элемент из стеклопластика, 5 — оптические модули, 7 — алюми- ниевая трубка, которая накладывается на повив из стальных проволок 6, поло- женных на оптический сердечник. По- верх алюминиевой трубки накладывает- ся наружный повив из чередующихся стальных и алюминиевых проволок 8. Самонесущий, грозозащитный ка- бель ОКГТ-МТ (рис. 5.37) отличается от ОКГТ конструкцией оптического сер- 207
Рис 5 37 дечника. В этом кабеле 1 — ОВ, исполь- зуется 2 — гидрофобный заполнитель, 3 — центральный оптический модуль, 4 —- повив из стальной оцинкованной прово- локи, 5 — алюминиевая труба, 6 — повив из алюминиевых и стальных проволок. Кабель оптический, самонесущий, ди- электрический типа ОКЛЖ, предназначен для подвески на опорах контактной сети электрифицированных железных дорог. От ранее описанных кабелей отличается отсутствием металлических покровов. ОК производства завода «Сарансккабель» ОКБ-0,22 предназначен для прокладки во всех грунтах, канализации, в трубах, в воде при пересечении рек и болот. Имеет броню из сталь- ных проволок. ОКГ-, ОКЛ-0,22 прокладываются в кабельной кана- лизации, в трубах, блоках, коллек- торах с броневым покровом из гоф- рированной стальной ленты. ОКК-0,22 предназначен для подвес- ки на опорах контакгных сетей элек- трифицированных железных дорог и ЛЭП с напряжением до НО кВ. Это полностью диэлектрический Рис 5 38 208
кабель с защитным покровом из арамидных нитей. Конструкция ОК марки ОКБ-0,22 с броней из стальных оцинкованных проволок показаны на рис. 5.39,а, где 1 — оптическое волокно, 2, 5, 9 — гидрофобный запол- нитель, 3 — полимерная трубка, 4 — центральный силовой элемент, 6 — скрепляющая лента, 7, 8 — оболочка из полиэтилена, 8 — стальная прово- лока, 10 — наружная полиэтиленовая оболочка. В этих кабелях число опти- ческих волокон может быть от 2 до 72. Коэффициент затухания 0,22 дБ/км при длине волны 1550 нм. Кабель ОКК-0,22 (рис. 5.38,6), в отличие от ОКБ содержит поверх полиэтиленовой оболочки повив синтетического волокна цз арамидных нитей 8, поверх которых наложена наружная оболочка из по- лиэтилена 9. Кабель ОКЛ-0,22 (рис. 5.38,в) в отличие от ОКБ имеет броню из гофрированной стальной ленты 8, поверх которой наложена лента из по- лиэтилена 9, сверху кабель покрыт полиэтиленовым шлангом 10. ЗАО «Трансвок» выпускает ОК модульной конструкции со свобод- ной укладкой ОВ в модуле. Кабель имеет силовые и защитно-упрочаю- щие элементы, гидрофобный заполнитель. Выпускаются ОК следующих типов: ОКМС — кабель магистральный, самонесущий для подвески на опо- рах контактной сети и линий автоблокировки железных дорог, на опо- рах линий электропередач до 110 кВ воздушных линий связи и эксплу- атации при температуре окружающей среды -60...+ 70°С. Конструкция кабеля представле- на на рис. 5.39, где 1 — центральный силовой элемент (стеклопластик), 2 — оптический модуль, 3 — стан- дартное одномодовое окрашенное оп- тическое волокно, 4—внутримодуль- ный и межмодульный гидрофобный заполнитель, 5 — бандажная лента и нити, 6 — внутренняя оболочка (по- лиэтилен, ПА-12), 7—упрощающие нити (арамид), 8 — внешняя оболоч- ка (полиэтилен). Кабель марки ОКМС полностью выполнен из диэлектрических мате- риалов и имеет внутреннюю и вне- 14 Зак. 81 209
шнюю оболочку из полиэтилена, защитные покровы выполнены из арамидных нитей. В сердечнике кабеля расположены 6 или 8 оптичес- ких модулей. Внешний и внутренний диаметр модулей составляет соот- ветственно 2,0/1,3 мм, 2,4/1,6 мм и 3,0/1,9 мм. В каждом оптическом модуле располагаются от 2 до 12 од- номодовых оптических волокон. Та- ким образом, всего в кабеле может быть уложено до 96 волокон. Кабе- ли типа ОКМС рассчитаны на рабо- чую температуру -60...+ 70°С, рас- тягивающие нагрузки до 10 кН, ветровые нагрузки со коростью ветра до 43 м/с. ОКМТ — кабель магистральный для прокладки в пластмассовых ка- бельных пневмотрубопроводах и эксплуатации при температуре окружа- ющей среды -4О...+7О°С. Кабели марки ОКМТ имеют конструкцию, ана- логичную ОКМС. Они рассчитаны на меньше растягивающие усилия, но обладают большей стойкостью к раздавливающим нагрузкам. ОКЗ — кабель внутризоновый с броней из стальной гофрированной ленты, предназначен для прокладки в телефонную канализацию и экс- плуатацию при температуре окружающей среды -60... +60°С. Конструкция кабеля представлена на рис. 5.40, где / — центральный силовой элемент, 2 — оптический модуль, 3 — стандартное одномодовое окрашенное оптическое волокно, 4 — гидрофобный заполнитель, 5 — бандажная лента и нити, 6 — внутренняя оболочка (полиэтилен), 7— водоблокирующие элементы, 8—броня (стальная гофрированная лен- та), 9 — внешняя оболочка (полиэтилен). Главной отличительной особенностью кабеля марки ОКЗ является обязательное наличие брони из стальной гофрированной ленты, обес- печивающей необходимую защиту сердечника кабеля от грызунов. Основные технические характеристики ОК ЗАО «Трасвок» Число оптических волокон в кабелях от 6 до 96. Коэффициент зату- хания: при длине волны 1310 нм не более 0,35 дБ/км, при длине волны 210
1550 нм не более 0,22 дБ/км. Длина волны отсечки в кабеле 1150— 1270 нм. Хроматическая дисперсия: для диапазона волн (1285—-1330) нм не более 3,5 пс/нмкм, для диапазона волн (1525—1575) нм не более 18 пс/нм км. Номинальный наружный диаметр оптических модулей 2; 2,4; 3 мм. Число оптических модулей — 6,8. Температура эксплуатации -60...+ 70°С. Строительная длина кабеля ОКМС, ОКМТ — не менее 4 км, ОКЗ — 2 км. Срок службы не менее 25 лет. Минимальная температура монтажа-10°С. 5.6.3.2. Зарубежные оптические кабели За рубежом оптические кабели производятся самой широкой но- менклатуры, практически для любых применений, однако 90% из них — это ОК на основе одномодовых ОВ. Вместе с тем в местных, объектовых и бортовых ВОЛИ, а также в различных системах автоматики, довольно широкое применение находят и ОК на основе многомодовых ОВ. Анализ конструкций магистральных оптических кабелей показывает, что практически все они имеют, по крайней мере, одну металлическую оболочку (рис. 5.41), (где 1 — внешняя оболочка; 2 — гофрированная бро- ня; 3—внутреннее полиэтиленовое покрытие; 4 — упрочняющие элемен- ты; 5 —центральный силовой элемент; 6—полимерная трубка; 7—опти- ческие волокна; 8—гидрофобный заполнитель). Кабели, предназначенные для прокладки в грунт и под водой имеют двойное бронирование, как кабель американского производства (рис. 5.42) из двух (или даже трех) слоев стальной проволоки. На рис. 5.42,а показано сечение кабеля, а на рис. 5.42,6 — общий вид кабеля: 1 — стопка плоских лент из оптических волокон; 2—защитное покрытие; 3 — внутреняя полиэтиленовая оболоч- ка; 4 — пластмассовые ленты; 5 — силовые элементы; 6 — полиэтилено- вая оболочка. В магистральных кабелях ряда 1 фирм металлическая оболочка выполнена в 2 „ 3 виде повитой стальной ленты. 4 В оптических линиях связи большой 5 протяженности ОК может быть не только Рис. 5.41 14* 211
Рис. 5.42 проложен в грунте, но и подве- шен на опорах ЛЭП или на кон- тактных опорах железных дорог. Для таких ВОЛП ряд зарубеж- ных фирм разработали и произ- водят подвесные ОК. ОК содержат до 4—5 моду- лей, в которых может размещать- ся от 12 до 36 волокон. При не- обходимости количество волокон в модуле может быть увеличено. На рис. 5.43 показан продольный внешний вид подвесного ОК со стальным тросом, расположенным отдельно от оптического кабеля. При этом как трос, так и кабель заключены в полиэтиленовую оболочку так, что общая конструкция имеет вид ленты, состоящей из двух параллель- но расположенных кабеля и троса, разделенных некоторым проме- жутком, а поперечное сечение такого кабеля имеет вид восьмерки. ОК этого вида имеет экранирование, выполненное из алюминиевой ленты толщиной 0,15 мм и пластиковый сердечник со спиралеобразным кана- лом для волокон с гидрофобным заполнением. Сердечник имеет герме- тичное покрытие. Оптические характеристики таких кабелей аналогич- ны магистральным. Конструкция подвесного кабеля, не содержащего металлические элементы, изображена на рис. 5.44-, где 1 — наружная оболочка; 2—упрочняющие элементы; 3 — внутреннее покрытие; 4 — буферные трубки; 5 — оптические волокна; 6 — центральный силовой элемент; 7 — заполнители. Достаточно широкое применение в зоновых, местных и объектовых сетях нашли ОК с профильными сердечниками, которые одновременно играют роль силового несущего элемента и модулей. Роль модулей в таком кабеле играют продольные пазы в сердечнике, скрученные вок- руг оси сердечника с определенным шагом. ОК с профильными сер- Рис. 5.43 212
Рис. 5.44 дечниками подразделяются на три группы: с одним ОВ в пазу (рис. 5.45,а); с несколькими волокнами в одном пазу (рис. 5.45,6)', с несколькими профильны- ми стержнями, повитыми вокруг централь- ного несущего стержня (рис. 5.45,в), каж- дый профильный сердечник этого кабеля имеет десять продольных пазов, в каждом из которых находится одно оптическое во- локно. Для увеличения прочности ОК в центре стержня размещен трос из 19 стальных проволок диаметром 0,25 мм. Сердечник с пазами покрыт полимерной и бумажной лентами, а поверх них нанесена металлическая оболочка, которая, в свою очередь, покрыта внешней полиэтиленовой оболочкой. Количество ОВ в пазу может быть больше одного: 2, 3, 5 и т.д. Также различным может быть и количество пазов. ОК с профильными сердечни- ками относительно сложны в про- изводстве, что существенно повы- шает их стоимость. В то же время они не имеют больших преиму- ществ по сравнению с ОК повив- ного типа. Поэтому в последние 2—3 года интерес к ОК с профиль- ными сердечниками снизился. Это- му способствовало и то, что техно- логия их разделки, например, при сращивании ОК, более сложна, чем для кабелей повивного типа. Городские кабели выпускают- ся большой номенклатуры. Го- Рис 5 45 213
Рис. 5.46 Рис. 5.47 родские ОК могут иметь усиливающий элемент из стального стержня с покрытием полиэтиленом. На рис 5.46 показан оптический кабель го- родского типа. Этот кабель выполнен на основе одномодовых ОВ для работы во 2-м и 3-м окнах прозрачности с броней из гофрированной стальной ленты. На рис. 5.47 представлен другой тип городского кабеля. Он пред- назначен для прокладки в городской кабельной канализации, хотя может быть использован и для подвески на опорах. Конструктивные данные этого кабеля следующие: сердечник — пластиковый со спи- ралеобразным каналом для волокон с гидрофобным заполнителем, кабель имеет герметичное покрытие. Экранирование осуществлено алюминиевой фольгой, ламинированной с обеих сторон поли- этиленом; усиливающие элементы — две стальные проволоки в плас- тиковой оболочке; броня из стальных проволок; внешняя оболочка выполнена из черного полиэтилена. Городские ОК также могут быть как армированные металлическими упрочняющими элементами, или не армированы, без металла. Для линий связи внутри различных предприятий, объектов, зданий, а так- же для внутристоечного монтажа, различными фирмами производится ши- рокий спектр типов ОК. Эти кабели могут содержать как одномодовые, так и многомодовые ОВ, количество волокон в таком кабеле — одно или два. В объектовом кабеле, показанном на рис. 5.48, каждое из двух опти- ческих волокон (/) имеет буферное покрытие (2) и силовой элемент из арамидных нитей (3), размещенных внутри индивидуальных трубча- тых полимерных оболочек (4), которые соединены перемычкой. а Рис. 5.48 214
На рис. 5.49 представлена контрукция объектового ОК, в котором каждое из оптичес- ких волокон (У) имеет буферное покрытие (2), силовой элемент из арамидных нитей (3), раз- мещенных внутри общей оболочки (4). Контрольные вопросы 1. Почему оптическое волокно делают со- стоящим из сердцевины и оболочки? Для чего на него наносят полимерное защитное покрытие? 12 34 2. В чем суть волнового и лучевого подхо- Рис 5 49 дов к распространению света по световодам со ступенчатым профилем? 3. Чем определяется число направляемых мод в волоконных световодах? 4. Какими физическими процессами обусловлены параметры пере- дачи световодов — затухание и дисперсия? 5. Перечислите передаточные характеристики оптических волокон. 6. В чем состоит смысл понятия «затухание оптического волокна»? 7. От чего зависит пропускная способность оптического волокна? 8. Через какие характеристики оцениваются дисперсионные свой- ства многомодовых и одномодовых оптических волокон? 9. Каковы причины возникновения модовых искажений и хромати- ческой дисперсии? 10. Что понимают под оптимальным параметром формы профиля показателя преломления градиентного оптического волокна? 11. Одинакова ли полоса пропускания по модовым искажениям, вы- евленная заводскими и полевыми измерениями? 12. Перечислить геометрические характеристики оптических воло- кон и пояснить значимость нормирования их допусков. 13. Какие характеристики оптических волокон обуславливают их срок службы? 14. Пояснить физические процессы разрушения волокон в процессе эксплуатации ОК. 15. Классификация оптических кабелей. 16. Какие существуют виды оптических модулей? 17. Как строятся сердечники оптических кабелей? 18. Как маркируются отечественные и зарубежные оптические кабели? 19. Особенности конструкции подвесных оптических кабелей. 215
Глава 6 ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ связи И АВТОБЛОКИРОВКИ 6.1. Классы и типы воздушных линий связи Воздушные линии связи предназначены для создания сравнительно небольших пучков каналов связи: телефонных, телеграфных, передачи данных, а на железных дорогах ещё и для сигналов телеуправления, телеконтроля и телесигнализации. Воздушные линии обладают большой механической прочностью, имеют длительные сроки службы и позволяют осуществлять связь на значительные расстояния, противостоят ветрам, снегопадам, гололёду, грозовым разрядам и т.п. Определение мест повреждений проводов воздушных линий и уст- ранение повреждений не вызывает значительных затруднений. В то же время эти линии имеют ряд недостатков: невозможность передачи час- тот выше 150 кГц; зависимость электрических параметров цепей от метеорологических условий; громоздкость конструкций; подвержен- ность повреждениям, электромагнитным воздействиям; значительная стоимость одного канало-километра связи. В зависимости от назначения подвешенных цепей линии разделя- ются на 3 класса. К первому (I) относятся линии, несущие цепи магист- ральной, дорожной и оперативно-технологической связи, ко второму (II) — несущие только цепи дорожной и оперативно—технологической связи и к третьему (III) — линии с цепями местной (внутристанцион- ной) связи. Линии первых двух классов несут наиболее ответственные и протяжённые цепи. Поэтому к их прочности и надёжности предъяв- ляются более высокие требования при строительстве и обслуживании. Наибольшую механическую нагрузку воздушные линии испытыва- ют при гололёде из-за увеличения массы проводов и поверхности, под- вергающейся действиям ветра. Толщина стенки гололёда зависит от кли- матических условий района строительства. Поэтому по механической прочности линии I и II класса делятся на четыре типа: О — облегчён- 216
ный, Н — нормальный, У — усиленный и ОУ — особо усиленный, отличающиеся главным образом числом опор, устанавливаемых на 1 км линии, и числом подвешиваемых проводов (табл. 6.1). Таблица 6.1 Тип линии Максимальная эквивален- тнаятолщина стенки льда гололёда, мм Число опор на 1 км Среднее расстояние между опорами (пролёт), м о 5 20 50 н 10 20 50 У 15 25 40 ОУ 20 28 35,7 За эквивалентную толщину стенки льда гололёда принимают такую, при которой масса равномерно распределённого по поверхности и дли- не провода льда с плотностью 0,9-103 кг/м3 равна массе льда при реаль- ном гололёде. В действительности толщина стенки льда и его плотность изменяются по поверхности и длине провода. Воздействие ветра на воздушные линии не ограничивается только увеличением нагрузки на провода и опоры. При скорости ветра до 5 м/с иногда возникает вибрация проводов, т.е. их колебание в вертикальной плоскости с частотой 10—100 гц и амплитудой в несколько миллимет- ров. Меняющееся механическое напряжение в месте крепления прово- да способствует изнашиванию провода, что может вызвать его обрыв. Для борьбы с последствиями вибрации проводов применяют специаль- ное крепление проводов к изоляторам. На линиях III класса при числе подвешиваемых проводов до девяти допускается устанавливать 12 опор для линий О; 16 для Н; 20 для ли- ний У и ОУ на 1 км линии. Подбор опор по требованиям прочности может быть выполнен на основании результатов расчётов, приведённых в [17]. 6.2. Элементы воздушных линий связи Провода. На провода воздушных линий воздействуют ветры, дож- ди, иней, гололёд, резкие изменения температуры, химические веще- 217
ства, выделяемые в атмосферу промышленными предприятиями. Поэто- му линейная проволока, используемая для проводов этих линий, должна обладать хорошей механической прочностью, гибкостью, устойчивостью против коррозии и быть сравнительно недорогой, а также обладать высо- кой электропроводностью. Наибольшее распространение на линиях свя- зи получили стальная, медная и биметаллическая проволоки. Стальная проволока имеет хорошие механические свойства. Для ус- тойчивости против коррозии её покрывают слоем цинка. Недостатком та- кой проволоки является значительное возрастание затухания с ростом час- тоты передаваемого тока, что объясняется сильным проявлением поверхностного эффекта из-за большой магнитной проницаемости стали. Стальную проволоку применяют преимущественно для цепей оператив- но-технологической связи низшего уровня, на линиях О, Н и У диаметром 3...5 мм, а на линиях типа ОУ — только диаметром 5 и 4 мм. На линиях III класса обычно используют проволоку диаметром 3; 2,5 и 1,5 мм. Медную проволоку из-за дороговизны используют только для вы- сокочастотных цепей магистральной и дорожной связи. Она обладает достаточной механической прочностью и мало подвержена коррозии, так как на воздухе покрывается плёнкой окиси меди, защищающей про- вод от дальнейшего разрушения. Биметаллическая сталемедная проволока (БСМ) состоит из двух металлов: стального сердечника с повышенным пределом прочности (1180—1370 МПа) и наложенного на него термическим способом слоя меди толщиной 0,14...0,2 мм для проволоки с общим диаметром 4 мм и 0,11...0,15 мм—для проволоки диаметром 3 мм. Механическая прочность таких проводов выше, чем стальных и медных, электрические характерис- тики для высоких частот близки к характеристикам медных проводов. При- менение сталемедной проволоки позволяет значительно экономить медь. Биметаллическая сталеалюминиевая проволока (БСА) имеет сталь- ной сердечник диаметром 3 или 4 мм, на котором методом горячего опрессовывания нанесён слой алюминия толщиной 0,55 мм. Она обла- дает меньшей механической прочностью и стойкостью против корро- зии, чем сталемедная проволока. При устройстве удлинённых пролётов и переходов через электри- фицированные железные дороги используют многопроволочные тро- сы (канатики), обладающие высокой прочностью. Для цепей из сталь- ной проволоки применяют стальные тросы из семи проволок диаметром 218
4,2 и 6,6 мм, а для цветных цепей-бронзовые марок ПАБ-10 и ПАБ- 25 площадью поперечного сечения соответственно 10 и 25 мм. Для крепления линейных проводов к изоляторам служит мягкая пе- ревязочная проволока: стальная оцинкованная для стальных проводов, медная для медных и биметаллических. Диаметр перевязочной прово- локи зависит от диаметра линейного провода. Для линейных проводов диаметром 5,4 и 3,5 мм берут перевязочную проволоку диаметром 2,5 мм, а при диаметре 3 мм — перевязочную проволоку диаметром 2 мм. При подвесе проводов натяжение регулируется стрелой провеса, т.е. расстоянием по вертикали между линией, соединяющей точки подвеса провода и самой низкой точкой провода в пролёте. В процессе подвес- ки проводам надо придать такую монтажную стрелу провеса, чтобы в самых трудных метеорологических условиях напряжения в проводе не превышали бы допустимых. Опоры. Деревянные опоры можно использовать при строительстве линий в лесистых районах, в которых разрешена заготовка лесоматериа- лов. Деревянные опоры устанавливаются на участках сближения с высо- ковольтными линиями, если опасные индуктивные напряжения превыша- ют допустимые для железобетонных опор по нормам техники безопасности. Во всех остальных случаях следует применять железобетонные опо- ры. Основным элементом таких опор чаще всего является центрифуги- рованная, пустотелая коническая стойка, хотя имеются и другие виды железобетонных стоек. Железобетонные опоры долговечнее деревян- ных. позволяют сохранить лес, не боятся повышенной влажности, а также высоких и низких температур. Повышенные первоначальные зат- раты средств на их строительство оправдываются с течением времени. Общим недостатком всех железобетонных конструкций является боль- шой вес и меньшая транспортабельность, чем деревянных. Наибольшее распространение получили конструкции (стойки) из же- лезобетона в виде полого усечённого конуса длиной 6,5; 7,5; 8,5 и 9,5 м. Они различаются по типам в зависимости от значения изгибающего момента. Наружный диаметр верхней части (вершины) конструкций всех типов 230 мм, нижней части (комля) 320... 373 мм, а толщина стенок 40...55 мм в зависимости от длины и типа конструкции. Масса стоек 520... 1000 кг. Для защиты от попадания влаги внутрь стойки оба торцовых отвер- стия закрывают пробками. Закапываемую в землю часть опоры покрыва- ют битумной мастикой для предотвращения разрушения бетона и арма- 219
туры от воздействия блуждающих токов и находящихся в земле хими- ческих веществ. Траверсы крепят к стойке болтом и подкосами. Деревянные столбы изготавливают из лиственницы, сосны, кедра, ели и пихты. Их делают из брёвен длиной 5,5; 6,5; 7,5; 8,5 и 9,5 м и диаметром в вершине 12.. .24 см; длиной 11 и 13 м и диаметром в вершине 18.. .24 см. Не допускается использовать древесину, поражённую грибковыми за- болеваниями, и сухостой. Срок службы деревянных опор, установленных непосредственно в грунт,— от четырёх до восьми лет в зависимости от характера грунта. Для увеличения срока службы столбы пропитывают противогнилостны- Рис. 6.1 ми веществами (антисептиками) или устанав- ливают в искусственные основания. При про- питке древесины столбов на специальных за- водах смесью креозота (60%) с мазутом (40%) срок службы увеличивается до 18-25 лет. Другие способы пропитки (бандажный, су- перобмазки и т.д.) менее эффективны. Гниение древесины происходит главным образом у поверхности земли (в наиболее опасном месте с точки зрения механических напряжений). Если столб поднять над зем- лёй, укрепив в приставках из материала, не поддающегося гниению, то срок службы его будет значительно больше. Приставки при- меняют также для увеличения длины стол- ба. Наибольшее распространение получили железобетонные приставки трапецеидально- го сечения (ПТ) нескольких типов, отлича- ющихся длиной и допустимым значением изгибающего момента. Применяются также приставки прямоугольного сечения (ПР). На линиях I и II классов каждую опору устанавливают с двумя приставками. При- ставки 1 крепят к столбу проволочными хо- мутами 2 (рис. 6.1). Приставки из пропитан- ной древесины устанавливают чаще всего для 220
увеличения длины опоры и крепят к столбу аналогично железобетонным. Опоры воздушных линий разделяют на простые и сложные. Простыми называют опоры, состоящие из деревянного столба или железобетонной стойки, оснащённых арматурой и не имеющих дополнительных крепле- ний. Сложные опоры состоят из простых опор и дополнительных креп- лений в виде подпор, оттяжек или из двух столбов или стоек. Железобе- тонные опоры укрепляют только оттяжками. К простым относят промежуточные опоры, устанавливаемые на пря- молинейных участках трассы линии; к сложным — угловые, полуан- керные, анкерные, усиленные, оконечные, кабельные и т.д. Угловые опоры устанавливают в местах изменения направления трас- сы линии. Их укрепляют подпорой или оттяжкой, подпорой и оттяжкой в зависимости от числа проводов, типа линии и угла поворота трассы, опре- деляемого нормальным вылетом угла. Угловая опора, укреплённая подпор- кой, показана на рис. 6.2.а, где 1 — траверсы; 2 — подпора; 3 — лежень; 4 — поперечный брус. Угловая опора, укреплённая оттяжкой, изображена на рис. 6.2.6, где 1 — оттяжка; 2 — якорный лежень; 3 — якорный жгут. Направление тпжсния < проводов Рис. 6.2 221
Рис. 6.4 Нормальным вылетом угла называют длину перпендикуляра, опу- щенного из вершины угла на прямую, соединяющую две точки на трас- се линии, каждая из которых удалена от вершины угла на 50 м. Такое измерение углов поворота линии упрощает работы по разбивке трассы, так как в этом случае не требуются специальные угломерные инстру- менты и обученный персонал. Подпорой и оттяжкой угловые опоры укрепляют в тех случаях, ког- да нормальный вылет угла более 5 м, а число проводов более 16. От- тяжки устраивают из стального троса или скрученных вместе несколь- ких кусков стального линейного провода диаметром 4 или 5 мм. Число проволок в оттяжке и место крепления её к опоре зависят от типа линии и числа подвешиваемых проводов. Якорный жгут свивают, как и оттяж- ку, из стальной линейной проволоки того же диаметра. Если по мест- ным условиям невозможно установить подпору или оттяжку, то в каче- стве угловых опор применяют П-образные опоры (рис. 6.3). Полуанкерные, анкерные и усиленные опоры применяют для увели- чения устойчивости и ограничения возможных разрушений линий при обрывах проводов. Их устанавливают на прямолинейных участках трас- сы, на линиях О и Н через 3 км, У — через 2 км и ОУ — через 1 км. Полуанкерная опора показана на рис. 6.4, где 1 — поперечные брусья; 222
2 — подпоры; 3 — раскос. Под- поры полуанкерных опор могут быть заменены четырьмя оттяж- ками, устанавливаемыми по две с каждой стороны опоры. Такие опоры называют анкерными. Усиленная опора (устанавливают при крюковом профиле) приве- дена на рис. 6.5, где 1 —- подпо- ры, 2 — лежни. Противоветровые опоры (рис. 6.6, где 1 — подпора; 2 — лежни) применяют для устойчи- вости линии при боковых вет- рах. Эти опоры размещают на середине участков между полу- анкерными, анкерными или уси- ленными опорами. Подпоры ус- танавливают перпендикулярно Рис. 6.6 трассе линии поочерёдно (то с одной стороны трассы, то с другой). Оконечные опоры размещают в на- чале и конце линии у вводов в здания. Кабельные опоры служат для пере- хода воздушной линии в кабельную. При числе проводов до 16 в качестве оконеч- ной или кабельной применяют простую опору, укреплённую подпорой со сторо- ны тяжения проводов или оттяжкой с противоположной стороны, при числе проводов более 16 — полуанкерную. Для соединения проводов воздушной линии с жилами кабеля применяют шка- фы магистральной связи (ШМС), уста- навливаемые у основания опоры и ка- бельные ящики. 223
Шкафы ШМС (рис. 6,7) изготав- ливают из стали. В верхней части шкафа имеется горловина 4, на ко- торой укреплён металлический жег лоб 3, соединяемый с деревянным желобом 2, укрепленным на опоре 1. В днище шкафа ШМС имеются от- верстия для ввода кабеля. В шкафу размещаются приборы защиты, боксы магистральной связи (БМ), служащие для оконечной разделки кабеля, и другое оборудование. Про- вода воздушной линии получают оконечную заделку на изоляторах опоры и проводом с атмосферос- тойким покрытием, прокладывае- мым в желобе, подключаются к защитным устройствам, соединённым с жилами кабеля на зажимах бокса, в котором разделан кабель. Рис. 6.8 Для низкочастотных цепей при- меняется провод ЛТР-В с атмосфе- ростойким покрытием, для высоко- частотных цепей — коаксиальный кабель РК-75. Внешний провод ко- аксиального кабеля заземляют. Шкафы ШМС изготовляют не- скольких типов, рассчитанных на ус- тановку оборудования для различно- го числа цепей. В болотистых грунтах для полу- чения большей устойчивости опору укрепляют подпорами 1 (рис. 6,8). Подпоры между собой и с опорой скрепляют брёвнами — лежнями 2. При постройке линии в районах веч- ной мерзлоты, в местах, где наблю- дается выталкивание столбов из 224
грунта, применяют ряжи — квадратные де- ревянные срубы высотой 1000 мм и площа- дью 2,5...4 м2, засыпаемые землёй или щеб- нем, в которые и устанавливают опоры. Для проведения испытаний и определения места повреждения проводов на станциях, а также на границах дорог и дистанций сигна- лизации и связи устанавливают контрольные опоры (рис. 6.9). Провода на этих опорах раз- резают и соединяют при помощи линейных сжимов. Контрольные опоры оборудуются заземлением, ступеньками 1 и дополнитель- ной траверсой 2 для удобства производства испытаний. Выбор диаметров для конкрет- ных опор можно осуществлять на основании механических расчётов или по специальным таблицам. То же касается и глубины закопки опор, зависящей от типа линии, нагрузки опор и свойств грунта. Профиль опоры. Порядок расположения цепей на опоре воздуш- ной линии называют профилем опоры. При подвеске проводов на крю- ках профиль называют крюковым, при Подвеске на траверсах — тра- версным, а в случае одновременного применения крюков и траверс — смешанным. Для упрощения составления схем скрещивания проводов и упорядочения линейного хозяйства разработано десять типовых про- филей. Пять из них, распространённых на железнодорожном транспор- те, приведены на рис. 6.10. Использование того или иного профиля зависит от общего числа подвешиваемых проводов и числа цепей, уплотняемых токами высо- кой частоты. При траверсном профиле на опоре можно подвесить зна- чительно больше проводов, чем при крюковом, без увеличения длины опоры. Длина опоры равна сумме длин: верхней части (на которой ук- реплены траверсы и крюки, максимальной для данного района стрелы провеса проводов), расстояния от нижней точки нижнего провода до земли или рельсов (при переходе через железные дороги), установлен- ного Правилами технической эксплуатации железных дорог России, и глубины закопки опоры в землю. 15 Зак. XI 225
Рис. 6.10 Глубина заколки зависит от характера грунта, числа подвешиваемых проводов и длины опоры. При числе подвешиваемых проводов от 12 до 24 для опор длиной 6,5; 7,5 и 8,5 м глубина закопки в твёрдом и болоти- стом грунтах соответственно равна 1,5 и 1,6 м, а в мягких грунтах на 0,15 м больше. 6.3. Арматура и устройство переходов Изоляторы. Изоляторы служат для изоляции проводов и крепления их на опорах, поэтому они должны облад ать значительной механической проч- ностью, большим электрическим сопротивлением и малыми диэлектричес- кими потерями. Необходимо, чтобы изоляторы минимально снижали изоля- цию проводов относительно земли во время влажной погоды и быстро восстанавливали её при перемене погоды с влажной на сухую. Таким требо- ваниям удовлетворяют фарфоровые, покрытые глазурью изоляторы ТФ (те- лефонный фарфоровый). Выпускаемые промышленностью стеклянные изо- ляторы ТС (телефонный стеклянный) в меньшей степени соответствуют предъявляемым требованиям, так как сопротивление их изоляции ниже. 226
Форма стеклянных и фарфоровых изоляторов одинакова (рис. 6.11). Конструкция нижней час- ти (юбки) 1 выбрана так, чтобы обеспечить тре- буемое поверхностное сопротивление изоляции удлинением «сухого пути» токов во время дождя. Внутри изолятора имеется винтовая нарезка 2 для крепления его на крюке или штыре. По размерам различают изоляторы ТФ-20, ТФ-16 и ТФ-12. Изоляторы ТФ-20 применяются для подвески медных и биметаллических прово- дов диаметром 4 мм и стальных проводов диа- Рис. 6.11 метром 5 мм. Стальные провода диаметром 4 мм, а также медные и биметаллические диаметром 3 мм подвешивают на изоляторах ТФ-16, изоляторы ТФ-12 используют на воздушных линиях III класса. Крюки, траверсы, штыри. Для крепления изоляторов на опорах применяют крюки и траверсы со штырями. Крюки изготовляют из круглой стали диаметром 20, 18, 16 и 12 мм, они имеют соответственно марки КН-20, КН-18, КН-16 и КН-12. Крю- ки КН-20 и КН-18 применяют для крепления изоляторов ТФ-20, а крю- ки КН-16 и КН-12 — для крепления изоляторов ТФ-16 и ТФ-12 соот- ветственно. На верхнюю «заершенную» часть штырей и крюков одевают специ- альные полиэтиленовые колпачки, на которые наворачивают изоляторы. Траверсы изготовляют из древесины или стали на четыре и восемь шты- рей. Преимущественное распространение получили траверсы из древеси- ны — дуба, сосны, листвен- ницы, кедра и ели. Мягкие породы дерева обязательно пропитывают антисептика- ми, предохраняющими от преждевременного загнива- ния. Расстояние между шты- рями для всех траверс оди- наковое (рис.6.12). Конструкция деревян- ной восьмиштырной тра- 15* 227
верен показана на рис. 6.12. Четырехштырные траверсы изготавливают из бруса размером 60x80 мм. Стальные восьмиштырные траверсы де- лают также из уголковой стали размерами 50x50x6 мм для линий О и Н; 60x60x6 мм для линий У и ОУ. Для четырехштырных траверс применяют угловую сталь соответ- ственно размерами 40x40x6 и 50x50x6 мм. Штыри делают из круглой стали. Их размеры должны соответство- вать размерам траверс и изоляторов. Каждому размеру присвоена своя марка: ШТ-2Д, ШТ-2С и т.д. Цифра указывает, для какого изолятора предназначен штырь, а последняя буква — на материал траверсы (Д — дерево, С — сталь). Конструкции для скрещивания проводов цепей. Для уменьшения взаимных влияний между двухпроводными телефонными цепями и вли- яния на них линий сильного тока провода цепей скрещивают. При под- веске на крюках скрещивание выполняют при помощи Г-образных крон- штейнов из полосовой стали, устанавливаемых взамен двух крюков. Конструкция Г-образного кронштейна КС-4 / 5, применяемого для скре- щивания проводов диаметром 4 и 5 мм, приведена на рис.6.13, а. Кон- струкция для скрещивания проводов диаметром 3 и 3,5 мм отличается только меньшими размерами. При подвеске проводов на траверсах стальные провода скрещивают на подвесных крюках (рис.6.13, б), провода 7 и 2 из цветного металла скрещивают при помощи накладок (рис.6.13, в). Рис. 6.13 228
Подвесные крюки изготовляют из круглой стали диаметром 16, 18 и 20 мм. Для деревянных траверс они имеют марки соответственно КПД—16; КПД-18. Крюки КПД-16 применяют для проводов диаметром 3 и 4 мм; КПД-18 — для проводов диаметром 5 мм. Для стальных траверс ис- пользуют крюки марок КПС-16, КПС-18. Накладки изготовляют из полосовой стали НД для деревянных траверс и НС-5 и НС-6 для стальных. Накладки НС-5 применяют для траверс на линиях О и Н, НС-6 — на линиях У и ОУ. Кроме указанной арматуры, при строительстве воздушных линий получи- ли распространение вводные и ответвительные изоляторы, наклад- ки различного назначения, конструкции для соединения проводов и крепежные детали. Устройство удлиненных пролетов и переходов. Трассы воздуш- ных линий могут пересекать реки, овраги, железные дороги и другие естественные и искусственные препятствия. Для преодоления этих пре- пятствий устраивают удлиненные пролеты, мачтовые переходы, про- кладывают кабели, устанавливают опоры повышенной длины и крон- штейны, укрепляемые на мостах, виадуках и путепроводах. На линиях связи О и Н удлиненные пролеты создают длиной до 150 м, а на линиях У и УО — до 100 м. Если длина таких пролетов недостаточна, то устраивают кабельные вставки в воздушную линию или, в крайнем случае, мачтовые переходы. Увеличение длины пролета сверх нормального вызывает повышенное натяжение проводов и уве- личение стрелы их провеса, поэтому опоры, ограничивающие удлинен- ный пролет, должны иметь дополнительное крепление и повышенную длину по сравнению с нормальными. При крюковом профиле и длине удлиненного пролета больше нормального на 50% переходные опоры укрепляют подпорами, устанавливаемыми со стороны удлиненного про- лета, или оттяжками -— с противоположной стороны. При траверсном профиле устанавливают полуанкерные опоры. Для предупреждения схлестывания проводов в удлиненных проле- тах увеличивают расстояние между траверсами и между штырями. Если длины удлиненных пролетов превышают максимально допус- тимые для линейных проводов, то вместо стальных проводов подвеши- вают стальные канатики диаметром 4,2 мм, а вместо медных и биме- таллических — провод ПАБ или биметаллический канатик. 229
Переходы линий связи через электрифицированные железные доро- ги обычно осуществляют кабелями. При пересечении автомобильных дорог и воздушном переходе во всех случаях применяют промежуточ- ные опоры, укрепляемые подпорой или отгяжкой. Провода в переход-! ном пролете подвешиваются так же, как и линейные. Длину переходно- го пролета принимают близкой к нормальной. Переход линии связи через реки при наличии неразводного железнодо- рожного моста следует устраивать на кронштейнах, прикрепляемых к фер- мам моста без нарушения его прочности. Расположение проводов на крон- штейнах должно соответствовать профилю линии, чтобы не применять укороченных секций скрещивания. Если мост разводной и выполнить пе- реход удлиненным пролетом нельзя, то прокладывают подводный кабель. Через высокие насыпи кабели можно прокладывать в траншее по откосам насыпи и под путями или протягиванием через трубы, зало- женные под насыпью железной дороги. Отверстия для труб устраива- ют с помощью специальных машин, действующих по принципу гид- равлического домкрата или горизонтального бурения. Кабельные вставки. Кабельные вставки в воздушные линии уст- раивают на переходах через реки, железные дороги, на подходах к круп- ным железнодорожным узлам, для устройства вводов проводов и т.д. Волновые сопротивления цепей воздушных и кабельных линий раз- личны. Поэтому при передаче энергии в местах их соединения возникают отраженные волны. Появление отраженных волн увеличивает затухание цепей и взаимные влияния между ними, вызывает искажения сигналов. Для устранения этих явлений необходимо согласовывать воздушные и кабельные цепи. Согласование может быть достигнуто включением на стыке воздушной и кабельной линии автотрансформатора или повышением ин- дуктивности кабельных цепей. Повышение индуктивности цепей увели- чивает модуль волнового сопротивления и уменьшает его угол. С помо- щью автотрансформатора можно согласовать только модуль волнового сопротивления, так как на частотах более 10 кГц углы малы и их различи- ем пренебрегают. В схему автотрансформатора (рис.6.14) включают кон- денсатор С для возможности измерений цепей постоянным томом. Осуществить согласование с помощью автотрансформаторов значи- тельно проще, поэтому они получили преимущественное распростра- нение. Для согласования цепей, имеющих медные или биметалличес- 230
кие провода с низкочастотными ка- белями (ТЗ), применяются автотран- сформаторы с соотношением вход- ных сопротивлений 550:140 Ом, а с высокочастотными кабелями (МК, МКС) — 550:180 Ом. Для осталь- ных высокочастотных цепей приме- няют автотрансформаторы с соотно- Рис. 6.14 шениями 800:140 Ом для низкочастотных кабелей (ТЗ) и 800:180 Ом для высокочастотных (МК, МКС). По конструктивному оформлению автотрансформаторы разделяются на так называемые устройства СУП (согласовывающие линейное) и СУС (согла- совывающее станционное). Устройства СУП устанавливают в шкафах ШМС или на кабельных опорах, а СУС — на станциях для согласования входных сопротивлений вводного кабеля и высокочастотной аппаратуры. Электри- ческие характеристики устройств СУЛ и СУС одинаковы. Устройства СУЛ и СУС имеют по два автотрансформатора для включения двух цепей. Необходимость в согласовании воздушных линий с кабельными вставками определяют для каждой кабельной вставки отдельно. Резуль- тирующий коэффициент отражения Р~ 7 -7 **ВВ ^ВК 2п ( 7+7 к ^ВВ ^вк К’ где ZBB, ZBK — волновые сопротивления воздушной и кабельной линии соответственно; Рк — коэффициент сдвига фазы цепи кабельной вставки; /к — длина кабеля. Если р s 0,1 для цепей, уплотненных в спектре частот до 150 кГц, и р £ 0,2 для цепей, уплотненных до 30 кГц, то согласовывающие устрой- ства не устанавливаются. 6.4. Основные сведения о высоковольтно-сигнальных линиях автоблокировки Назначение и требования. Воздушные линии автоблокировки (ВЛ автоблокировки) напряжением 6... 10 кВ служат для подвески высоко- вольтных и сигнальных проводов. Высоковольтная цепь предназначена 231
для электроснабжения устройств автоматической блокировки на перего- нах и устройств автоматики и телемеханики на тех станциях, которые не имеют других источников энергии. Сигнальные провода обеспечивают взаимодействие устройств автоматики и телемеханики, расположенных в разных пунктах вдоль железной дороги, например, взаимную увязку показаний соседних светофоров автоблокировки. По сигнальным прово- дам передаются также другие сигналы управления и контроля. Работникам дистанций сигнализации и связи необходимо знать основ- ные характеристики линий ВЛ автоблокировки и их возможности, так как с середины 1990-х гт. на этих линиях подвешиваются оптические кабели. В отличие от крупных линий электропередачи к ВЛ автоблокировки по всей их длине через 1...2,5 км подключают устройства, потребляю- щие мощность не более 1,5...5 кВ А. Питаемые от ВЛ устройства авто- матики и телемеханики относятся к наиболее ответственной первой группе потребителей, нарушение энергоснабжения которых может по- влечь опасность для жизни людей, расстройство сложного технологи- ческого процесса, причинить значительный материальный ущерб. Та- кие потребители должны обеспечиваться энергией от двух независимых источников, причем перерыв допускается только на время включения или выключения резерва не более чем на 1,3 с. Электроснабжение автоблокировки и станционных устройств СЦБ должно быть организовано так, чтобы их действие не прерывалось при большинстве повреждений или ремонте элементов высоковольтной линии. Поэтому резервирование осуществляется на всех уровнях сис- темы электроснабжения; резервируется питание высоковольтной цепи, по возможности дублируются сама цепь и линейные понижающие транс- форматоры; ставятся местные резервные источники энергии непосред- ственно у питаемых устройств и т.п. Виды высоковольтно-сигнальных линий. Наиболее распространенны- ми являются ВЛ автоблокировки, представляющие собой трехфазную высо- ковольтную цепь 1 с изолированной нейтралью частотой 50 Гц и напряжени- ем 10 или 6 кВ, ниже которой расположены сигнальные провода 2 (рис. 6.15,а). На рис. 6.15,6 представлена двухцепная линия, несущая две одинаковые высо- ковольтные цепи 1 и 3. В зависимости от расчетных метеорологических усло- вий тип линии выбирают аналогично линии связи (см.табл.6. Г), но для ВЛ автоблокировки облегченный тип линии отсутствует. 232
Вблизи от сигнальных точек автоблокировки (светофор с ре- лейным шкафом) на силовых опо- рах устанавливают линейные трансформаторы ОМ (однофазные с масляным наполнением), снижа- ющие напряжение до 115 или 230 (иногда до 400 В). Низкое напря- жение подается по кабелю к сиг- нальной точке для питания рель- совых цепей, светофорных ламп и релейных схем. Другие жилы это- го кабеля соединяют сигнальные провода с реле сигнальной точки. Схема соединений оборудова- ния на силовой опоре показана на рис. 6.16, где РВО — вентильные раз- рядники, защищающие трансформатор от грозовых и других перенап- ряжений; ПКБ — комбинированные плавкие предохранители-разъеди- нители. Плавкие вставки защищают высоковольтную цепь от коротких замыканий в трансформаторе, откидная крышка с ушком на ПКБ с по- мощью специальной штанги позволяет с земли отключить трансфор- матор от высоковольтной цепи или подключить его к ней. Металлические части штанги предварительно необ- ходимо надежно заземлять. Пробивной предохранитель ПП защищает от пробоя изо- ляцию между обмотками трансформатора и повышает безопасность обслуживающе- го персонала; АВМ — автома- тический выключатель макси- мального тока на 5... 10 А; РВН-250 — низковольтные вентильные разрядники. _____В/В цепи Рис. 6.16 233
Для уменьшения опасности поражения обслуживающего персонала на силовой опоре имеются два заземления: высоковольтное и низковольтное. Фидеры, питающие высоковольтные цепи автоблокировки на пита- ющих пунктах, должны присоединяться к шинам через отдельные транс- форматоры и оборудоваться устройствами автоматического повторно- го включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР). При питании автоблокировки переменным током эти фидеры имеют мак- симальную токовую защиту, отключающую фидер при ненормальном воз- растании потребляемого тока, защиту минимального напряжения, отключа- ющую фидер при резком уменьшении напряжения, а также защиту от однофазных замыканий на землю, действующую на сигнал или тоже на от- ключение. Последнее важно потому, что при заземлении одной фазы линии с изолированной нейтралью резко возрастают помехи в цепях связи. На рис. 6.15,6 показана двухцепная ВЛ автоблокировки, на которой со стороны пути расположена высоковольтная цепь автоблокировки, а с поля — цепь продольного электроснабжения, используемая для пи- тания других потребителей энергии, в том числе и для электроснабже- ния путевого инструмента. Ниже ее располагается цепь низкого напря- жения, которая питается от линейных трансформаторов и к которой подключаются потребители. Высоковольтную цепь продольного элект- роснабжения используют в качестве резервной для питания автоблоки- ровки, для чего у каждой силовой опоры основной ВЛ автоблокировки стоит такая же силовая опора резервной линии, и аварийное реле А (рис.6.17) автоматически переключает сигнальную точку на резервную линию. Однако двухцепная линия имеет важный недостаток — не ис- ключены случаи одновременного повреждения обеих цепей. Поэтому на участках с электротягой посто- янного тока цепь продольного электроснабжения в ряде случа- ев подвешивают на опорах тяго- вой сети (рис. 6.18,а). На двухпут- ных таких же участках можно подвесить основную цепь на опо- рах одного пути, а резервную — на опорах второго. При электротяге переменного тока напряжением 27,5 кВ в со- От трансформаторов Основной ВЛ Резервной ВЛ К питаемым устройствам Рис. 6.17 234
седних проводах наводятся очень высокие опасные напряжения. Сиг- нальные провода в этом случае следует размещать в кабелях связи или специально прокладываемых, а на линии автоблокировки оставлять только высоковольтную цепь. Электроснабжение линейных потребителей на дорогах с электротя- гой переменного тока осуществляется по трехфазной несимметричной цепи «два провода — рельсы» (ДПР) с линейным напряжением 27,5 кВ, расположенной на опорах тяговой сети (рис.6.18,6). В этом случае эко- номически целесообразно подвесить высоковольтную цепь автоблоки- ровки тоже на опорах тяговой сети. Но на этих опорах не хватает места для трех проводов, а подвешивать рядом с высоковольтным тяговым проводом цепь напряжением 6... 10 кВ нельзя, поскольку в ней будут наводиться напряжения до 12... 15 кВ. Поэтому в качестве высоковоль- тной линии автоблокировки в данном случае используют однофазную цепь частотой 50 Гц и напряжением 27,5 кВ (как в цепи ДПР), состоя- щую из подвешенного на опорах тяговой сети провода и рельсов в ка- честве обратного провода. Такую цепь называют цепью ПР («провод — рельсы»). Длину плеча питания в этом случае принимают равной рас- стоянию между тяговыми подстанциями. Резервное питание автобло- кировки осуществляется в этом случае от цепи ДПР. При таком способе электроснабжения не применяют силовые опоры, а вместо них устанавливают у сигнальных точек однофазные комплектные трансформаторные подстанции с двумя трансформаторами напряжением 27,5 кВ / 127 В, один из которых включен между проводом цепи ПР и рельсами (основное питание), а второй — между одним проводом цепи ДПР и рельсами (резервное питание). Применение данной системы целе- 235
а б Рис. 6.19 сообразно прежде всего в тех случаях, когда строительство самостоятель- ной высоковольтно-сигнальной линии затруднено (например, в горах). Недостатком системы являются большие колебания напряжения в цепях ПР и ДИР, вызываемые изменениями нагрузок тяговой сети. В случае отсутствия второй высоковольтной цепи на железнодорож- ном участке применяют резервирование линейных трансформаторов по схеме (рис. 6.19, а). Их устанавливают на соседних опорах в сочетании с разъединителями, что позволяет отключать один трансформатор и уча- сток высоковольтной цепи для ремонта или устранения повреждений. Иногда для тех же целей выполняют резервное питание по цепи низко- го (220 В) напряжения, подвешенной на сигнальной траверсе от сосед- ней сигнальной точки (рис.6.19,6). В обоих случаях переход от основ- ного питания к резервному осуществляется автоматически (см.рис. 6.17). В новой системе автоблокировки с рельсовыми цепями переменно- го тока на границах рельсовых цепей (без изолирующих стыков) стоят только путевые трансформаторы, а аппаратура питающих и релейных концов размещается на станциях, ограничивающих перегон. В этом случае высоковольтная цепь автоблокировки на перегонах не нужна, а сигнальные цепи заключают в отдельный кабель Контрольные вопросы 1. Перечислите преимущества и недостатки воздушных линий в сравнении с кабельными. 2. Как определяются типы (классы) воздушных линий связи и чем они отличаются друг от друга? 3. Назовите назначение и разновидности высоковольтных линий автоблокировки, а также область их применения. 4. Каковы способы резервирования питания сигнальных точек ав- тоблокировки на железнодорожных участках с разными видами тяги? 236
Глава 7 КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ, МАГИСТРАЛИ И СЕТИ 7.1. Кабельные линии и сети Кабельные линии обладают большей эксплуатационной надеж- ностью по сравнению с воздушными, так как они подвержены мень- шим вредным воздействиям окружающей среды (атмосферные осадки, ветровые нагрузки и др.), и большей защищенностью от опасных и ме- шающих влияний электромагнитных полей различных линий элект- ропередачи, включая и контактную сеть электрифицированных желез- ных дорог. Кабельные линии экономичнее воздушных по затратам на строительство и эксплуатационным расходам, отнесенным к одному канало-километру; они незаменимы в условиях городской застройки и в пределах полотна железных дорог. На железнодорожном транспорте широко распространены и исполь- зуются: совмещенные магистральные линии железнодорожной связи, автоматики и телемеханики; сети местной связи; —линии автоматики и телемеханики (АТ) на перегонах и сети АТ на станциях. Совмещенные магистральные линии предназначены для органи- зации всех видов магистральной, дорожной и отделенческой связи, а также цепей автоматики и телемеханики. Организация связи для обеспечения оперативной работы дороги по железнодорожным ка- бельным линиям отличает последние от подобных Им линий других ведомств. Это вызвано большим числом тональных оперативно- технологических связей, цепей автоматики и телемеханики и необ- ходимостью их выделения в ряде пунктов как на станциях, так и на перегонах (рис. 7.1). Сети местной (станционной) связи предусматривают для устройства абонентской, стрелочной и других видов связи в пределах железнодо- рожного узла или станции. 237
|2 пары СЦБ। Перегонная 1£Щь________Ц__J |____||___||________||____||____||___||_____||___||______| Межстаниион- ____________4—4___________1__________4_____А_____4___4______4-..-4_______I Линейно-путе- |вая связь || || [Постапционная связь . _ 4 _ _ 4 । [Телеуправление 4 1 [Телесигнализация_________________ Поездная диепе- |Т юрская связь । [Энергодиспетчерская связь [Служебная связь электромехаников Рис. 7.1 Кабельные линии АТ прокладывают на перегонах для размещения линейных цепей автоблокировки. В некоторых случаях допускается размещение в них цепей межстанционной и перегонной связи. Кабельные сети АТ на станциях предназначены для обеспечения функционирования системы устройств электрической централизации. Кабельные линии и сети представляют собой комплекс конструкций и устройств, предназначенных для обеспечения передачи сигналов и электрической энергии. К ним относятся кабели, кабельная арматура, кабельные сооружения и оборудование для поддержания кабельных линий в исправном состоянии, подземные и надземные сооружения необслуживаемых усилительных и регенерационных пунктов (НУП и НРП); устройства защиты от коррозии и электромагнитных влияний. Оборудование для содержания кабелей связи под постоянным из- быточным воздушным давлением, монтируемое на кабельных линиях, пред- назначено для организации контроля за исправным состоянием кабельных линий и сетей связи и повышения их надежности в условиях эксплуатации. 238
7.2. Кабельные магистрали связи Кабельные магистрали связи на железнодорожном транспорте слу- жат для организации всех видов магистральной, дорожной и от- деленческой связи и некоторых цепей автоматики и телемеханики. На кабельных магистралях связь можно организовывать по однока- бельной системе, когда оба направления передачи совмещены в одном кабеле и двухкабельной системе, при которой каждое направление пе- редачи занимает отдельный кабель. На железнодорожном транспорте находятся в эксплуатации одно-, двух- и трехкабельные магистрали связи. Основным критерием при определении типа магистрали и марок кабелей является потребность в каналах связи на конкретном железнодорожном направлении (участке), рассчитанная с уче- том перспективы новых устройств железнодорожной автоматики и теле- механики. Необходимо также иметь в виду, что в случае однокабельной и двухкабельной магистрали на базе симметричных кабелей имеется суще- ственный недостаток для сети связи МПС — необходимость устройства отпаев от магистрального кабеля к релейным шкафам и перегонным объек- там в среднем через 1 км, что снижает качество тональных связей. В слу- чае двухкабельной магистрали, где один из кабелей — волоконно-опти- ческий или коаксиальный, а второй — симметричный, возможна организация высокочастотных связей с высоким качеством. В проектах магистралей связи на железнодорожном транспорте мож- но предусматривать однотипные и разнотипные кабели: симметричные высокочастотные и низкочастотные с жилами одинаковой или разной конструкции; коаксиальные; комбинированные высокочастотные симметричные кабели с коаксиальными парами типа 1,2/4,6 и оптичес- кие кабели. Анализ вариантов устройства кабельных магистралей, позволяет сделать вывод, что однокабельные магистрали, имеющие незначитель- ную емкость по числу каналов и цепей автоматики, не могут быть реко- мендованы для грузонапряженных железнодорожных направлений. Их применяют на второстепенных, тупиковых участках железных дорог, не имеющих перспективы развития. Широкое применение нашел вариант двухкабельной магистрали из кабелей, уплотняемых 60-канальной аппаратурой, удовлетворяет требо- 239
ваниям по числу высокочастотных каналов для организации магистраль- ной, дорожной и отделенческой связи (360 каналов), числу тональных каналов отделенческой связи (16) и числу цепей автоматики. Возможны другие варианты двухкабельной магистрали: например два комбиниро^ ванных кабеля, с двумя коаксиальными парами каждый, где кабель, от которого делают ответвления, принято называть первым и обозначать К1. Отметим, что использование цифровых систем передачи при двух- кабельном варианте организации связи на базе симметричных кабелей на действующих и вновь строящихся участках затруднено и требует рассмотрения вопросов электромагнитной совместимости линейных трактов цифровых систем передачи с линейными цепями автоблоки- ровки и цепями связи, особенно цепями ПГС и МЖС. Это объясняется несоизмеримостью напряжений передачи цифрового сигнала в цепях связи и коммутационных перенапряжений, возникающих при работе цепей автоматики и телемеханики, достигающих нескольких сотен вольт. Существующие варианты трехкабельной магистрали по числу кана- лов ТЧ для магистральной и дорожной связи (480 каналов) и оператив- но-технологической связи (24 и 48 каналов) и числу цепей автоматики приемлемы для большинства участков железных дорог. Из других ва- риантов реализации трехкабельных магистралей перспективно исполь- зование двух симметричных железнодорожных магистральных кабе- лей для цифровой магистральной, дорожной и отделенческой связи и третьего многопарного кабеля (К1) для организации тех видов отде- ленческой связи, которые требуют ответвлений на перегонах, а также цепей автоматики и телемеханики. Трехкабельный вариант может воз- никнуть при усилении пропускной способности действующей двухка- бельной магистрали; в этом случае следует применять в качестве тре- тьего кабеля — оптический, в частности подвесной. Применение трехкабельных магистралей значительно повышает ка- чество и надежность магистральной и дорожной связи, так как все от- ветвления на перегонах и станциях осуществляются только от кабеля К1. Однако, несмотря на большие преимущества перед однокабельными и двухкабельными, широкое внедрение трехкабельных магистралей на сети железных дорог сдерживается более высокой стоимостью строи- тельства (на 30...40% выше по сравнению с двухкабельными) и повы- шенными эксплуатационными расходами. 240
В настоящее время основным вариантом двухкабельной магистрали связи является вариант с применением волоконно-оптического кабеля и электрического симметричного кабеля (К 1) для организации опера- тивно-технологической связи и резервирования ОК. При выборе типа магистрали и марок кабелей учитывают также по- казатели по расходу основных кабельных материалов (медь, алюминий, свинец, сталь). Решение о выборе конкретного вида кабельной магист- рали принимают на основе технико-экономического сравнения различ- ных вариантов построения кабельной магистрали и учета характерис- тик железнодорожного участка. 7.3. Кабельные сети связи на станциях Кабельные сети связи железнодорожных станций и узлов пред- назначены для организации местной, станционной распорядитель- ной телефонной, двусторонней парковой связи, громкоговорящего оповещения и др. Для местной и станционной распорядительной те- лефонной связи, как правило, предусматривают совместную кабель- ную сеть, а для двусторонней парковой связи и громкоговорящего оповещения, работающих с повышенными уровнями передачи, от- дельные сети. Местная телефонная кабельная сеть станций и узлов состоит из кабелей, соединяющих местную телефонную станцию с телефонными аппаратами абонентов данной станции или узла. К местной телефонной сети относят кабельные соединительные линии местной телефонной станции с междугородной телефонно—телеграф- ной станцией или соединительные линии от железнодорожной теле- фонной станции к городским телефонным станциям. К местной теле- фонной сети относят телефонные кабельные сети для стрелочной связи, связи грузового диспетчера и т. п. На станциях и узлах с небольшим числом абонентов (до 300—400) местную телефонную кабельную сеть строят по так называемой бес- шкафной системе. Кабельная сеть (рис. 7.2,а) состоит из кабелей, со- единяющих местную телефонную станцию ТС с распределительными коробками РК, через разветвительные муфты РМ в служебных и жи- лых помещениях, а также из кабелей, прокладываемых от рас- пределительных коробок к телефонным аппаратам абонентов ТА. 1 6 Зак. 81 241
При емкости теле- фонной станции,превы- шающей 400 номеров, кабельную сеть, как пра- вило, строят по шкафной системе. В тех районах станции или узла, где сосредоточено большое число абонентов, уста- навливают распределительные шкафы РШ, которые соединены кабе- лями с местной телефонной станцией (рис. 7.2,6). От распределитель- ных шкафов кабели через распределительные муфты РМ прокладыва- ют к распределительным коробкам РК, установленным в зданиях данного района. Кабели, проложенные от телефонной станции до рас- пределительных шкафов РШ, называют магистральными, а кабели, со- единяющие распределительные шкафы с распределительными короб- ками, — распределительными. В обеих системах кабели, прокладываемые от распределительных коробок к телефонным аппа- ратам абонентов, называют абонентскими. При отсутствии повышенного внешнего электромагнитного влияния и в районах, не характеризующихся суровым климатом, в качестве ма- гистральных и распределительных кабелей местных телефонных сетей рекомендуется применять кабели с полиэтиленовой изоляцией медных жил в полиэтиленовой оболочке, имеющие парную или четверочную скрутку жил. Для непосредственной прокладки в земле и при пересечении не- глубоких болот, несудоходных и несплавных рек с незаболоченными и пологими берегами и спокойным течением применяют кабель мар- ки ТППБ, бронированный стальными лентами с наружным покровом из кабельной пряжи. В тоннелях, коллекторах, шахтах, а также в по- мещениях, где необходима защита от механических воздействий, про- кладывают кабель с ленточной броней без наружного покрова из ка- бельной пряжи, но с противокоррозионной защитой в виде покрытия брони асфальтовым лаком. Самонесущий кабель с встроенным тро- сом подвешивают на опорах воздушных линий и стойках местной те- лефонной сети. 242
В районах с низкими температурами окружающей среды, при ко- торых нельзя эксплуатировать кабели с пластмассовыми оболочками, прокладывают кабели в алюминиевой оболочке. Их кабели использу- ют также в районах с повышенным внешним электромагнитным вли- янием (влияние электрифицированного транспорта, линий электропе- редачи и др.). При строительстве местных телефонных сетей в железнодорожных узлах возникает необходимость в прокладке соединительных линий между АТС. Для организации таких линий применяют кабели марок ТГ и ТБ или ТПП. Для соединительных линий можно применять также кабели ТЗГ и ТЗБ. При строительстве обособленных станционных ка- бельных сетей, стрелочной связи, связи маневрового диспетчера, дву- сторонней парковой связи и громкоговорящего оповещения использу- ют сигнально-блокировочные кабели с парной скруткой. Кабели местной и станционной распорядительной телефонной сети, а также кабели громкоговорящего оповещения можно прокла- дывать в общей траншее (в междупутьях и по обочине железнодо- рожных путей) совместно с кабелями железнодорожной автоматики и телемеханики. От оконечных устройств распределительной сети до розеток абонентских телефонных аппаратов в зданиях проклады- вают однопарный телефонный распределительный кабель (провод) (см. гл. 3). 7.4. Кабельные сети напольных устройств автоматики и телемеханики на станциях Кабельные сети станционных напольных устройств автоматики и телемеханики предназначены для передачи управляющих и конт- рольных сигналов в системах электрической централизации стрелок и сигналов, горочной автоматической и диспетчерской централизации, переездной сигнализации и подводки электропитания к элементам этих систем — стрелочным электроприводам, светофорам, рельсовым це- пям и т. п. Кабельная сеть горловины малой станции состоит из четырех са- мостоятельных сетей: стрелочных переводов (рис. 7.3, а), светофоров 16* 243
Рис. 7.3 (рис. 7.3, б), релейных (рис. 7.3, в) и питающих (рис. 7.3,г) трансфор- маторов рельсовых цепей. Трасса кабелей, проходящая вдоль путей, позволяет удешевить ра- боты по прокладке кабелей, а также объединить цепи каждой сети в групповом кабеле на участках от поста централизации до разветвитель- ных муфт и частично между последними. Только на участках от муфт до объектов прокладывают индивидуальные кабели. Для дальнейшей экономии кабелей допускается совмещение в одном групповом кабеле цепей различного назначения. Однако нельзя объединять цепи питающих и релейных концов рельсовых цепей, поскольку при повреждении кабеля с сообщением жил это может привести к ложному сигналу свободности участка пути, а также цепей четного и нечетного направления движения. Для ин- 244
дивидуальных кабелей экономия может быть достигнута «обвязкой» (последовательным обходом) двух—трех однотипных объектов (см. рис. 7.3) в сети светофоров у разветвительной муфты и других устройств СЦБ. В станционных сетях используют сигнально-блокировочные кабели с пластмассовой или металлической оболочкой. Защитные покровы ка- белей выбирают в соответствии с условиями их прокладки. Для умень- шения взаимных влияний между цепями следует применять сигналь- но-блокировочные кабели с парной скруткой. 7.5. Кабельные линии централизованной автоблокировки на перегонах При централизованной системе автоблокировки (ЦАБ) рельсовые цепи не разделены изолирующими стыками, а вся аппаратура размеще- на на ограничивающих перегоны станциях. Отсутствие на перегонах изолирующих стыков позволяет резко сократить число дроссель-трансформаторов и повышает прочност- ные характеристики пути. Отсутствие светофоров и изолирующих стыков повышает безотказность системы, поскольку в обычных сис- темах автоблокировки на долю перегорания светофорных ламп и не- исправностей изолирующих стыков приходится до 25% всех повреж- дений. На перегонах прокладывают два сигнально-блокировочных кабеля, связывающих путевые трансформаторы с аппаратурой, рас- положенной на станции, поскольку не рекомендуется размещать в одном кабеле цепи релейных и питающих концов рельсовых цепей. Однако, при рельсовых цепях тональной частоты допускается раз- мещение в одном кабеле передающих и приемных концов рельсо- вых цепей с одинаковыми несущими и моделирующими частотами сигнального тока, если длина их совместной прокладки не превы- шает допустимого значения. Длина блок-участков в системе ЦАБ не превышает 1 км. Наибольшая длина кабеля при электротяге 10 км, при автономной 15 км. Если про- тяженность перегона не превышает этих значений, то аппаратуру мож- но сосредоточить на одной станции. 245
Ст. A Ст. Б ^Д00^4 - FF * 1П 2П ЗП 4П 5П 6П Ж 1-й кабель Z . 7x2 Я ПЯ1Н 7x2 7 . 1 1Р £ 2 ° 5 СН „ —Illrs О смеч £ ДJ бобо О О О О < 1 и -г Ч еч Д Jw О О О О < ]ПЯ4/5ц <7x2 7 \ 3> О >£-4- н 2 ]ПЯ5/б[« й~~7 j 4/ 2 с ] ПЯб[4 \ 3> 5Р 2 о Н - НКСО у 7X2 £ £ 6Р 1. ~ 4/5Р 2 р 2/ЗР 3 ? СН 5 1-й кабель С 7X2 1 6 2У о а 2У о о 2У о о 2У о о 2У 6 KJ KJ uj KJ kj kj kj kj 7 1У 1У 1У 1У 1У 7 £ 5/6П 1. О О О О , О О -7- ) О О О О 3/4 П о-о 3/4 П 2 о & 1/2.П 0-0 1/2П 0-0 LZ2JT з/ |сч 5 х >зе со 1 СЧ Рис. 7.4 При размещении аппаратуры на обеих станциях длина перегона не должна превышать соответственно 20 и 30 км. В тех же кабелях целесообразно размещать цепи перегонной (ПГС) и поездной меж- станционной (МЖС) связи с установкой на перегонах у границ блок- участков телефонных аппаратов на колонках в запирающихся ящи- ках. Схема кабельной сети перегона с размещением аппаратуры на одной станции показана на рис. 7.4. В первом кабеле заключены цепи релейных концов рельсовых цепей, пары увязки соседних станций 1У и 2У и пара СН смены направления движения (если участок од- нопутный). Второй кабель содержит пары питающих концов рель- совых цепей. Рельсовые цепи системы ЦАБ питаются токами тональной частоты 425 и 475 Гц; для АЛС используются частоты 75...325 Гц и выше. По- этому взаимные влияния между различными цепями в кабелях приоб- ретают более важное значение по сравнению с распространенными рель- совыми цепями с частотами 25, 50 или 75 Гц. Для линий системы ЦАБ следует применять сигнальные кабели только с парной скруткой. На участках с электротягой переменного тока применяют кабели с алюми- 246
ниевой оболочкой, а с электротягой постоянного тока и при автоном- ной тяге — с пластмассовой. К недостаткам системы ЦАБ относится необходимость примене- ния двух кабелей с большим общим числом жил. Но, применяя сис- тему контроля сообщения жил, можно обойтись одним кабелем, а используя многоканальную систему передачи с частотным или вре- менным разделением, — свести потребное число пар в этом кабеле до минимума. На участках с децентрализованной автоблокировкой тоже могут про- кладываться кабельные линии. На однопутных участках при трехзнач- ной сигнализации прокладываются кабели предназначенные для цепей смены направления, контроля перегона, извещения о приближении по- езда, линейной цепи, сигнализации предупредительного светофора, диспетчерского контроля и двойного снижения напряжения, подачи извещения на переезд и цепи обратного извещения. Контрольные вопросы 1. Назначение и виды железнодорожных кабельных линий и сетей. 2. Из каких основных элементов состоит кабельная линия или сеть? 3. Какие отдельные сети автоматики и телемеханики организуются на станциях, оборудованных ЭЦ? 4. Какие цепи разных сетей можно объединять в одном кабеле и при каких условиях? 5. Каковы особенности кабельных линий на перегонах на автобло- кировке с централизованным размещением аппаратуры?
Глава 8 ОСНОВЫ РАСЧЕТА ИНДУКТИРОВАННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ 8.1. Общие определения Воздушные и кабельные линии автоматики, телемеханики и связи прокладывают около железнодорожного полотна (в полосе отвода). Их располагают в непосредственной близости от тяговых сетей электри- фицированных железнодорожных участков, высоковольтно-сигнальных линий автоблокировки и линий продольного энергоснабжения. На от- дельных участках вблизи них проходят высоковольтные линии элект- ропередачи других ведомств. Влияния высоковольтных цепей на цепи автоматики, телемеханики и связи принято называть внешними. На воздушных и кабельных линиях практически всегда объединяют различные цепи автоматики, телемеханики и связи. Влияния между со- седними цепями одной линии (воздушной или кабельной) называют взаимными. В цепях могут индуцироваться опасные и мешающие напряжения и токи. Поэтому в современных условиях остро стоит вопрос об электро- магнитной совместимости цепей и систем передачи информации. Электромагнитная совместимость обеспечивается только тогда, когда индуцируемые напряжения и токи не превышают предельно допусти- мых значений (ПДЗ). Поэтому возникает необходимость оценки харак- тера и интенсивности возможных опасных и мешающих влияний на любые цепи и определения их значений, частотного состава, вероятно- сти их возникновения и т.п. Основным понятием в расчетах этих влия- ний является сближение, под которым понимают такое взаимное рас- положение линий, когда линии автоматики, телемеханики и связи находятся в зоне заметного влияния высоковольтных линий. Для упрощения исследований и расчетов индуктивные влияния ус- ловно разделяют на электрические и магнитные. Электрическое влияние обусловлено наличием переменного элект- рического поля (вокруг влияющего провода 1 рис.8.1,а), несущего за- 248
ряды ±<?| и находящегося под напряжением Ц = <7/С, отно- сительно земли. На проводе 2, оказавшемся в зоне действия это- го поля, по закону электрической индукции наводятся заряды ±z/2. Если провод 2 замкнут на зем- лю через нагрузку Z2, заряды стекают в землю (рис.8.1,6), вы- зывая в нагрузках переменный ток Z2, который и является током электрического влияния. Рис. 8.1 Магнитное влияние обусловлено наличием переменного магнитно- го поля вокруг провода 1, по которому протекает ток (рис.8.2,а). В проводе 2, который пересекают силовые линии магнитного поля про- вода 1, по закону магнитной индукции наводится э.д.с. Е2, и, как след- ствие, переменный ток /2 противоположного по отношению к току направления, который и является током магнитного влияния (рис.8.2,б). Условное разделение единого электромагнитного поля на электричес- кое и магнитное удобно, потому что в ряде случаев одна из составляющих может быть пренебрежимо мала по сравнению с другой. Если по условиям сближения необходимо учитывать обе составляющие влияния, их совмес- тное действие можно определить, используя принцип наложения. Напряжения и токи, индуцированные в цепях автоматики, телемеханики и связи внешним электро- магнитным полем, по силе воздействия разделяют на опасные и мешающие. Опасные влияния могут вызывать поражения об- служивающего персонала и абонентов связи, по- Рис. 8.2 вреждения аппаратуры, пожар в служебных поме- 249
щениях и т.д. Такие влияния имеют место со стороны цепей высоко- вольтных линий и тяговых сетей электрических железных дорог. Ме- шающие влияния частично или полностью нарушают нормальную ра- боту, вызывают помехи в каналах, приводят к неправильному восприятию сигналов и т.д. Для практически встречающихся случаев сближений условия влия- ния могут быть изучены, и для каждого типа влияющих цепей можно определить те режимы работы и составляющие влияния, которые необ- ходимо учитывать при выборе средств защиты. 8.2. Характеристики влияющих цепей На практике влияющими могут оказаться цепи высоковольтных ли- ний электропередачи, в том числе линии продольного электроснабже- ния и высоковольтные цепи ВСЛ СЦБ, тяговые сети электрических железных дорог и соседние цепи автоматики, телемеханики и связи. Рассмотрим общие характеристики этих цепей как влияющих. Высоко- вольтные линии разделяются на линии дальних передач и распредели- тельные сети. Высоковольтные линии, служащие для передачи энергии на большие расстояния, имеют напряжения от 35 до 750 кВ трехфазно- го переменного тока частотой 50 Гц или 800—1500 кВ постоянного тока. Цепи распределительные ВЛ электрических сетей — только трехфаз- ные, чаще всего напряжением 6 или 10 кВ. Высоковольтные линии могут быть воздушными и кабельными. Преимущественное распространение получили воздушные линии. На одной ВЛ обычно подвешивают одну или две трехфазные цепи. Прово- да на опорах ВЛ могут быть расположены треугольником, «прямой ел- кой», «обратной елкой» или горизонтально (рис.8.3). Расстояния между проводами и высота подвеса зависят от напряжения цепей ВЛ. Цепи ВЛ подключаются к линейным обмоткам трансформаторов повышающих или понижаю- " • •• • * < х щих подстанций. Если линей- • • • • 1 1 * ные обмотки трансформато- ров Т1 и Т2, соединенные обычно в «звезду», имеют ——-------------------------нейтраль, изолированную от Рис. 8.3 земли, то ВЛ называется лини- 250
Рис. 8.4 ей передачи с изолированной нейтралью (рис. 8.4,а). Если нейтрали заземлены, то ВЛ называют линией передачи с за- земленной нейтралью (рис.8.4,б). Значительно реже применяют несим- метричную систему «два провода-земля» (рис.8.4,в). Линии электропередачи постоянного тока бывают двухпроводные («провод-провод») и однопроводные («провод-земля»). Тяговые сети электрических железных дорог служат для передачи электрической энергии от тяговых подстанций к электровозам. Их под- разделяют на сети постоянного (выпрямленного) тока напряжением 3300 В и однофазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 25—27 кВ. В тяговых сетях одним проводом служат контактные про- вода вместе с несущими и усиливающими тросами, а другим — парал- лельно работающие рельсы и земля. Питание тяговых сетей может быть одно- и двусторонним. При од- ностороннем питании участок тяговой сети получает питание на всей протяженности с одной стороны от тяговой подстанции. При двусто- роннем питании, участок тяговой сети, состоящий из двух плеч, соеди- няемых постом секционирования, нормально получает питание с двух сторон от тяговых подстанций; при этом нагрузочные токи сдвинуты пространственно примерно на 180°. Цепи автоматики, телемеханики и связи воздушных и кабельных линий по схемам могут быть двухпроводными, однопроводными и на- ложенными (искусственными, см. рис. 1.1, 1.2). Симметричные и несимметричные цепи. Для характеристики це- пей как влияющих их удобно разделить на симметричные и несиммет- ричные. К симметричным относят однофазные двухпроводные и трех- фазные трехпроводные цепи, а к несимметричным — все цепи, использующие землю в качестве одного из рабочих проводов. Симмет- ричные цепи в нормальном режиме работы могут оказывать только ме- 251
щающие влияния, а несиммет- ричные — опасные и мешаю- щие в зависимости от рабочих напряжений и токов, условий сближения и других факторов. Объясняется это следующим. Если цепи симметричные, т.е. такие, у которых напряже- ния и токи во всех проводах одинаковы и сдвинуты по фазе на 180° в двухпроводных и на 120° в трех- фазных трехпроводных цепях, то энергия по таким цепям распространя- ется электромагнитным полем (см. рис. 1.11), связанным со всеми прово- дами цепи. Как говорят, энергия передается в межфазовом тракте или тракте «провод-провод» (в двухпроводной цепи). Напряженность в любой точке электромагнитного поля, действующего в пространстве, окружающем симметричную цепь, обусловлена воздей- ствием электромагнитных полей всех проводов цепи. Поэтому эта напря- женность будет всегда меньше, чем напряженность поля, обусловленная напряжениеми током каждого провода цепи в отдельности (рис.8.5). Если — векторы напряженности электрического и магнитного полей соответственно проводов 1 и 2 двухпроводной влияющей цепи в точке пространства, то Е и Н — результирующие векторы напряженнос- ти полей цепи в той же точке. Поэтому внешнее электромагнитное поле симметричной цепи является частично уравновешенным и тем в большей степени, чем меньше расстояние между проводами влияющей цепи или чем дальше расположена рассматриваемая точка от проводов этой цепи. По несимметричным цепям энергия распространяется в тракте «про- вод (два провода) — земля», поскольку земля служит одним из рабочих проводов цепи. Ток в земле, удельное сопротивление которой значительно выше, чем у металлов, растекается по большой площади поперечного се- чения и в глубину. Если вместо растекающегося по земле тока представить ток, сосредоточенный и текущий по эквивалентному проводу, расположен- ному в середине площади растекания тока, то этот эквивалентный провод будет залегать на большой глубине. Расстояние между физическим и экви- валентным проводами будет во много раз больше, чем расстояние между проводами реальных симметричных цепей. Электромагнитное поле не- 252
симметричных цепей всегда будет значительно более неуравновешен- ным, чем симметричных. Поэтому несимметричные цепи в зависимо- сти от рабочих напряжений и то- ков, условий сближения и других факторов могут оказывать опасное и мешающее влияние. Симметрич- ные цепи могут вызывать только мешающие влияния. Рис. 8.6 Практически полностью симметричных цепей нет. Все реальные двухпроводные и трехфазные трехпроводные цепи называют симмет- ричными, но в действительности они только частично симметричны. Объясняется это тем, что электрические параметры проводов, из кото- рых образуются цепи, всегда различны из-за наличия сварок, спаек, допусков по диаметру, различного расположения относительно земли и других причин. Неодинаковость электрических параметров проводов цепи называют продольной асимметрией, вследствие которой напря- жения и токи в проводах будут неодинаковы и со сдвигом по фазе, от- личающимся от 180 или 120°. В результате энергия будет распростра- няться не только в межпроводном тракте, но и в тракте «два (три) провода — земля». Силовые линии электромагнитного поля этого трак- та двухпроводной цепи показаны на рис.8.6. Таким образом, каждая реальная симметричная цепь может быть представлена как объединение двух влияющих цепей — одной симмет- ричной с напряжением Ц и током Ц и другой несимметричной с на- пряжением Ц, и током /0 (рис.8.7). Напряжение U(j и ток /0 называют напряжением и током нулевой последовательности. 253
На симметричность цепей влияет не только продольная асимметрия цепи, но и несимметричность относительно земли генератора и прием- ника, а в трехфазных цепях еще и неравномерная загрузка фаз. При определении влияний высоковольтных цепей необходимо учи- тывать не только нормальный режим работы, но и аварийный. В случае замыкания на землю провода несимметричной цепи или симметрич- ной трехфазной с заземленной нейтралью может возникнуть ток корот- кого замыкания. Симметричные трехфазные цепи с изолированной ней- тралью при таком повреждении становятся несимметричными (рис.8.8,я).Во всех высоковольтных цепях и тяговых сетях переменно- го тока, кроме основной гармоники напряжения и тока частотой 50 Гц, всегда имеются гармонические составляющие высшего порядка. Они вызывают индуцированные напряжения и токи в цепях, подверженных влиянию. Если основная гармоника может вызвать появление опасных напряжений и токов, то высшие гармонические составляющие могут индуцировать мешающие напряжения и токи в цепях, работающих в том же спектре частот. Трехфазные цепи высоковольтных линий с заземленной нейтралью. Это чаще всего линии напряжением 35 кВ и выше, передающие энер- гию переменного тока частотой 50 Гц на значительные расстояния. Линии ВЛ с заземленной нейтралью частично симметричные и в нор- мальном режиме могут оказывать только мешающие влияния, обуслов- ленные как фазными напряжениями и токами, так и напряжением и то- ком нулевой последовательности. Удельный вес тех и других влияний неодинаков и зависит от условий сближения и других причин. В аварийном режиме (при замыкании фазы на землю) эти цепи ВЛ с заземленной нейтралью становятся несимметричными. В поврежден- 254
ной фазе возникает большой ток короткого замыкания (рис.8.8,б). который может оказать опасное магнитное влияние. Особенностью та- кого влияния является его большая мощность и кратковременность. Через 0,15-0,6 с после появления короткого замыкания сработает авто- матическая защита, и линия будет выключена. Трехфазные цепи высоковольтных линий с изолированной нейтра- лью. К ним относятся главным образом распределительные линии на- пряжением 6... 10 кВ, в том числе и высоковольтные цепи ВЛ автобло- кировки и цепи ВЛ продольного электроснабжения. При заземлении одной фазы резко возрастает напряжение относи- тельно земли (см.рис.8.8, а), т.е. UQ = 1,73t7, где Un — линейное напря- жение. Аварийный режим может продолжаться длительное время, так как заземление одной фазы не нарушает электроснабжения. В это вре- мя такие ВЛ могут оказывать опасное электрическое и одновременно мешающие влияния, вызванные не только напряжением нулевой пос- ледовательности, но и током нулевой последовательности, а также фаз- ными напряжениями и токами. Трехфазные цепи высоковольтной линии «два провода — земля». Эти цепи относятся к несимметричным цепям и поэтому даже в нормаль- ном режиме могут оказывать опасные и мешающие электрические и магнитные влияния, а при замыкании одного из проводов на землю опас- ные магнитные влияния будут аналогичны влияниям трехфазных це- пей ВЛ с заземленной нейтралью. Тяговые сети электрических железных дорог переменного тока. Названные сети могут оказывать на цепи автоматики, телемеханики и связи магнитное, электрическое и гальваническое влияния. Магнитно- му влиянию подвержены цепи как воздушных, так и кабельных линий. Электрическому влиянию подвержены цепи воздушных линий и воз- душных кабельных линий с использованием кабелей без металличес- кой оболочки. Гальваническому влиянию подвержены заземленные металлические оболочки кабелей и цепи, использующие землю в каче- стве обратного провода. Величина влияний на цепи автоматики, телемеханики и связи зависит от схемы питания и нагрузочного режима работы тяговой сети, параметров тяговой сети и высоковольтной линии внешнего электроснабжения, параметров оборудования тяговых подстанций 255
2 ТП 1р Рис. 8.9 I ^3/ 1 р р'тр е и электроподвижных составов, длины и ширины сближения тяговой сети и подверженной влиянию линии, параметров цепей линии передачи, вос- приимчивости цепей к поме- хам, взаимного расположения всех элементов тяговой сети по отношению к цепям подверженным влиянию. При электротяге переменного тока в тяговую сеть подается однофаз- ный переменный ток частотой 50 Гц напряжением 25...27 кВ. Электро- возы обычно оборудуют понижающими трансформаторами, выпрями- тельными устройствами и двигателями постоянного тока. Выпрямительные устройства ухудшают форму кривой тока в тяговой сети, что увеличивает мешающее влияние гармонических составляющих. Вторые концы обмоток, питающих тяговую сеть трансформаторов, подключают к рельсам, как к обратному проводу. Однако сопротивле- ние рельсов оказывается соизмеримым с сопротивлением между рель- сами и землей, и по мере удаления электровозов от тяговых подстанций все большая часть обратного тока /3 стекает с рельсов в землю. Из земли в рельсы ток возвращается в районах тяговых подстанций ТП (рис. 8.9). Ток /р в рельсах 2, расположенных относительно близко к кон- тактному проводу 1, течет в обратном направлении относительно тока /], и его электромагнитное поле ослабляет влияние контактного прово- да на цепи связи. Результирующие влияния не равны нулю, но меньше, чем влияния одного контактного провода, поскольку Zp < а расстоя- ние между рельсами и проводом связи, а также контактным проводом и проводом связи неодинаковы. Кроме того, тяговая сеть вызывает появ- ление индукцированных токов 1тр в цепях « рельс-земля», магнитные поля которых направлены противоположно полю влияющей линии и ча- стично снижают его влияние. Явления, снижающие влияния в результате присутствия рельсов, называют экранирующим действием рельсов. Различают три режима работы тяговой сети: нормальный, вынуж- денный и короткого замыкания. Нормальный режим — когда все тяговые подстанции подключены к тяговой сети согласно принятым схемам питания, как правило, дол- 256
жен быть двусторонним (односто- роннее питание двух смежных фи- дерных зон в нормальном режиме может быть допущено при усло- вии питания этих зон от одной и той же фазы). на экранирующее действие рельсов, тяговые сети пе- ременного тока даже при нормаль- ном режиме работы оказывают на цепи автоматики, телемеханики и связи большое влияние, которое воз- растает при нарушении нормального режима работы тяговой сети. В случае аварии или профилактического ремонта может быть временно отключена одна из тяговых подстанций ТП1- ТПЗ (на рис.8.10 они пе- речеркнуты), питающих тяговую сеть. Тогда появляются участки тяго- вой сети с односторонним питанием, оказывающие повышенное опас- ное и мешающее влияния. Такой режим работы тяговой сети называют вынужденным. Он может длиться часами. При эксплуатации тяговой сети возможен режим короткого замыка- ния (аварийный режим), при котором контактная сеть замыкается на зем- лю или рельсы. В этом случае в тяговой сети возникает ток, который пре- вышает влияющий ток при вынужденном режиме. Длительность протекания тока короткого замыкания невелика (не более 0,6 с). Мень- шие влияния на цепи автоматики, телемеханики и связи оказывает тяго- вая сеть переменного тока, двухпутных участков, построенная по схеме «два провода — рельс», трехфазная, несимметричная (см. рис.8.4, в), на- зываемая иногда «2 х25 кВ». Еще более эффективной является система «2x25 кВ с автотрансформаторами», снижающая опасные влияния при- мерно в 8 раз, а мешающее влияние на кабельные цепи — в 7... 11 раз. Тяговые цепи электрической железной дороги постоянного тока. При электротяге постоянного тока в тяговую сеть от тяговых подстанций по- дается выпрямленный ток напряжением 3300 В. На дорогах России рас- пространено преимущественно шестифазное выпрямление. Поэтому выпрямленный ток для режима холостого хода тяговой сети получается как результат наложения полусинусоид частотой 50 Гц (рис.8.11). Посто- янная составляющая /0 не оказывает влияния на цепи связи. 17 Зак. 81 257
Индуктивные воздействия создаются только пульсирую- щим током /п, состоящим из симметрично расположенных верхушек синусоид. Рис. 8.11 Кривую пульсирующего тока можно разложить на ряд гармоник. Первая из них при шестифазном выпрямлении тока частотой 50 Гц будет иметь частоту 300 Гц, остальные — соответ- ственно 600, 900, 1200 Гц и т.д. Кривая тока тяговой сети под нагруз- кой обогащается рядом дополнительных гармоник. Амплитуды этих гар- моник незначительны по сравнению с амплитудой постоянной составляющей и уменьшаются с возрастанием частоты. Влияние тяго- вой сети снижается из-за экранирующего действия рельсов и двусто- роннего питания тяговой сети. Поэтому тяговые сети постоянного тока оказывают мешающее влияние только на цепи воздушных линий. Для того чтобы не относить линии, подверженные влиянию, далеко от железной дороги, на тяговых подстанциях всегда устанавливаются сглаживающие фильтры, уменьшающие амплитуды гармонических со- ставляющих в тяговой сети. Опасные влияния тяговой сети постоянного тока возможны только при ее включении и выключении или при замыкании на землю. Цепи автоматики, телемеханики и связи. Эти цепи могут оказы- вать только мешающие влияния друг на друга. При этом однопровод- ные и наложенные несимметричные цепи будут влиять значительно больше, чем двухпроводные, поэтому такие цепи имеют ограниченное распространение. 8.3. Особенности влияния на одно- и двухпроводные цепи Цепи автоматики, телемеханики и связи могут быть одно-, двухпро- водными и наложенными. Рассмотрим эти цепи с точки зрения подвер- женности их влиянию со стороны внешних электромагнитных полей, вызываемых другими электрическими цепями. 258
a б Рис. 8.12 Допустим, что имеется влияющая цепь 1 и однопроводная цепь 2, подверженная влиянию (рис.8.12,а). Когда влияющая цепь находит- ся под напряжением и по ней протекает ток, то в цепи 2 индуциру- ются напряжения и токи. При этом весь индуцированный ток проте- кает через нагрузки Z2, включенные в цепь. На них действует напряжение U2 = /2’Z2. Другое положение будет тогда, когда подверженной влиянию будет двухпроводная цепь (рис. 8.12, б). Вследствие явлений индукции оба провода двухпроводной цепи 2 и 3 окажутся под напряжения- ми соответственно U2 и Uy и по ним будут протекать токи 12 и 13. Если U2 и U3, то на нагрузках Z2, включенных на концах цепи, бу- дет действовать напряжение U2J = U2 - U3 и через них пройдет ток влияния /23 = 12 - 1у Рассмотрим причины, по которым U2 х U3 (12 х /3). Одной из при- чин являются различные расстояния от проводов двухпроводной цепи до провода влияющей цепи (at х д2). Это влияние, обусловленное нео- динаковым расстоянием проводов двухпроводной цепи до провода (про- водов) влияющей цепи, называют влиянием из-за поперечной асиммет- рии. Вторая причина, по которой U2 * Uy это продольная асимметрия двухпроводной цепи (см. п. 8.2). Для уменьшения влияний из-за поперечной асимметрии на воздуш- ных линиях применяют скрещивание проводов двухпроводных цепей, а в симметричных кабелях — скрутку жил в группу. Полное результирующее влияние в двухпроводных цепях вычис- ляют как геометрическую сумму двух составляющих, поскольку она 17 259
определяет наиболее вероятное значение суммы двух векторов с не- известными фазами. Следовательно, результирующее напряжение ^23 = 7(^23 Ь”+(^1з У , где (723 ’^23 —-напряжения, индуцированные соответственно из-за поперечной и продольной асимметрии. Методика определения составляющих при сближении линий авто- матики, телемеханики и связи с ВЛ и тяговыми сетями. Расстояние от ВЛ и тяговых сетей до линий автоматики, телемеханики и связи, имею- щих сближение с такими линиями, 10 м и более. Расстояние между про- водами цепей воздушных линий обычно 20—60 см, а между жилами кабельных цепей 1—4 мм. Провода воздушных линий скрещивают, а жилы кабельных цепей в симметричных кабелях скручивают. Поэтому, как правило, составляющая С^з» мала по сравнению с составляющей t/23 и практически достаточно вычислить С^з- Численно оценить влияние продольной асимметрии не удается ни рас- четами, ни измерениями из-за того, что продольная асимметрия неравно- мерно распределяется подлине цепи, различна для каждой цепи и изменя- ется во времени в зависимости от климатических условий и обслуживания линии. Чем лучше обслуживается линейное хозяйство, тем симметричнее цепи и тем меньше их чувствительность к индуктивным влияниям. Поэто- му для расчета составляющей U 23 применяют метод, который основан на использовании так называемого коэффициента чувствительности двухпро- водной цепи к помехам Т]. Этот коэффициент определяют по результатам многократных измерений на действующих цепях. Одна из возможных схем его измерений приведена на рис.8.13. В тракт «два провода — земля» через среднюю точку обмотки трансфор- матора Т1 от генератора G подается напряжение. При таком включении генератора в оба провода двухпроводной цепи подается одинаковое напряжение U}. Когда электрические параметры проводов цепи неоди- наковы, т.е. когда цепь обладает продольной асимметрией, то через ли- ^23UZ23 G и Рис. 8.13 260
нейную обмотку трансформатора Т2 пройдет ток, и на нагрузке Z23 бу- дет действовать напряжение U22 Это напряжение будет тем больше, чем больше продольная асимметрия двухпроводной цепи. Характери- зовать продольную асимметрию принято отношением которое и называют коэффициентом чувствительности двухпроводных цепей к помехам:!] = r]=U’23/U0. (8.1) Коэффициент чувствительности определяет методику расчета (72з • Очевидно, что С723 = Л ‘ Цу Когда коэффициент чувствительности ус- тановлен измерениями, то для определения С/23 достаточно рассчитать индуцированное напряжение UQ, которое является напряжением про- водов 2 и 3 относительно земли. Это позволяет определять Uf) как на- пряжение на конце изолированного провода. Методика определения двух составляющих при взаимном влиянии. Взаимные влияния рассматриваются для цепей, расположенных на од- них и тех же опорах или в одном кабеле. Расстояние между проводами (жилами) цепей соизмеримо с расстоянием между цепями. В этих усло- виях влияние обусловлено главным образом поперечной асимметрией. При этом цепи рассматриваются как симметричные с согласованными нагрузками. 8.4. Методика определения индуцированных напряжений и токов опасного и мешающего влияний Методику определения индуцированных напряжений и токов опас- ного и мешающего влияний удобнее рассматривать, когда влияющей цепью является однопроводная цепь, подключенная к источнику энер- гии. Цепь, подверженная влиянию, рассматривается как пассивная, ни- каких напряжений и токов, кроме индуцированных, в ней нет. Будем считать цепи однородными по длине и параллельными в пределах сбли- жения, длину цепей равной /, а сопротивление земли R3 > 0. Магнитное влияние. Допустим сначала, что цепь 2, подверженная влиянию, также однопроводная (рис. 8.14,а). Когда во влияющей цепи 1 протекает переменный ток 7], то в результате магнитной индукции по всей длине цепи 2 будет индуцироваться э.д.с., действующая вдоль про- вода и поэтому называемая продольной. 261
Рис. 8.14 /?3*° Значение продольной э.д.с. проще всего определить тогда, когда ток во влияющей цепи не изменяется в пределах всего сближения. Прак- тически это может быть при электрически коротких цепях. Для таких сближений индуцированная продольная э.д.с. 'Е * * * * * *2 = г12 ' Ц' 1 +-Л° • ’ А ’ 1 = г12 ’ Л ’ (8-2) где г12- сопротивление общей заземленной части цепей 1 и 2 на 1 км сближения; т 12—взаимная индуктивность между цепями 1 и 2 на 1 км сближения; /(о • т12 • /| • I — э.д.с., индуцированная из-за наличия между цепя- ми 1 и 2 взаимной индуктивности. Произведение г12 • 1} • I — падение напряжения от тока Ц на сопро- тивлении г12 7 общей заземленной части цепей 1 и 2. Величина Zi2 = (rI2 + уоми12) — полное взаимное сопротиаление це- пей / и 2 на 1 км параллельного сближения. Называют его также коэф- фициентом магнитной связи. Ток /2М, проходящий через нагрузки с сопротивлением Z2, включен- ные иа концах цепи, может быть вычислен как I ~Е2 2М 2Z2+Zn+r)2-Z ’ где Zn — сопротивление провода. Напряжение, действующее на нагрузках, Цм = 72mZ2. Если отключить нагрузки, включенные в цепь, то на изолированном проводе 2 будет действовать продольная э.д.с., определяемая по форму- ле (8.2). Распределение ее вдоль провода показано на рис.8.14,б. 262
При заземлении одного из концов провода 2 на изолированном кон- це будет действовать напряжение относительно земли, равное £2 (рис.8.14,в}. Под этим напряжением окажется человек, прикоснувший- ся к изолированному концу, или подключенный аппарат. Индуцирован- ный ток, проходящий через тело человека, может создать опасность для его жизни, а индуцированное напряжение — повредить изоляцию ап- парата. Поэтому при определении опасных магнитных влияний всегда вычисляют значение индуцированного напряжения на изолированном конце провода при заземленном другом конце. Когда подверженной влиянию является двухпроводная цепь, то в каждом ее проводе индуцируется продольная э.д.с., определяемая по формуле (8.2). На нагрузках, включенных в двухпроводную цепь, будет действовать напряжение (см. п. 8.3), обусловленное поперечной и про- дольной асимметрией. При влиянии ВЛ и тяговых сетей учитывают только продольную асимметрию. Тогда мешающее напряжение С^зм ’ индуцированное из-за продольной асимметрии, определяют умноже- нием напряжения на конце изолированного провода на коэффициент чувствительности: ^23М-О.5(ЛЕ2) (8.3) При влиянии между цепями автоматики, телемеханики и связи рас- четами определяют значения индуцированных напряжений (токов), обус- ловленных только поперечной асимметрией и при согласованных на- грузках. Эти значения можно вычислить по формуле ^23м -0,5(zj2 111), где Z]'2 — коэффициент магнитной связи между однопроводной влия- ющей цепью и двухпроводной, подверженной влиянию. Коэффициент Z|'2 обусловлен различными расстояниями проводов двухпроводной цепи от влияющего провода. Все изложенное справедливо не только при влиянии однопровод- ных цепей, но и многопроводных. Магнитные связи должны быть оп- ределены как эквивалентные с учетом связей, возникающих между все- ми проводами обеих цепей. Более сложным представляется случай сближения длинных цепей, когда необходимо считаться с изменением напряжения и тока в цепях вследствие волновых процессов. 263
Поскольку формулу (8.2) можно использовать только при достаточ- но малых участках сближения, применим ее к эквивалентному участку dx, который выделим на расстоянии х от начала сближения (рис.8.15,а). Продольная э.д.с., индуцированная в цепи 2, на этом участке: ~^2х ^12 ’ ' С^Х' (8.4) где 7] v — ток в цепи 1 на элементе dx. Ток dl^ на элементе dx, вызываемый продольной э.д.с., можно най- ти, рассматривая элемент dx как цепь с сосредоточенными параметра- ми в соответствии с эквивалентной схемой элемента dx (рис.8.15,6): где ZBxl и ZBx2 — входные сопротивления цепи 2 соответственно влево и вправо от элемента dx. Значения входных сопротивлений зависят от волнового сопротивле- ния цепи и от сопротивления нагрузок концов цепи. Эквивалентная схема влияния на элементе dx через электрическое поле приведена на рис.8.15,в. Электрическое влияние. Если цепь 1 находится под напряжением Ц, то через емкость между проводами цепей 1 и 2 и проводимость изо- ляции ток проходит с провода 7 на провод цепи 2 (рис.8.16, а). Когда а I 77/27 77/ 77777777/ 77727/ /77 2/Г227~77/ 77727772/ 277 Л’/ТЛ’ /Л1 2/Г222 772 227722 27722, 777 22/22 772 777227772 777727722 77722772/ 777222722*277 227722 777 /27272 777227772 772 /27222 Рис. 8.15 264
Рис. 8.16 цепи короткие и с волновыми процессами можно не считаться, то на- пряжение Ul постоянно по всей длине сближения. Тогда ток, переходя- щий в провод 2, на всей длине сближения /2Э = ^2Ц l+J^CuU}l= YnU^l, (8.6) №g|2 — проводимость изоляции между проводами цепей 1 и 2 на 1 км сближения; С]2— емкость между проводами цепей У и 2 на 1 км сближения; У]2— полная взаимная проводимость между цепями 1 и 2, приходя- щаяся на 1 км сближения. Параметр Y= l23! U\l = g]2 +ja>C12 называют также коэффициентом электрической связи. Напряжение, индуцированное из-за электрического влияния, дей- ствует между проводом и землей, в отличие от магнитного влияния, при котором индуцированное напряжение действует вдоль провода. Поэтому ток 72Э’ перешедший с цепи 1 на цепь 2, будет протекать через нагрузки, включенные в цепь в одном направлении, и через каждую из них (когда они одинаковы) пройдет ток 0,5 123. При отключении нагрузок, включенных на конце цепи 2, по цепи «провод 1 — провод 2 — земля» пройдет ток 123 электрического влия- ния (рис. 8.16,6) равный 72Э=Ц(Г12+У2), <8-7) где Y2 — полная проводимость провода 2 относительно земли на 1 км сближения. Полная проводимость К2 = /2+ 265
Электрическое влияние ВЛ и тяговых сетей на цепи автоматики, теле- механики и связи имеет смысл учитывать лишь тогда, когда обе линии воздушные, так как металлические защитные покровы кабелей или слой земли, покрывающий подземный кабель, практически полностью устра- няют воздействие электрического поля. При таком условии допустимо пренебречь проводимостью изоляции между проводами 1 и 2, между проводом 2 и землей, а также полагать, что У2 =уо)С2, а У12 =/(оС/2. Тогда уравнение (8.7) имеет вид 1 1 ;®с12 + ;®с2 Поскольку С|2 « С2, то |/2э1 = <oC]2C/j ? , (8.8) а напряжение (72Э провода 2 относительно земли, называемое также потенциалом провода, будет одинаково по всей длине провода |^2э| = | ^2э| 1 ®с2 / = ц^-. С2 (8.9) В случае прикосновения человека к изолированному проводу 2 через него практически пройдет весь ток /2Э. Поэтому при определении опас- ного электрического влияния всегда устанавливают значение этого тока. Индуцированное мешающее напряжение, действующее в двухпро- водной цепи {/23э , вычисляют с помощью коэффициента чувствитель- ности (см. п.8.3). В данном случае оно будет определяться через ток [723Э = 0,5q723Z23, (8.10) где Z23 — сопротивление нагрузок, включенных в двухпроводную цепь. При взаимном влиянии расчетом определяют индуцированное на- пряжение С/23э , обусловленное поперечной асимметрией, t/’зэ =0,5 Y{2u}z23l, где У|2 — коэффициент электрической связи между однопроводной влияющей цепью и двухпроводной цепью, подверженной влиянию. 266
Как и при магнитном влиянии, все указанное справедливо при вли- янии не только однопроводных, но и многопроводных цепей. Электри- ческие связи между цепями должны быть определены как эквивалент- ные с учетом связей, возникающих между всеми проводами цепей. Поэтому в дальнейшем подУ)2 будем полагать электрические связи между всеми проводами рассматриваемых цепей. Когда обе цепи длинные и необходимо учитывать изменение напря- жения и тока вследствие волновых процессов, определять индуцирован- ные напряжения можно тем же способом, как и при магнитном влиянии. Сначала, пользуясь уравнением (8.6), следует найти значение тока, пере- шедшего с цепи 1 на цепь 2 на элементарном участке dx (см. рис.8.15, а): d^2x~ Y12 U\x (S’”) где U\ х — напряжение в цепи / на элементе dx. Затем на основании эквивалентной схемы участка сближения dx (см. рис. 8.15,в) определить действующее на этом участке напряжение: _ dI2X dU2*~Z-l....Ту-Г’ (8.12) zBxl + zBx2 где ZBxl и ZBx2 — входные сопротивления цепи соответственно влево и вправо от элемента dx. Зная значения индуцированных токов и напряжений магнитного и электрического влияний на элементе dx и полагая, что этот элемент яв- ляется началом цепи, несложно определить напряжения (токи) на лю- бом из концов цепи 2, пользуясь основными уравнениями линии. Пол- ное индуцированное напряжение (ток) вычисляют суммированием индуцированных напряжений (токов) со всех элементарных участков в пределах сближения цепей. Общая методика определения индуцированных напряжений и токов при влиянии ВЛ и тяговых сетей, а также при взаимном влиянии между цепями автоматики, телемеханики и связи справедлива, поскольку ос- новная причина индуктивных влияний одна и та же — внешнее пере- менное электромагнитное поле. Однако по ряду причин для решения практических задач удобнее рассматривать отдельно влияние ВЛ и тя- говых сетей на цепи автоматики, телемеханики и связи и взаимные вли- яния между цепями. 267
БК дк Электромагнитное влияние. При одновре- менном воздействии маг- нитного и электрическо- го полей цепи 1 на цепь 2 Рис. 8.17 токи магнитного и элект- рического влияний в при- емнике левого конца текут с одинаковыми фазами, а в приемнике пра- вого — в противофазе (рис. 8.17), и суммарное влияние будет различно для разных концов цепи. В связи с этим при расчетах влияний принято различать ближний (БК) и дальний (ДК) концы цепи, подверженной влиянию. Ближним называют тот конец, который совпадает с генера- торным концом влияющей линии, другой конец называют дальним. 8.5. Особенности расчетов внешних и взаимных влияний Установленные в процессе рассмотрения общего случая сближения двух цепей, из которых одна влияющая, а другая — подверженная вли- янию (см. п. 8.4), общие закономерности перехода энергии с одной цепи на другую справедливы как для внешних влияний ВЛ и тяговых сетей, так и для взаимных влияний между цепями связи. Дальнейшая задача состоит в том, чтобы определить напряжения и токи, которые индуцированная энергия возбуждает на ближнем и даль- нем концах цепи, подверженной влиянию в частных случаях внешних или взаимных влияний. Решение получится проще, если с самого нача- ла учесть ряд факторов, характерных для этих частных случаев. Внешние влияния. В пределах одного усилительного участка цепи связи на длине гальванически неразделенной цепи, не имеющей усили- телей, размещается, как правило, несколько тяговых плеч тяговой сети или плеч питания ВЛ автоблокировки. Опасные и мешающие влияния в таких случаях рассчитывают отдельно для каждого влияющего плеча, а затем геометрически суммируют на всем протяжении сближения. Высоковольтные линии энергосистем имеют с железнодорожными ли- ниями связи протяженность сближения, не превышающую нескольких десятков километров. Поэтому для расчетов влияний ВЛ и тяговых се- 268
тей должен быть рассмотрен наиболее общий случай, когда длина цепи, подверженной влиянию, больше длины сближения с влияющей лини- ей. Волновые процессы во влияющих линиях не учитываются, для чего в расчетах полагают, что их коэффициент распространения У] = 0. Высокие уровни энергии, передаваемой по ВЛ и тяговым сетям, обус- ловливают необходимость расчета влияний для нормального и аварий- ного их состояния. При этом учитывают электрическое и / или магнит- ное влияния в зависимости от характера влияющей линии. При одновременном воздействии электрических и магнитных влияний, при- меняют закон квадратичного сложения указанных составляющих. При расчетах влияний на двухпроводные цепи принимают во внимание толь- ко продольную асимметрию цепей, подверженных влиянию. Взаимные влияния. В этом случае влияющая цепь и цепь, подвер- женная влиянию, расположены близко друг к другу на общих опорах или в одном кабеле. Электрические параметры цепей различаются не- значительно, уровни передаваемой по цепям энергии имеют один по- рядок, как правило, это цепи двухпроводные с согласованными нагруз- ками. Влияние между ними рассчитывают для каждого усилительного участка, считая что длины цепей совпадают. Обе цепи могут работать в широком диапазоне частот. Поэтому необходимо учитывать волновые процессы как во влияющей цепи, так и в цепи, подверженной влиянию (У! *0иу2 *0). Из-за близкого расположения цепей друг к другу приходится счи- таться с одновременным воздействием электрического и магнитного полей. По этой причине, а также вследствие широкого спектра частот, передаваемых по цепям, учитывают влияние главным образом из-за поперечной асимметрии, а также влияние через соседние, так называе- мые третьи цепи, и влияние из-за отражений по причине несогласован- ности волновых сопротивлений отдельных участков цепей и др. 8.6. Коэффициенты связи Коэффициент электрической связи У|2 (см. п. 8.4) является коэффи- циентом пропорциональности между напряжением во влияющей цепи и индуцированным током цепи, подверженной влиянию, а коэффициент магнитной связи Z]2 — коэффициентом пропорциональности между то- 269
ком во влияющей цепи и индуцированной продольной э.д.с. На коэффи- циенты связи решающее влияние оказывает окружающая среда, учесть все факторы воздействия которой невозможно. Поэтому при определе- нии коэффициентов связи вносят ряд предложений и допущений. Коэффициенты электрической связи между цепями ВЛ, тяговыми сетями и проводом линии автоматики, телемеханики и связи. Рассмат- ривать электрическое влияние цепей ВЛ на линии автоматики, телеме- ханики и связи имеет смысл только тогда, когда обе линии воздушные, так как металлические защитные покровы кабельных линий и земля- ной покров подземных кабелей практически полностью устраняют воз- действие электрического поля. Поэтому при определении коэффициен- та электрической связи между такими цепями У, 2=gj 2 +/<o С, 2 активной составляющей g, 2 пренебрегают из-за малых потерь в окружающей сре- де и учитывают только реактивную составляющую /со С12, где С12 — коэффициент взаимной емкости между проводами влияющей и подвер- женной влиянию цепей. Таким образом, определение коэффициентов электрической связи между цепями ВЛ, тяговыми сетями и проводами цепей автоматики, телемеханики и связи сводится к определению ко- эффициентов взаимной емкости между влияющей цепью (в общем слу- чае многопроводной) и одно — или двухпроводной подверженной вли- янию цепью, находящейся в пучке проводов. Значение взаимной емкости зависит не только от геометрических размеров проводов, расстояния между ними, высоты подвеса, схемы рассматриваемых цепей, но и от влияния соседних заземленных прово- дов, подвешенных на тех же опо- рах. Заземленные провода не- сколько снижают напряженность влияющего электрического поля, а изолированные не оказывают заметного действия, если диамет- ры проводов малы по сравнению с расстояниями между ними. Коэффициент взаимной ем- кости между параллельно рас- положенными однопроводной ВЛ и проводом линии связи. 270
Пусть провода 1 (ВЛ) тлА (связи) (рис.8.18) имеют в условиях работы на единицу длины напряжения Ц и UA относительно земли несут за- ряды qx и qA. Коэффициент взаимной емкости (С}_А) устанавливает пропорциональную связь между зарядом qA и вызвавшим его напря- жением Ui Cl-A= 4aiu\’ Значение заряда qA определяется в предположении, что UA = 0, т.е. провод А заземлен. Коэффициент взаимной емкости может быть рассчитан по формуле: (от+ 2) (а 2 +Ь2 + с2)’ где Ьис — средняя высота подвеса над землей соответственно прово- дов ВЛ и линии связи; от — число заземленных проводов на линии связи; а — расстояние между линиями. Коэффициенты взаимной индуктивности между цепями ВЛ, тя- говыми сетями и однопроводной цепью автоматики, телемеханики и связи. Определение коэффициентов взаимной индуктивности между цепями ВЛ, тяговыми сетями и однопроводной цепью автоматики, те- лемеханики и связи представляет значительные трудности, так как не- обходимо учитывать проводимость земли. Для пояснения влияния проводимости земли на коэффициенты вза- имной индуктивности, а следовательно, и на индуцированную э.д.с. пред- положим, что имеется две однопроводные цепи. Активная составляю- щая полного взаимного сопротивления ZI2 (из формулы 8.2) обусловлена потерями на вихревые токи в земле, а также непосредственным перехо- дом тока через землю. Реактивная составляющая сопротивления Z12 за- висит от глубины прохождения тока в земле. На эту составляющую вли- яют проводимость земли и частота тока (требуется учитывать явление поверхностного эффекта). Чем больше петля тока, тем больший маг- нитный поток охватывает провода других цепей, расположенных в зоне действия этого магнитного поля. Следовательно, чем больше петля, тем больше взаимная индуктивность между влияющей цепью и со- седними цепями. 271
«1 e3 e2 — ЬЭ W -и СЛ О оо Q Q 8 О О О — tc Gm .U сл Qi-4QO<00 О О О О О О 8 О 8 8 S 8 8 8 О 8 8 8 QO 1. * 1 1 1 1 < 1 111 пни iHihnimmh mlii Jihinh.ihniiHl i i > i 1 t i i i Imihnihmuit i и il и n.iHihnilnalnul i ы i 11 i I ill i и iiihh tilii.l 11 iduiiinuliiduiilitil nil i.iu i.lininuduwimi.i i и inn} ме i i гры ; i E-6000 M 5-5OOO г 4000 4 hooo 7 =-2000 1 i-1000 ; hoo j f-600 i =-500 j 5-400 :: г 300 J 5-200 1 7150. -j 5-100 j p80 I 5-60 1 Й0 1 i-40 'I 730 5-20 ] ^10 i J r8 --7 '= 5-6 j r5 н -i b 5-2 1 : 1 1 . ПППППШТТТТПТПIГГГТ m i iii«winiiiiirriniiTmniiii»inuii пшигп11т т i о пищiirniii111nhiiiii i inwuMiiiiuiinn11 < < < t r nunMMiinniirniiiBJumimiiinniHiii гтт i нч r to s > <3 2 ' T, S \ О S 2 c*5 \ - § § £ \ g to e^s g, § s I \ B-3 £ 5 33S-° °°° ° ° °2 s 8 8',88 88 88§§iii§§l§ О ООО — ечсош — СЧ Trio — CM CO t ТГ u5 О b- ООО) — — — Cm/m r 400-10" ?300 r 200 150 100 teo г 70 h 6o |-50 5-40 Г 30 5-20 7 15 r 10 r9 Г8 ^7 ^6 =-5 H i-3 ?2 7 1,5 r 1.0 r8;i i-0,7 ?0.6 j-0,5 0,4 =-0,3 5-0,2 i.0,1 Рис. 8.19 272
На основании выражения (8.2.) полное взаимное сопротивление между цепями на 1 км сближения будет равно Z12 - r12 + >w12 = У®| w12 - j^2- I- \ 03 / Обозначив | /Я|2 - j^-1 через Ml2, получим (O |Z12! = (oA/,2, (8.13) где — коэффициент взаимной индуктивности. Модуль коэффициента взаимной индуктивности между однопровод- ными цепями обычно обозначают М. С достаточной для практики точ- ностью модуль взаимной индуктивности на частоте 50 Гц между кон- тактной сетью 25 кВ и подверженными влиянию проводами можно определить по номограмме (рис.8.19} [11]. Коэффициенты электромагнитной связи между двухпроводны- ми цепями при взаимном влиянии. Взаимные влияния между цепя- ми обусловлены главным образом поперечной асимметрией, т.е. не- симметричным взаимным расположением проводов (жил) влияющих цепей и цепей, подверженных влиянию (см. п. 8.3). Несимметричное расположение проводов цепей относительно друг друга, оболочек и экранов является основным фактором, определяющим появление элек- трических (У]2 = g12 + уо>С12) и магнитных (Z12 = rl2 + Jwmj2) связей между цепями. На рис.8.20,а показано две цепи: влияющая с проводами (жила- ми) 1—2 и подверженная влиянию с проводами 3—4 (жилами) ка- беля. Частичные емкости между проводами С13, С14, С23, С24, отне- сенные к единице длины однопроводной линии, образуют так называемый электрический мост. Если провода расположены не- симметрично относительно друг друга, т.е. когда имеется попереч- ная асимметрия, равновесие моста не будет, между цепями возни- кает емкостная связь: С12 = (С13 + С24) - (С|4 + С23). В этом случае значение тока помехи в цепи, подверженной влия- нию, будет пропорционально напряжению во влияющей цепи и зна- чению С|2. 18 Зак. SI 273
Рис. 8.20 Аналогично могут быть представлены: индуктивная связь (рис.8.20,б) т12 = <ОТ13 + От24) ~ 0”l4 + от2з)» активная составляющая электрической связи gl2 = tel3+«24)~fe|4 + ^23): активная составляющая магнитной связи Г12 = (Г13 + Г24^ ~ (г14 + г2з)' При взаимных влияниях всегда учитывают совместное действие элек- трического и магнитного полей, и поэтому необходимо рассматривать отдельно влияние на ближний и дальний концы (см.п .8.5). Когда цепи короткие и имеют согласованную нагрузку, то токи электрического вли- яния /20 на ближнем и /21 на дальнем концах (на 1 км сближения) согласно уравнению (8.6) могут быть вычислены по формуле ^20 "^21 “~2 *12^1’ где У] 2 - коэффициент электрической связи между двухпроводными цепями в данном случае. При согласованной нагрузке Ut = • ZBX, где Zffl — волновое сопро- тивление влияющей цепи; 1Х — ток во влияющей цепи, 274
ho “hi “2^12^bi- Токи магнитного влияния на ближнем /20 и дальнем /2/ концах так- же на 1 км сближения согласно уравнению (8.2) могут быть рассчитаны по формуле где Z12 - коэффициент магнитной связи между двухпроводными цепями; ZB2 — волновое сопротивление цепи, подверженной влиянию. Токи электрического и магнитного влияний на ближнем конце име- ют одинаковое направление (см. п. 8.4), а на дальнем — противополож- ные. Поэтому токи электромагнитного влияния на ближнем /20 и даль- нем /2/ концах определяются из уравнений ho “ ho + ho “0,5/)0| K12ZB| + 712- |; (8.14) \ / (2 \ • (8.15) ДВ2 ) В (8.14) и (8.15) выражения в скобках являются характеристиками суммарного электромагнитного влияния на ближний и дальний концы и определяют отношение токов во влияющей и подверженной влиянию цепях. Поэтому их называют коэффициентами электромагнитной связи на ближний Nl2 и дальний F12 концы: Z / 7 \ N12 “^ho^io “Y12ZBI +'^~“^Bll ^12 + 7 7 |’ (8.16) ZB2 ДВ1ГВ2 / F12 - 2I2l I /10 - rI2ZB1 - 7й- - zJ y12 - (8.17) ZB2 \ ZBIZB2 ) Если Nl2 и F|2 относят не к 1 км сближения, а к другой длине, на- пример строительной длине кабеля, то их называют электромагнитны- ми связями. IX* 275
На воздушных линиях провода расположены на значительном рас- стоянии друг от друга, окружающей средой является воздух, активны- ми составляющими связей g)2 и г12 можно пренебречь, тогда Мг = ^В1 (^12 + ~ + ~ J (8.18) \ ZB1ZB2 ) \ ЛВ\^В2 ) ^12 “ ZBl(Yt2 “ 7 7 ] ~ 7 7 V (8.19) \ zbizB2 / \ zbizb2 / Обозначив С|2 + —~а С)2------------—— = , получим: ^B1^B2 ZB]ZB2 jV12 =/<oZB1AT0; (8.20) F\2=:JwZBlKe- (8-21) При рассмотрении взаимных влияний между цепями воздушных линий обычно коэффициентами электромагнитных связей называют не параметры W12 и F|2, а параметры KQ и К(. Они имеют размерность емкости. Исследования показывают, что для цепей с медными провода- ми К f составляет 5—6 % Ко. При определении /п)2 допустимо не учитывать влияние проводимо- сти земли по той причине, что расстояние между проводами значитель- но меньше, чем высота их подвеса над землей. Поэтому значения С12 и /И]2 будут зависеть в основном от расстояний между проводами. Коэффициент С] 2 (Ф / км) вычисляют по формуле, полученной из решений уравнений Максвелла, С|2 -13900 ln(riyZY2^10~12, (8 22) 1п(а/г/ ’ где а, г14, г23,г)3, г24 — расстояния между проводами I—4 (рис. 8.21). Коэффициент индуктивной связи тхг (Гн / км) определяют как вза- имную индуктивность между двумя петлями (цепями) по формуле т12 - 200 In ^^2-10"6 . (8 23) Пзг24 276
—V--- II цепь Рис. 8.21 Рис. 8.22 Между емкостными и индуктивными связями действует соотношение w12/c12=Zb, (8-24) где ZB — волновое сопротивление цепей. В кабелях жилы покрыты изоляцией и расположены близко друг от друга и металлических защитных покровов, поэтому пренебре- гать активными составляющими связей g]2 и /и12 нельзя. В этом случае коэффициенты электромагнитных связей определяются урав- нениями (8.16) и (8.17). Измерения активных и реактивных состав- ляющих электрических и магнитных связей r|2, g12, С12, /и)2 при различных частотах в строительных длинах кабелей со звездной скруткой показывают: в диапазоне тональных частот (до 4 кГц) влияние между цепями обус- ловлено в основном электрическими связями, тогда как магнитные свя- зи не превышают 10 % электрических связей, активные составляющие электрических и магнитных связей пренебрежительно малы по сравне- нию с их реактивными составляющими; в диапазоне частот более 10 кГц удельный вес электрических и маг- нитных связей примерно одинаков, активная составляющая электри- ческой связи обычно не превышает 5—15 % ее реактивной составляю- щей, а активная составляющая магнитной связи достигает 25—30 % реактивной. Примерное соотношение связей внутри четверки при различных частотах в процентах от общего значения связи приведено на рис.8.22. Поскольку в диапазоне тональных частот преобладают электричес- кие связи, активные составляющие которых малы, то в расчетах влия- ний между кабельными цепями в этом спектре частот достаточно учесть 277
только емкостную связь. В высокочастотном диапазоне необходимо счи- таться со всеми четырьмя видами связи. По техническим условиям на строительные длины кабелей связи нормируется емкостная связь С)2. Поэтому индуктивную связь легко определить по формуле ml2 = C12Zb • Контрольные вопросы 1. Какие влияния принято называть внешними, а какие взаим- ными? 2. На какие две группы условно разделяют все влияния по своей природе, чем это вызвано? 3. В каких трактах обычно наблюдаются опасные (мешающие) влияния? 4. Каковы характеристики цепей как влияющих? 5. Каковы характеристики цепей как подверженных влиянию? 6. Что характеризуют коэффициенты электрической, магнитной и электромагнитной связи, какова область их использования?
Глава 9 ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЦЕПИ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И МЕРЫ ЗАЩИТЫ 9.1. Влияние внешних электромагнитных полей на цепи автоматики, телемеханики и связи 9.1.1. Классификация источников внешних влияний и их характеристики Источники внешних электромагнитных влияний на цепи автоматики, телемеханики и связи весьма разнообразны как по своей природе, так и степени воздействия. Наряду с тяговыми сетями электрифицированных железных дорог, высоковольтными линиями электропередачи (ВЛ), вли- яния которых подробно рассмотрены в предыдущей главе, к ним можно отнести и грозовые разряды, оказывающие при различных условиях как опасные, так и мешающие влияния, радиостанции, создающие помехи в цепях, разнообразные промышленные источники электромагнитных по- лей (двигатели, генераторы, сварочные агрегаты и т. п.). Так, радиостанции, работающие в диапазоне длинных волн, могут ока- зывать мешающее влияние на цепи кабельных линий связи с частотными системами, работающими в том же диапазоне частот, а грозовые разряды могут создавать как опасные, так и мешающие напряжения на линиях ав- томатики и связи различного типа. В табл.9.1 приведены источники внеш- них влияний и указаны режимы их работы, требующие учета, при расчете опасных и мешающих влияний на кабельные и воздушные линии. 9.1.2. Особенности расчета влияния на цепи автоматики, телемеханики и связи Напряжения и токи магнитного влияния определяют без учета или с учетом волновых процессов в зависимости от вида линии, подвержен- 279
Таблица 9.1 Источник внеш- них влияний Режим воздей- ствия (работы) Кабельные линии автоматики, телеме- ханики и связи Воздушные линии автоматики, телеме- ханики и связи Опасное влияние Мешающее влияние Опасное влияние Мешающее влияние Тяговая сеть Вынужденный + + 4- 4- переменного тока Режим короткого замыкания + + 4- 4- Тяговая сеть Нормальный - - - 4- постоянного тока Режим короткого замыкания — — 4* 4- ВЛ с изолирован- ной нейтралью Нормальный - - - + Аварийный - - 4- 4- ВЛ с заземленной нейтралью Нормальный - + 4- 4- Аварийный - 4- 4- Линии сильного тока (осветитель- ные сети) Нормальный - - - - Сообщение + 4- 4- 4- Промышленные источники помех (двигатели, гене- раторы и т.п.) Нормальный - 4- - 4- Радиостанции Передача 4- - - Грозовые разряды Прямой удар + 4- + 4- Индуктивное воздействие — 4- 4- 4- ной влиянию (воздушная или кабельная), ее длины, условий сближения и частоты тока. Для расчетов без учета волновых процессов, так же как и при электрическом влиянии, справедливы формулы, приведенные в п. 8.4. Формулы для определения индуцированных напряжений и токов с учетом волновых процессов можно получить, если поставлены конк- ретные условия задачи. При сближении линий автоматики, телемеха- ники и связи с ВЛ и тяговыми сетями чаще всего приходится проверять возможность появления опасных напряжений, а также мешающих на- 280
пряжений в двухпроводных цепях. Для решения этих задач, как извест- но, необходимо вычислять напряжение, индуцированное на конце изо- лированного провода при заземленном другом его конце (для опреде- ления опасного влияния), и индуцированное напряжение на конце изолированного на двух концах провода (для определения мешающего влияния в двухпроводной цепи). Расчеты выполняются для гальвани- чески неразделенных цепей, т. е. для цепей, не имеющих разрывов для протекания постоянного тока. 9.1.3. Определение индуцированных напряжений и токов Для получения расчетных формул с учетом волновых процессов удоб- нее рассматривать конкретные задачи, принимая во внимание особен- ности учета влияний ВЛ и тяговых сетей. Напряжения и токи электрического влияния ВЛ и контактных сетей практически принято определять без учета волновых процессов во вли- яющих цепях и в цепях, подверженных влиянию. При таком условии и параллельном сближении индуцированные напряжения и токи можно вычислить по формулам, приведенным в п. 8.4. (опасный ток для чело- века, прикоснувшегося к изолированному проводу или к проводу двух- проводной цепи по формуле (8.8); потенциал провода относительно зем- ли по формуле (8.9) и т. д.) с подстановкой в них значений коэффициентов емкостной связи. При определении потенциала, индуцированного на изо- лированном проводе, по формуле (8.9) следует учитывать длину прово- да, подверженного влиянию. Если его длина / больше длины сближе- ния /р, то в формулу следует ввести множитель / / /, так как индуцированный заряд будет растекаться по всей длине провода, и по- тенциал его будет снижаться. Рассмотрим наиболее общий случай, когда длина провода (жилы кабеля), подверженного влиянию, больше длины сближения /> 1р (рис. 9.1). На этом рисунке (710 и /10— напряжение и ток в начале влия- ющей цепи 1; Y| и у2 — коэффициенты распространения волны цепей 1 и 2; ZB1 и ZB2 — волновые сопротивления цепей 1 и 2; С72о и U2/ — индуцированные напряжения соответственно на ближнем и дальнем концах цепи 2. 281
, Ую ho Yj ~0 dx Ulxhx zBl _ ' ф л ! х г- Zl2dx /j2 dx Ф 1 ZB2 i ^21 2< ( и 20 1 Y2 * 0 1 1 1 1 i 1 т 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 , h j 1 h J I J Рис. 9.1 Провод изолирован иа обоих концах. Распределение напряжения и тока по любой цепи длиной / с несогласованными нагрузками на кон- цах характеризуется основными уравнениями линии UH = UKchyl+IKZBshyl-, (9.1) /ц = chy/ + (t/^/ZB) shy/, где Uw ZH — напряжение и ток в начале цепи (у генератора); С/к, — напряжение и ток в конце цепи (у приемника); у — коэффициент распространения волны; ZB — волновое сопротивление цепи. Когда цепь на конце изолирована, то ток /к = 0. Для такой цепи второе уравнение в (9.1) будет иметь вид ~ (CW shyA отсюда напряжение на конце цепи t/K = /HZB/shy/. (9.2) Поскольку источником энергии, распространяющейся по цепи 2, является не собственный генератор, включенный на конце цепи, а вли- яющий провод I в пределах длины сближения I р, то началом цепи сле- дует считать каждый элементарно малый участок сближения dx, на ко- тором индуцируются токи и напряжения вследствие электрической и магнитной связи между цепями. Для участка dx эти токи и напряжения определены в п. 8.4. 282
Если /(и /2 индуцированные напряжения на концах цепи 2 будут не одинаковы. Поэтому необходимо определять напряжения на ближнем и дальнем концах цепи 2. На ближний конец цепи 2 с элемента dx поступит напряжение, зна- чение которого на основании выражений (8.5) и (9.2) можно опреде- лить из выражения ^20 = Y?*) = ^гАх^вг [sb Y2x(ZBxl + ZBx2^’ Значения входных сопротивлений при изолированных концах про- вода или жилы кабеля равны ZBxi ~ ZB2cth у2х! ^вх2 = ^B2cth “•*)• Ток на элементе dx в первой цепи Ilx = /10, тогда dU2Q = Z12Z10 <fr/{sh Yjxjcth YjX + cth y2(l ~ *)]} = = Z12Z10 sh y2G -x)dx/shy2l. Напряжение, действующее на ближнем конце цепи 2, индуцировано на всей длине сближения />+/₽ ^20 “(zi2Ao/shY2 0 рЬу2(/-х)о!г. А После интегрирования и подстановки значений пределов интегри- рования получим: C/jq — Z|2 Z|q [сЬу2(/ — /р — ch Y2^2] / (Y2shY20- (9-3) При /j = l2 = 0, будем иметь Цго = (zi2 Ло АГг) ^у2(^/2). Если цепи короткие и |у2Л « L то Иту2(//2) - ч2(112} и, следовательно: С/20 = 0,5 Z]2/10/ = £/2. Напряжение dU2l, действующее на дальнем конце цепи можно опре- делить из выражения dU^dl^^h^l-x)]. 283
После преобразований и подстановок, аналогичных выполненным выше для ближнего конца, получим полное напряжение (72/: (72/ = Z|2 /10 [chy2(Z — /2) - chY2/|]/(Y2shy2Z). (9.4) Если длины цепей совпадают, т. е. /( = /2 = 0, то t/2/ = (Z12/!0/Y2)thY2(V2)- На ближнем и дальнем концах ток магнитного влияния имеет противоположные направления. Поэтому когда цепи короткие и thY2(/ / 2) <» y2(//2), то U2i = - 0,5 Z)2/lo/ = - Е/2, что соответствует рис. 8.14,6. Провод изолирован на одном конце и заземлен на другом. В этом случае формула для определения напряжения, индуцированного на эле- менте dx и действующего на ближнем конце, будет иметь вид ^^20 ~~ ~~ Z12ZlxZB2tZ*/[shY2x(ZBxl ZBx2^' Пусть дальний конец замкнут на землю, тогда входное сопротивле- ние ZBx2 = ZB2 Игу2(/ -х). Учитывая, что /]г = /10, получим ^^20 = Z12 Ло Z^dx I + ~Х)П = = Z12 /|0 сЬу2(/ - х) c£t/chY2/. Полное напряжение относительно земли на изолированном конце Z720 =(Z12Zi0/ch y2 0 JchY2(/-x)tZr. А После интегрирования и подстановки значений пределов интегри- рования получим: ^2о = zi2 Ло [shY2<z~ ~ Если длины цепей 1 и 2 совпадают, то полное напряжение ^20 = (zi2 Л(/ Если цепи короткие и thy2/«121, то t/20 = zi2Zio что соответ- ствует рис. 8.14,в. При выводе формул, устанавливающих значения индуцированных напряжений и токов, предполагалось, что линии на участках сближе- 284
Рис. 9.2 ния — параллельны. В реальных условиях параллельные сближения встречаются не часто. Поэтому, допуская погрешности в расчетах, к параллельным сближениям относят такие, у которых ширина сближе- ния, т. е. кратчайшее расстояние между цепью 1 и цепью 2, отличается от среднего значения не более чем на 10 %. Если это условие не соблю- дается, сближения называют косыми (рис. 9.2, а). Чтобы можно было воспользоваться полученными формулами рас- чета индуцированных напряжений и токов на участках косого сближе- ния, эти участки заменяют параллельными с эквивалентной шириной сближения а}. За эквивалентную ширину сближения принимают сред- негеометрическое значение расстояний между линиями в начале и кон- це участка: аэ = . При этом длина участков сближения должна быть такой, при которой отношение большего расстояния между цепя- ми к меньшему было бы не более трех (нарис. 9.2,6 a2/at< 3). Эквива- лентная длина определяется как проекция цепи, подверженной влия- нию, на ось влияющей цепи. Сближения, состоящие из параллельных и косых участков, называют смешанными или сложными. Для определения индуцированных напря- жений и токов при таких сближениях сначала определяют напряжение или ток на каждом параллельном и косом участках. Затем результаты рас- четов алгебраически складывают. Расчеты выполняют в пределах галь- ванически неразделенных участков цепей, подверженных влиянию, т. е. таких, которые не содержат трансформаторов, усилителей и т. п. Приводимые в литературе формулы для практических расчетов вли- яний ВЛ и контактных сетей в различных режимах их работы составле- 285
ны на основании формул, приведенных в главах 8 и 9. В этих формулах некоторые величины, являющиеся в условиях данного конкретного рас- иста постоянными, включаются в числовые коэффициенты (расчетная частота тока, коэффициент перехода от фазового напряжения к линей- ному и др.). Вводятся в расчетные формулы также коэффициенты экра- нирования заземленных проводов, металлических оболочек кабеля, рельсов и т. д. Теоретически определить значения ряда величин, входя- щих в расчетные формулы, невозможно, поэтому в инструктивных ма- териалах по защите линий автоматики, телемеханики и связи приводят- ся режимы работы влияющих цепей, принимаемые при расчетах опасных и мешающих влияний; методика расчетов влияний; методика нахождения коэффициентов связи, коэффициентов экранирования ме- таллических защитных покровов кабелей и т. д., а также другие сведе- ния, необходимые или облегчающие выполнение расчетов, техничес- кие требования к обслуживанию линий. Правила [11] обязательны для работников, имеющих отношение к проектированию, строительству и эксплуатации линий. Некоторые положения из этих правил приводятся ниже. Опасное электрическое влияние на цепи воздушных линий связи рассчитывают только при сближении с симметричными ВЛ с изолиро- ванной нейтралью в режиме заземления одной фазы и с несимметрич- ными ВЛ и тяговыми сетями переменного тока, находящимися в нор- мальном режиме работы. Опасное магнитное влияние рассчитывают для воздушных и кабель- ных линий в случае сближения: с симметричными ВЛ с заземленной нейтралью, полагая, что одна из фаз заземлена; с несимметричными ВЛ при заземлении фазы и нормальном режиме работы; с тяговыми сетями переменного тока при заземлении тяговой сети и вынужденном режиме ее работы и с симметричными ВЛ с изолированной нейтралью при заземлении двух фаз, если на линии связи имеются однопроводные цепи полуавтоматической блокировки с блок-механизмами. Значение индуцированного напряжения относительно земли или ин- дуцированной продольной э. д. с. на гальванически неразделенных про- водах воздушных линий любой длины и жилах кабелей длиной до 40 км определяют без учета волновых процессов. Если длина кабельной линии превышает 40 км, расчеты производят с учетом волновых процессов. 286
Для вынужденного режима работы тяговой сети влияния определя- ют при всех практически возможных вариантах выключения тяговых подстанций. Значение влияющего тока не одинаково по длине плеча питания и зависит от числа находящихся на плече электровозов. Поэто- му реальный влияющий ток принято в расчетах заменять эквивалент- ным, под которым подразумевается ток, одинаковый по всей длине сбли- жения и оказывающий такое же влияние, как и действительный, имеющий ступенчатый характер изменения вдоль плеча питания. При сближении с несимметричными ВЛ, в том числе и с тяговыми сетями переменного, тока, кроме индуктивного, возможно гальваничес- кое влияние. В этом случае опасное напряжение С/мг = (С/г2+<7м2)1/2, где — напряжения магнитного и гальванического влияний соот- ветственно. Мешающее влияние ВЛ и тяговых сетей на телефонные каналы низкой частоты можно рассчитывать несколькими методами. Для наи- более точного расчета псофометрического напряжения сначала сле- дует установить частоты и значения амплитуд напряжений и токов гар- монических составляющих, действующих во влияющей линии. Затем определить индуцированные напряжения от влияния каждой гармо- ники, лежащей в тональном спектре, умножить полученные значения на соответствующие коэффициенты акустического воздействия и сло- жить по квадратичному закону. Такой метод расчета по гармоничес- ким составляющим сложен, так как требует знания амплитуд гармо- ник напряжения и тока во влияющей линии и расчета по каждой гармонике отдельно. Значительно проще, однако менее точно, можно определить значе- ние индуцированного псофометрического напряжения, если влияющие напряжение и ток со всеми гармониками заменить эквивалентным по действию на телефонные цепи напряжением или током частотой 800 Г ц. Мешающее влияние в этом случае рассчитывают только на одной час- тоте. Эквивалентное влияющее напряжение U3 или ток /э могут быть определены как произведение псофометрических значений напряже- ния С/пс или тока 1ПС, действующих во влияющей цепи, на поправочный коэффициент кп, учитывающий состав гармонических составляющих, 287
расстояние между линиями, частотную зависимость величин, входящих в расчетные формулы, другие факторы. Таким образом, U3 = Unc кц. Значения [7ПС и /пс могут быть вычислены по формулам Ц,с =^(рД)2; /пс где С/; — эффективное значение г'-й гармонической составляющей влияющего напряжения и тока соответственно; Рр — коэффициент акустического воздействия i-й гармоники на ча- стоте/(см. п. 9.1.4). 9.1.4. Нормы допустимых опасных и мешающих влияний Для обеспечения безопасности людей, обслуживающих устрой- ства автоматики, телемеханики и связи, а также пользующихся эти- ми устройствами, для предохранения аппаратуры, включенной в цепи, и обеспечения нормальной эксплуатации устройств установ- лены предельно допустимые значения (ПДЗ) опасных и мешающих токов и напряжений, которые могут возникать на цепях линий раз- личного назначения. Предельно допустимые значения опасных для человека токов. Ис- следования показывают, что основными факторами, влияющими на сте- пень поражения человека электрическим током промышленной частоты, являются значение тока, проходящего через его тело, продолжительность его действия и путь прохождения тока по телу человека, а также индиви- дуальные особенности организма. Установлено также, что ток до 2 мА, проходящий через тело челове- ка, не оказывает заметного действия, и его можно считать безопасным. Увеличение значения тока вызывает у человека дрожание пальцев рук, сокращение мускулов, боли и судороги, а при токе, превышающем 10 мА, создается опасность для жизни. Поэтому опасным током для человека, прикоснувшегося к проводу, находящемуся под постоянно дей- ствующим индуцированным напряжением (как, например, при вынуж- денном режиме тяговой сети переменного тока), принято считать ток, превышающий 10 мА. При кратковременном прохождении тока через тело человека опасность поражения снижается пропорционально вре- мени действия тока. 288
Значения ПДЗ опасных напряжений устанавливают с точки зрения опасности для жизни человека и опасности пробоя изоляции кабелей и устройств, включенных в цепи. Допустимые напряжения в случае опас- ности для человека определяют в зависимости от допустимого тока и общего сопротивления цепи между проводом и землей, образующегося в момент прикосновения человека к проводу. Это сопротивление обус- ловлено сопротивлением тела человека и переходными сопротивлени- ями между проводом и телом человека, телом человека и землей. Со- противление тела человека в основном зависит от состояния его кожного покрова. Допустимые значения опасных напряжений для кабелей и вводного оборудования, включенного в цепи, определяют с учетом электричес- кой прочности их изоляции, старения изоляции под воздействием по- стороннего напряжения и других факторов. Действующие ПДЗ опас- ных напряжений при влиянии тяговых сетей (ТС) переменного тока на цепи воздушных и кабельных линий связи устанавливаются Правила- ми защиты [11] и приведены в табл. 9.2. Если эти значения могут быть превышены, то применяют специальные меры по защите обслуживающего персонала и технике безопасности, а Таблица 9.2 Линии связи Допустимое напряжение, В при коротком замыка- нии на землю и времени отключения ТС, при вынужден- ном режиме ТС и гальваничес- ком влиянии 0,1 с 0,15 с 0,3 с 0,6 с Воздушная с деревянными опорами, в том числе с железобетонными приставками — 2000 1500 1000 60 Кабельная местной и магист- ральной связи, в том числе волоконно-оптическая с металлическими жилами и воздушная с железобетонными или металлическими опорами 500 450 310 160 36 I 9 Зак. 81 289
допустимые значения длительно и кратковременно допустимых эдс часто- той 50 Гц в высокочастотных кабелях и линиях местной сети находят по формулам, приведенным в табл. 9.3. Из таблицы видно, что допустимые напряжения определяются рабочим (д лительно допустимым) напряжени- ем Upa5 для используемого кабеля или вводного оборудования, а также ис- пытательным напряжением изоляции жил кабеля (7исп по отношению к земле. Эти данные приводятся в технических условиях на кабель (вводное оборудование). При дистанционном питании промежуточных усилителей (регенераторов) учитывается напряжение дистанционного питания (7ДП и схема его включения, которые зависят от типа используемого оборудова- ния. Требования к вводному оборудованию и допустимые наведенные на- пряжения приводятся в ОСТ 32.146-2000 «Аппаратура железнодорожной автоматики телемеханики и связи» с учетом рекомендаций Международ- ного союза электросвязи МСЭ-Т серии «К». Допустимые значения мешающих влияний для телефонных ка- налов низкой частоты. При влиянии ВЛ и тяговых сетей электрифици- рованных железных дорог на цепях воздушных и кабельных линий воз- никают напряжения и токи различных частот, так как во влияющих линиях всегда действуют гармонические составляющие напряжения и тока. Эти Таблица 9.3 Схема передачи дистанционного питания (ДП) усилителей Допустимые напряжения, В, при режиме работы ТС вынужденном, плавки гололеда короткого замыкания Без ДП в кабеле Ц,аб °>6 ита «Провод — земля» постоянным током ЦжЮ—) «Провод — провод» постоянным током с заземленной средней точкой цепи ДП ^рабН^/2^2 ) 0.6l/№n-(lV272) «Провод — провод» переменным током с заземленной средней точкой цепи ДП ^раб-ЧЧЛ) 0,6Сисп-(Сдп/2) Примечание: если в схеме дистанционного питания средняя точка цепи ДП не заземлена, то допустимые напряжения определяются по формулам для схемы «провод — земля». 290
индуцированные напряжения и токи вызывают в телефонных каналах низкой частоты появление шумов, которые могут нарушить нормаль- ную работу цепей связи. Человек при помощи телефона воспринимает одни и те же напряже- ния различных частот неодинаково. Поэтому оценить шум, состоящий из гармонических составляющих с раз- личными частотами в вольтах, если он измерен обычным вольтметром, невозможно. Чтобы проанализиро- вать воздействие токов различных ча- стот, принято сравнивать их акусти- р 9 3 ческое воздействие с акустическим воздействием тока такой же амплитуды, но частотой 800 Гц. В технике связи эта частота является расчетной для каналов низкой частоты. Отношение акустического воздействия тока в телефоне с частотой F к акустическому воздействию такого же тока частотой 800 Гц называют коэффициентом акустического воздействия р? Значения р# для частот от 26 до 5000 Гц, найденные экспериментально, приведены на рис. 9.3. Следовательно, для определения полного индуцированного напряже- ния шума 13ш необходимо найти индуцированное напряжение каждой гар- монической составляющей умножить на соответствующие коэффици- енты акустического воздействия и сложить по квадратичному закону. Тогда Гй -> Напряжение С/ш называют псофометрическим напряжением. Таким образом, псофометрическое напряжение — это такое напряжение часто- той 800 Гц, которое, действуя в телефонной цепи вместо индуцирован- ных напряжений с различными частотами, оказывает одинаковое с ними мешающее действие. Псофометрическое напряжение измеряют прибо- ром — псофометром. Он состоит из вольтметра и специального фильтра, который включается перед вольтметром и пропускает сигналы различ- ных частот пропорционально их восприятию человеческим ухом. 291
Таблица 9.4 Цепь связи ПДЗ шума, мВ псоф Длина сближения, к которой отнесена норма Точка цепи, к которой отнесена норма Магистральной и зоновой сети 1,5 Усилительный участок Вход усилителя или между городного коммутатора при относительном уровне полез- ного сигнала минус 6, 95 дБ Местной сети (городской и сельской) 1,5 От абонента до абонента илн от абонента до меж- дугородной телефонной станции (МТС) Линейное зажимы телефон- ного аппарата Канал служебной связи систем передачи 1,45 830 км Зажимы телефонного аппара- та на стойке служебной связи Групповой канал низкой частоты МПС 1,0 Участок избирательной связи Линейные зажимы телефонно- го аппарата илн коммутатора Нормы шума в телефонных каналах низкой частоты приводятся в милливольтах псофометрического напряжения (мВ псоф). Действую- щие ПДЗ шума для ряда цепей связи приведены в табл. 9.4. Приведен- ные значения ПДЗ действительны при волновом сопротивлении линии 600 Ом. Если цепь имеет другое волновое сопротивление и эта цепь замкнута на согласованную нагрузку, то норму напряжения шума опре- деляют, умножая установленные значения на коэффициент Кш-л/|2в|/600, где |ZB| — модуль волнового сопротивления цепи при частоте 800 Гц, Ом. Для электрифицированных участков эти нормы разделяются (с уче- том суммирования по квадратичному закону): 0,8 от нормы напряже- ния шума относится к контактным сетям железных дорог, высоковоль- тным линиям автоблокировки и продольного электроснабжения; 0,6 — к линиям сильного тока других ведомств. 9.1.5. Воздействие атмосферного электричества на линейные сооружения Грозовые разряды возникают в результате сложных процессов, про- исходящих в атмосфере в присутствии облаков. При определенных ус- 292
ловиях в облаке происходит разделение зарядов и оно поляризуется. На стороне, обращенной к земле, сосредотачиваются заряды одного знака. В результате, между облаком и землей возникает электрическое поле. Когда напряженность поля достигает критической величины, происхо- дит разряд, называемый молнией. Ток молнии может изменяться в пределах 10—200 кА при длительно- сти разряда 5—100 мкс. Может наблюдаться до 30 повторных разрядов. Грозовые разряды могут оказывать опасные влияния на воздуш- ные и кабельные линии, рельсовые цепи автоблокировки: разрушать опоры и провода воздушных линий, кабели и устройства, подключен- ные к ним, создавая опасность для жизни людей, обслуживающих эти устройства. Чаще всего молнии поражают наиболее высокие предметы: опоры воздушной линии или какое-либо другое сооружение. Могут быть гро- зовые разряды в землю и рельсы неэлектрифицированных железнодо- рожных линий. На электрифицированных участках тяговая сеть экра- нирует рельсы, воспринимая разряды на себя. В земле ток молнии распространяется в область большей проводи- мости. Он может протекать по металлическим защитным оболочкам кабелей с малым сопротивлением. Поэтому наиболее часто наблюдает- ся повреждение кабелей, проложенных в грунтах с малой проводимо- стью (песчаные, каменистые, вечномерзлые и т.д.). Повреждения кабе- лей могут быть разнообразными: расплавление свинцовой оболочки и жил, образование вмятин на оболочке, прогибы кабеля, разрыв ленточ- ной брони, прожог изоляции между жилами и оболочкой, сплавление сердечника кабеля и др. Воздействие грозовых разрядов на воздушные линии разделяется на непосредственное (прямой удар молнии в провода, опоры) и индук- тивное (удар молнии в землю или другое сооружение). При прямом ударе молнии в провода волна тока молнии распространяется в обе стороны от места удара. Провода оказываются под очень высоким напряжением относительно земли. Однако значение этого напряжения будет ограни- чено электрической прочностью изоляции между проводами и землей, которая обусловлена электрической прочностью опор (для деревянных опор 180...200 кВ / м), изоляторов (50... 158 кВ в зависимости от типа) и траверс. В результате действия прямых ударов провода могут распла- 293
виться, деревянные опоры расщепиться под действием паров испаряю- щейся влаги в капиллярах древесины. Может быть разрушена аппара- тура, включенная в цепи, пробита изоляция кабельных вставок и т. д. Индуктивные явления возникают при ударах молнии в землю, дере- вья или сооружения, расположенные вблизи воздушных и кабельных линий. В результате на проводах воздушных линий и жилах кабелей индуцируется импульсное напряжение, электромагнитный импульс молнии (ЭМИ). Индуцированное напряжение С7И(В) на проводах воздушных линий зависит от тока молнии /м средней высоты подвеса проводов hcp и рас- стояния а от линии до места разряда молнии ^и = ^ср/«- Так, при токе молнии 100 кА и а = ЮЛср напряжение провода отно- сительно земли будет равно 300 кВ, что опасно для устройств, вклю- ченных в цепи линии. Возможность пробоя изоляции в магистральных кабелях при воз- действии ЭМИ молнии и необходимость применения мер защиты про- веряется сравнением электрической прочности кабеля и величин им- пульсных напряжений, наведенных на кабелях, существенно зависящих от удельного сопротивления земли. При длинах гальванически нераз- деленных участков кабеля и оптического кабеля с металлическими жи- лами для дистанционного питания более 20 километров наведенные напряжения не зависят от длины кабеля. Воздействие атмосферного электричества на кабельные и воздуш- ные линии автоматики и связи снижается применением специальных мероприятий при строительстве и эксплуатации линий. Для снижения числа повреждений кабельных линий, трассы для их прокладки выбирают в местах, где вероятность повреждения меньше, например, вдали от отдельно стоящих деревьев. Применяют кабели с повышенной проводимостью оболочки, или сигнально-блокировочные кабели без металлических оболочек. Отводят токи молнии от кабелей укладкой одного или нескольких биметаллических проводов или сталь- ных тросов на расстоянии не более 1—1,5 м от кабеля на глубине, рав- ной половине глубины прокладки кабеля. При защите кабеля двумя тро- сами они располагаются по обе стороны от кабеля. Так, применение 294
одного стального троса ПС-70 позволяет снизить наводимое напряже- ние в кабелях на 20% и 15% соответственно для однокабельной и двух- кабельной линий. Опоры воздушных линий защищают от прямого удара молнии мол- ниеотводами, устанавливаемыми на наиболее ответственных опорах: угловых, кабельных, контрольных, ограничивающих пересечение с высоковольтными линиями, оконечных и др. Кроме того, молниеотво- дами оборудуют опоры, устанавливаемые взамен разрушенных грозо- выми ударами, так как наблюдается повторяемость грозовых разрядов в одни и те же места. В качестве молниеотвода используют стальной провод диаметром 4—5 мм, прокладываемый вдоль опоры от ее верх- ней части и закапываемый в землю на глубину 0,7 м. Длина закапывае- мой части провода зависит от проводимости грунта. Для защиты от перенапряжений воздушных и кабельных линий а так- же рельсовых цепей применяют и специальные устройства — разрядни- ки и нелинейные выравниватели, более подробно рассмотренные в п. 9.2.2. 9.2. Меры защиты от внешних влияний 9.2.1. Мероприятия, проводимые на влияющих линиях Меры защиты от опасных и мешающих влияний высоковольтных линий электропередачи и контактных сетей определяют на основании расчетов значений индуцированных напряжений и токов. При проектировании ВЛ и линий автоматики, телемеханики и связи необходимо размещать их трассы так, чтобы избежать влияний, превы- шающих допустимые нормы. Если это невозможно по местным усло- виям или экономическим соображениям, то применяют специальные меры защиты. На высоковольтных линиях и контактных сетях электрифицированных железных дорог переменного тока мерами защиты от опасного влияния являются: уменьшение времени короткого замыкания; снижение токов ко- роткого замыкания, переход на тяговые сети напряжением 2x25 кВ с авто- трансформаторами, подвеска защитных тросов; включение в контакт- ную сеть отсасывающих трансформаторов. Для защиты от мешающего влияния на влияющих линиях предус- матривают: транспозицию проводов высоковольтных линий; подвеску 295
защитных тросов; включение отсасывающих трансформаторов в кон- тактную сеть; включение сглаживающих фильтров на трансформатор- ных подстанциях. Уменьшение времени короткого замыкания применением быстро- действующих приборов защиты, отключающих линии от питающих устройств, в случае заземления одной из фаз, снижает опасность пора- жения человека током и пробоя изоляции кабелей и устройств. Транспозиция проводов высоковольтных цепей уменьшает их про- дольную асимметрию и, следовательно (см. п. 8.2), напряжения и токи нулевой последовательности. Отсасывающие трансформаторы (ОТ) (рис. 9.4) уменьшают магнит- ное влияние контактных сетей переменного тока. Они имеют коэффи- циент трансформации от 0,8 до 1, мощность 800 кВ • А и более. Пер- вичную обмотку включают последовательно в контактную сеть 2, а вторичную — в провод обратного тока 1, подвешиваемый на опорах контактной сети (рис. 9.4,а), или в рельсы 3 (рис. 9.4,6). При протека- нии тягового тока по первичным обмоткам трансформаторов во вто- ричных обмотках и обратном проводе будет протекать ток почти проти- воположного направления, что снижает напряженность влияющего магнитного поля. При включении вторичных обмоток в рельсы ток в них значительно увеличивается, что улучшает экранирующие действия рельсов (см. п. 8.2). Число устанавливаемых отсасывающих трансфор- маторов определяют расчетами. Защитное действие отсасывающих трансформаторов зависит от расстояний между ними, взаимного рас- положения линий, подверженных влиянию, и тяговой сети, сопротив- ления рельсов относительно земли, удельного сопротивления земли и т. д. Коэффициент их защитного действия при включении в провод об- ратного тока может иметь значения 0,25...0,5, а при включении в рель- сы 0,25... 0,7. 296
Ф1 + Ф2 + Рис. 9.5 Использование отсасывающих трансформаторов в качестве меры защиты от опасных и мешающих влияний удорожает строительство тяговой сети, усложняет эксплуатацию и увеличивает потери электроэ- нергии, но при необходимости защиты дорогостоящих действующих сооружений (магистральных кабелей, кабельных сетей местной связи и т. д.) их применение может быть оправдано. Сглаживающие фильтры применяют для уменьшения мешающих вли- яний тяговых сетей постоянного тока и устанавливают на всех тяговых подстанциях. Сглаживающие фильтры снижают амплитуду гармоничес- ких составляющих напряжения и тока, действующих в тяговой сети, для чего в схемах фильтров (рис. 9.5) имеются резонансные контуры, настро- енные на частоты гармоник с наибольшими амплитудами, реакторы LA и L2 и конденсаторы Cl, С2. Реакторы и конденсаторы, действуя совместно, образуют фильтры, задерживающие гармоники более высоких частот. Контур, состоящий из элементов L2, и Сш в первом фильтре, на- страивают на частоту 300 Гц с большой амплитудой. Эффективность фильтров оценивается так называемым коэффици- ентом сглаживающего действия, определяемым как отношение псо- фометрического напряжения на входе фильтра к псофометрическому напряжению на его выходе. При индуктивности реакторов Пи L2, рав- ной 5 мГн, коэффициент сглаживающего действия фильтра Ф2 равен 64, а Ф1 — 250. Если индуктивность реактора 4,5 мГн, то коэффициент сглаживающего действия фильтра Ф2 равен 55, а Ф1 180. 9.2.2. Меры защиты от опасных и мешающих влияний, применяемые на линиях автоматики, телемеханики и связи Для линий автоматики, телемеханики и связи основными мерами защиты от опасного влияния являются применение разрядников, разде- 297
Рис. 9.6 лительных и редукционных трансформаторов, а также замена воздуш- ной линии кабельной; мерами защиты от мешающего влияния — ис- пользование дренажных катушек, отказ от работы по однопроводным цепям; применение траверсного профиля вместо крюкового на воздуш- ных линиях; замена воздушной линии кабельной. Уменьшение влияния с помощью заземленных тросов и каблирова- ния воздушных линий объясняется эффектом экранирования. В облас- ти низких частот процесс экранирования можно представить так. До- пустим, что имеются влияющий провод 1, подверженный влиянию провод 2 и металлический экран 3 (рис. 9.6, а). Когда по проводу 1 бу- дет протекать ток 7,, то в экране и проводе 2 появятся индуцированные э. д. с., векторы которых f3 и Е2 (рис. 9.6, б) будут отставать от вектора тока lj на угол 90°. Индуцированная в экране э. д. с. вызовет в нем ток /3, который будет отставать от вектора Е2 на угол ср. Ток /3 в свою оче- редь возбуждает в проводе 2 э. д. с. Е23, которая будет отставать от него на угол 90°. Результирующая э. д. с. Е2р в проводе 2 равна геометричес- кой сумме Е2 и Е22, которая будет тем меньше, чем ближе угол <р к 90°. Значение угла <р зависит от соотношения индуктивного и активного со- противлений экрана, так как tg<p = ыЬэ/R.y Таким образом, защитное действие экрана будет тем больше, чем меньше сопротивление экрана и больше его индуктивность. Следова- тельно, защитное действие медного троса будет больше, чем сталеалю- миниевого, а сталеалюминиевого — больше, чем стального. Защитное действие оболочки кабеля из алюминия больше, чем оболочки из свин- ца. Броня кабеля из стальных лент с повышенной магнитной проница- 298
емостью дает больший экранирующий эффект, чем обычная броня из стальных лент. Практически экранами являются рельсы, металлические трубопро- воды и т. д. В общем случае результирующий коэффициент экранирую- щего (защитного) действия вычисляется как произведение к р т где SK— коэффициент защитного действия металлических оболочек и брони кабеля; Sp — коэффициент защитного действия рельсов; ST — коэффициент защитного действия заземленного троса. Большое влияние на защитное действие экранов оказывает сопро- тивление их заземления. Чем меньше сопротивления заземлений, тем больше протекающий по ним ток и выше их защитное действие. Коэф- фициенты экранирования, вычисленные при нулевых сопротивлениях заземлений, называют идеальными. В практических условиях сопротивление заземлений не может быть равно нулю, и действительные коэффициенты экранирования всегда больше идеальных. Их называют реальными коэффициентами экрани- рования. Методика определения реальных коэффициентов экранирова- ния кабелей приводится в правилах [11]. Идеальный коэффициент экранирования оболочек кабеля *„= <>6 /(^об+^об)> где R'^ — сопротивление оболочки постоянному току; Ro6 — полное сопротивление оболочки при переменном токе. Из формулы (9.5) видно, что коэффициент экранирования зависит не только от сопротивления оболочки /?об, но и от ее индуктивности Lq6. Как известно, магнитная проницаемость стали является величиной переменной, зависящей от значения протекающего по ней тока. С уве- личением тока магнитная проницаемость сначала возрастает и дости- гает максимального значения на прямолинейном участке кривой намаг- ничивания. При дальнейшем увеличении тока магнитная проницаемость снижается. Следовательно, с изменением величины протекающего по стальным оболочкам и броне тока будет изменяться и их индуктивность. Поэтому коэффициент экранирования стальных оболочек или свинцо- 299
s ^22///2//7777\^^у7777777772. Рис. 9.7 вых и алюминиевых со стальной броней изменяется с изменением ин- дуцированной продольной э. д. с. и соответствующего тока. Коэффициент экранирующего (защитного) действия кабелей без шланговых внешних покровов, проложенных в земле, близок к идеаль- ному. При наличии внешнего шлангового покрова рассчитывается ре- альный коэффициент экранирующего действия: ^об = 5и + (1- 5И) [1 - ехр(-уоб /,)] / (тоб /э), где / — длина кабеля; уоб — коэффициент распространения цепи «металлические покро- вы — земля», который находится по значениям первичных параметров этой цепи. Экранирующее действие защитных оболочек кабеля можно уве- личить применением многообмоточного (рис. 9.7,а) и редукционно- го трансформаторов (рис. 9.7,6). В разрыв металлического покрова кабеля I (металлическая оболочка, экран, броня) включается одна обмотка трансформатора. В каждую жилу 2 кабеля также включена обмотка многообмоточного трансформатора. В редукционном транс- форматоре 3 — ферромагнитный сердечник; 4— сердечник кабеля без металлических покровов, намотанный в качестве обмотки транс- форматора. Применяются редукционные трансформаторы марок ОСГР-1х4 / 8, ОСГР—4x4 / 8 и ОСГР-1/8, рассчитанные соответ- ственно на включение в одно- и четырехчетверочные симметрич- ные кабели, а также однокоаксиальные кабели. Разделительные трансформаторы включают в подверженные опас- ным влияниям цепи. Они разделяют их на гальванически не соединен- ные участки. Это уменьшает продольную э. д. с. на проводах цепей. Для защиты от опасных магнитных влияний и мешающего электричес- 300
кого влияния применяют дренажные катушки, которые состоят из двух одинаковых полуобмоток, наложенных на общий кольцевой сердечник из ферромагнитного материала. Включают их на концах цепей между проводами, а среднюю точку заземляют. Кроме перечисленных мер применяют и другие: относ трассы ли- нии от источника влияния, установка предохранителей, устройство за- щитных заземлений, отказ от использования однопроводных цепей. Однопроводные цепи, использующие землю в качестве второго рабо- чего провода, подвержены не только влиянию внешних неуравновешен- ных электромагнитных полей, но и гальваническому влиянию токов в земле, получивших название блуждающих. Блуждающие токи возника- ют вследствие магнитных бурь, использования земли в качестве одного из рабочих проводов несимметричных ВЛ, утечки тягового тока в землю с рельсов электрических железных дорог и других причин. Протекая в земле, имеющей различную структуру и, следователь- но, неодинаковое сопротивление, они создают разность потенциалов между точками земли. Эта разность потенциалов, действуя на зазем- лители однопроводных цепей, вызывает в цепях посторонние напря- жения и токи. Наиболее радикальной мерой защиты от гальванического влияния является переход с однопроводных цепей на двухпроводные. Однако такой способ экономически не всегда целесообразен, так как требует дополнительных проводов (жил). Поэтому применяют различного рода схемы, снижающие влияние, а также выносят заземления однопровод- ных цепей из зоны действия блуждающих токов. При медленном изме- нении блуждающих токов по значению и знаку (токи, вызываемые маг- нитными бурями и электрическими железными дорогами постоянного тока) чаще всего применяют трансформаторные схемы. Для защиты от блуждающих токов промышленной частоты, вызываемых ВЛ и элект- рическими железными дорогами переменного тока, применяют фильт- ры, резонансные контуры и компенсирующие устройства, включаемые в однопроводные цепи. 9.2.3. Особенности защиты линий от влияния радиостанций Радиостанции длинноволнового диапазона могут оказывать влияние на кабельные линии связи, как правило, в районе расположения мощ- 301
ных передающих антенн. При этом помехами поражаются группы ка- налов связи частотных систем. Это вызывается наличием продольной асимметрии цепей, наводками на вертикальные элементы конструкций кабельной линии. Мерами борьбы с влиянием радиостанций являются: специальное симметрирование цепей, включение компенсирующих элементов и до- полнительное экранирование элементов кабельной линии (вертикаль- ных участков кабеля, боксов, соединительных шнуров), улучшение за- земления элементов кабельной линии. 9.2.4. Устройства защиты аппаратуры автоматики, телемеханики и связи от электромагнитных влияний. Наряду с перечисленными выше методами и устройствами для сни- жения опасных влияний на линии автоматики и связи, используют и устройства специального назначения. Защиту от опасных напряжений аппаратуры, включенной в провода воздушных и кабельных линий, людей, использующих и обслуживаю- щих эту аппаратуру, а также кабельных вставок выполняют с помощью разрядников. Для защиты рельсовых цепей применяют вентильные выравниватели и разрядники. Разрядники и вентильные выравнивате- ли, включаемые перед защищаемыми объектами, снижают волну пере- напряжения, распространяющуюся по проводам воздушных линий и рельсовым цепям, до безопасного значения. Применяют угольные, газонаполненные, вентильные и искровые раз- рядники. Угольные разрядники УР-500 используют в цепях местной телефонной связи. Они состоят из двух угольных колодок, являющихся электродами, между которыми проложена изолирующая прокладка из слюды или другого диэлектрика, с вырезом, образующим воздушный промежуток. Разрядное напряжение этих разрядников 500 ±100 В (амп- литудное). Газонаполненные двухэлектродные и трехэлектродные разрядники типов Р-350, Р-35 применяют в цепях многоканальной и отделенчес- кой связи, а также в цепях автоматики и телемеханики. Они имеют стек- лянный баллон, наполненный аргоном, в котором размещены два ме- таллических электрода. На концы баллона надеты латунные колпачки с ножевыми контактами, соединенными с электродами. С помощью но- 302
жевых контактов разрядник устанавливают на специальной фарфоро- вой колодке, имеющей контакты для подключения земли и провода. Раз- рядное напряжение разрядника 350±40 В. Газонаполненные трехэлектродные разрядники Р-35 сходны по кон- струкции с разрядниками Р-350 и имеют такое же разрядное напряже- ние. В стеклянном баллоне этих разрядников размещены три электро- да: два для подключения проводов двухпроводной цепи, а третий для подключения заземления. Разрядники Р-35 имеют большую пропуск- ную способность по току, чем Р-350, и при одинаковых условиях рабо- ты больший срок службы. Газонаполненные двухэлектродные и трехэлектродные разрядники Р-4, Р-65 с разрядным напряжением 70—80 В имеют стеклянный газо- наполненный баллон с впаянными электродами и применяются для за- щиты полупроводниковых приборов.То же назначение имеют и другие типы разрядников, в том числе в керамических корпусах. Газонаполненные разрядники можно применять в тех случаях, ког- да напряжение проводов относительно земли, рабочее или возник- шее в результате индуктивного или гальванического влияния, не бо- лее 40 В. При большем напряжении не обеспечивается гашение дуги между электродами разрядников, и провод оказывается заземленным. Поддержание горения дуги каким-либо напряжением, меньшим, чем разрядное напряжение разрядника, называют явлением сопровожда- ющего тока. Очевидно, что это явление будет наблюдаться и в сило- вых цепях. Поскольку линейное напряжение поддерживает горение дуги разрядников, цепь окажется замкнутой накоротко через разряд- ники. В таких цепях применяют вентильные и керамические разряд- ники: РВН-250, РКВН-250, РВНШ-250, РВНН-250 в низковольт- ных цепях напряжением 110/220 В; РВН-500, РКН-600, РКН-900 в цепях напряжением 220/380 В; РВО-6 или РВО-Ю— в высоковоль- тных цепях напряжением соответственно 6 и 10 кВ. В вентильных разрядниках последовательно с искровым промежутком включено нелинейное сопротивление, изменяющееся в зависимости от вели- чины приложенного напряжения. При уменьшении приложенного на- пряжения до линейного (при горении дуги в разряднике) сопротив- ление возрастает, что приводит к гашению дуги между электродами разрядника. 303
Искровые разрядники ИР-0,2; ИР-0,3; ИР-7; ИР-10; ИР-15; ИР-20 представляют собой воздушный промежуток между двумя электрода- ми. Цифры показывают расстояние между электродами разрядника в миллиметрах. Эти разрядники включают каскадно (друг за другом) на линии для повышения надежности защиты и сохранения газонаполнен- ных и вентильных разрядников от разрушения. Керамические и селеновые нелинейные выравниватели ВК-220, ВК- 10 и ВС-90 (цифры указывают на номинальное рабочее напряжение цепи) представляют собой нелинейные сопротивления, влючаемые без искрового промежутка. Их применяют для защиты рельсовых цепей от опасного влияния, возникающего в результате косвенного воздействия грозовых разрядов, асимметрии рельсовых цепей, прямых ударов мол- нии в рельсы на неэлектрифицированных участках; через них часто за- земляют устройства на рельсы. То же назначение имеют оксидно-цин- ковые выравниватели типа ВОЦН (ВОЦН-24, ВОЦН-36, ВОЦН-ПО, ВОЦН-220, ВОЦН-380). Контрольные вопросы 1. При каких нагрузках относительно земли по концам провода рас- считывают опасные электрические (магнитные) влияния? 2. Чем определяются предельно допустимые напряжения и токи опас- ных и мешающих влияний? 3. Для каких линий выполняют расчеты опасных электрических (маг- нитных) влияний? 4. Какими способами могут быть выполнены расчеты мешающих влияний ВЛ и тяговых сетей на телефонные каналы низкой частоты? 5. Какие меры защиты от опасных и мешающих влияний приме- няют на сооружениях железнодорожной связи, автоматики и теле- механики? 5. Какие устройства защиты применяют на сооружениях железно- дорожной связи, автоматики и телемеханики для защиты от грозовых разрядов?
Глава 10 ВЗАИМНЫЕ ВЛИЯНИЯ И ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ ЦЕПЕЙ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 10.1. Общие сведения Дальность и качество связи, особенно с использованием высокочас- тотных систем передачи, ограничиваются не столько собственным за- туханием цепи, сколько взаимными и внешними влияниями. В комби- нированных железнодорожных кабелях (см. п. 3.2), составляющих основу существующей сети связи МПС, необходимо учитывать влия- ния не только между цепями связи, но и влияния на цепи связи линей- ных цепей автоматики. По этим цепям передаются сигналы напряже- нием до 100 В постоянного тока (в цепях связи примерно 3 В), в коммутационном режиме работы цепи автоматики создают широкопо- лосную помеху, которая прослушивается в виде щелчков в каналах то- нальной частоты и вызывает сбои в работе цифровых систем передачи. Природа взаимных влияний одинакова между цепями воздушных и кабельных линий и между цепями автоматики и связи. Это позволяет их исследовать и количественно оценивать в рамках одних и тех же матема- тических моделей. Взаимные влияния обусловлены теми электрически- ми и магнитными полями, которые связаны с цепями автоматики и связи, питаемыми от источников переменного тока (см. п. 8.1). В незначитель- ной степени взаимные влияния проявляются при непосредственном про- хождении тока через толщу диэлектрика, разъединяющего цепи. Степень взаимного влияния между цепями определяется неизбеж- ными нарушениями геометрической и электрической симметрии в ре- альных конструкциях симметричных цепей. Для исследования процессов взаимного влияния предложены моде- ли, отражающие различные стороны процесса перехода энергии с од- ной цепи на другую. Наиболее широко используются модель непосред- ственных влияний, отражающая влияния между двумя однородными, согласованно нагруженными цепями, и модели косвенных влияний, под 20 Зак. 81 305
ZH~ZB2 Рис. 10.1 которыми понимают влияния через третьи цепи (соседние цепи, экра- ны, оболочки кабелей), а также вследствие отражений из-за неодно- родностей цепей и несогласованности нагрузок. Модель непосредственных влияний между симметричными цепя- ми отражает процесс влияний, обусловленный поперечным электро- магнитным полем. В рамках этой модели исследуют влияния между двумя произвольно выбранными цепями из их совокупности, что эк- вивалентно пренебрежению электромагнитными связями этих двух це- пей с другими симметричными и несимметричными цепями в рас- сматриваемой системе. Такой подход к рассмотрению процесса влияний в многопарных линиях значительно упрощает реальную кар- тину обмена энергией между цепями, однако он используется не толь- ко при анализе влияний, но и в практических мерах защиты цепей от взаимных влияний. Основная модель влияния может быть представлена в виде электри- ческой схемы (рис. 10.1). Эквивалентная схема электрической У]2 и магнитной Z|2 связей между цепями показана упрощенно. Нагрузкой токов электрического и магнитного влияний являются входные сопро- тивления смежных элементарных участков влияния. Эти сопротивле- ния в данной модели равны волновому сопротивлению цепи. Из анали- за модели следует, что токи электрического и магнитного влияний через 306
волновое сопротивление ближнего конца протекают в одном направле- нии, т. е. складываются (влияние по закону ближнего конца), а дальнего конца — вычитаются (влияние по закону дальнего конца). 10.2. Определение токов непосредственного влияния при нескрещенных цепях Цепь 1 под напряжением Цоис током /10 в начале линии будем полагать влияющей, а цепь 2 — подверженной влиянию (см. рис. 10.1). Токи влияния на ближнем и дальнем концах цепи 2 можно определить так, как описано в п. 8.4. Токи электрического влияния на ближнем и дальнем концах. При согласованной нагрузке ток влияния d72v (см. формулу 8.11), инду- цированный на элементе dx, делится на две равные части (см. рис. 8.15,в). Одна часть направляется к ближнему концу, а другая — к дальнему. При распространении они будут уменьшаться по амплитуде и изменяться по фазе. На нагрузках в конце цепей на ближнем конце dl'2O - 0,5d 12хе~^х - 0,511^7^^Xdx-,; (10.1) на дальнем конце dl'v = O,5dl2xe-'irt-x'> - O,5[7lxy12e-Y2 {l~x)dx. (10.2) где U\x — влияющее напряжение на элементе dx; У|2 — коэффициент электрической связи между двухпроводными целями. Учитывая, что при согласованной нагрузке Uix = (710е~у1Л и допуская, что коэффициент электрической связи постоянен на всем участке сбли- жения, найдем полные токи влияния на ближнем и дальнем концах: /^-O,5y12[7lo}e-<Y'+Y2>rdr; (Ю.З) о 1'21 “ О,5У12Цое-^}е-^-^^. (10.4) о Токи магнитного влияния на ближнем и дальнем концах. При магнитном влиянии элементарный ток dl^ замыкается по цепи после- довательно. 20* 307
С учетом волновых процессов в цепях на ближнем конце ток влия- ния (см. формулу 8.5) di" = = e-i2*dx. "° 2ZB2 2ZB2 (Ю.5) на дальнем конце dl'v =^Le~^)dx. 6) ZZB2 ZZB2 где Z/7 — коэффициент магнитной связи между двухпроводными цепями; /, — влияющий ток на элементе dx. Учитывая, что /)г = Z10e>~YiJ, и допуская коэффициент магнитной свя- зи постоянным по всей длине сближения цепей, определим полные токи влияния на ближнем и дальнем концах 7 j I (Ю.7) ZZB2 0 hi=~!~e ^'fe (Y' ^Xdx. (10.8) ZZB2 0 Полный ток электромагнитного влияния на ближнем и дальнем концах. Согласно модели непосредственного влияния полный ток элек- тромагнитного влияния /20 можно определить как сумму токов /20 и /20 . Учитывая, что t/)0 = /10ZB| получим Ло “ ^20 + ho -O,5/|0ZB)(yj2 + — Ve <Yl+Y2lv6Zr= ( ZB1ZB2 /о _ 710^2 d-g-CYi+YiA (1°-9) 2(Yi+Y2) (z \ У12 +-—— — коэффициент электромагнитной связи ^В|^В2 J на дальнем конце. На дальнем конце цепи полный ток влияния hi ~ hi ~ hi = o-Z'bi^ Y2 x x (Y,2 - Z12 = ( ^B1^B2 /0 = Л0^*12 e-y2l (1 _ e-(Yi -У2)' 1 2(7^72) V Л (10.10) 308
где F12 =ZBi ^12------— — коэффициент электромагнитной связи „ \ ZB|Zb2 J на дальним конец. Когда цепи имеют одинаковые параметры, то ZB) = ZB2 = ZB, у( - у2 = у и формула (10.9) примет вид у . 7юЛ12 л -g-2Y^ у20 4у и е ) (10.11) Если цепи электрически длинные (а/ г 1 ЗдБ), то |е-2у/| s 0,05 и тогда можно полагать, что (10.12) Формула (10.10) при одинаковых цепях приводит к неопределенно- сти, раскрывая которую при Y| у2, находим, что Yi -У2 2 2 (10.13) 10.3. Переходное затухание и защищенность Наиболее употребительным параметром, характеризующим взаим- ные влияния между цепями, является переходное затухание. С его по- мощью удобно оценивать эффективность различных мероприятий, на- правленных на уменьшение влияний, и сравнивать направляющие системы с точки зрения помехозащищенности. Однако этот параметр не позволяет однозначно судить о качестве передачи сигнала по цепи связи, поскольку последнее определяется отношением сигнала к поме- хе в точке приема, т. е. защищенностью от помех в точке приема. Защи- щенность зависит от величины помех соседних цепей связи (переход- ного затухания) и величины ослабления полезного сигнала в цепи связи. Переходное затухание между цепями по аналогии с собственным затуханием цепей принято оценивать величиной, определяемой лога- рифмом отношения полной мощности сигнала в начале влияющей цепи Р10 к полной мощности помехи (Р20 или ^2/) в Чепи’ подверженной вли- янию (рис. 10.2). 309
Рис. 10.2 на ближнем конце: Ло = 101gP10/P20, (10.14) на дальнем конце: Л = 10 lg(Pt0/P2/). (10.15) Переходное затухание может быть выражено не только через мощности, но и через токи (напря- жения). Так как /)О“Ло^В15 Р20 ”^20гВ2’ Р2/ ”^2/^В2’ТО 4-2Olg|(/lo//2o)7zBI/ZB2|; (10.16) J/-201g|(/10//2/)A/ZB1/ZB2|. (10.17) Значения токов/20 и 12е определяют по формулам (10.9) — (10.13). Если отношение токов /10 //20 обозначить через Во, а /|0 / I2j — через Bz, то формулы переходного затухания примут вид /lo-2Olg|flo7zB1/ZB2|; (10.18) ^-201^7^72^1, (10.19) а при одинаковых нагрузках цепей Ло = 20lg|50|; (10.20) ^ = 201^1; (10.21) Защищенность А3 — это логарифмическая мера отношения полной мощности сигнала Рс к полной мощности помех Ра в той же точке цепи: Л3 =/01g(P/P„). (10.22) Значение защищенности однозначно связано со значением переход- ного затухания. В случае одинаковых уровней передачи по влияющей и подверженной влиянию цепям эта связь определяется выражением Л3=Л-а/, (10.23) где А — переходное затухание на ближнем или дальнем конце цепи; а/ — затухание цепи. 310
Значение защищенности нормируется для конкретных цепей. Посколь- ку допустимое значение шумов в каналах связи эталонной линии длиной 2500 км не должно превышает 1,1 мВ, то величина защищенности в слу- чае кабельной линии должна быть не менее 54,7 дБ, а воздушной 50,4 дБ. При строительстве линии связи для контроля за качеством работ требуется знать нормы, отнесенные к одному усилительному участку или длине магистрали, отличной от эталонной длины или другой дли- ны, для которой известно нормируемое значение защищенности. Когда на линии имеются несколько усилительных участков, то токи помех, наводимые в пределах отдельных усилительных участков, уси- ливаются промежуточными усилителями, и защищенность на один уси- лительный участок надо увеличивать. Фазы токов влияния с отдельных участков неизвестны, поэтому применяют квадратичный закон сложе- ния. При одинаковых цепях и одинаковых токах влияния на каждом усилительном участке полный ток влияния 7П с Мусилительных уча- стков будет равен произведению I? на д/дГ . Защищенность по длине всей цепи А3 - 201g |4 / /п | - 20 lg| /с /(/ у V^)| - 4 -101g N. (10.24) Следовательно, защищенность на одном усилительном участке - А3 ч-101g V77. (10.25) Значение защищенности, известное для одной длины линии, может быть пересчитано на другую по формуле -101g(/v/Z), (10.26) где А3 — нормированная защищенность; Zx; Z — длины участков, на которых соответственно определяется и нормируется защищенность. Нормы переходного затухания устанавливают на основании норм защищенности и принятой схемы организации связи. 10.4. Изменение влияний при нескрещенных цепях в зависимости от длины линий и частоты тока Анализ влияний на ближний и дальний концы между нескрещенны- ми цепями позволяет выявить особенности влияний на каждый из кон- 311
о 1/4Х 2/4 X 3/4Х X I Рис. 10.3 цов цепи и определить предвари- тельные требования к схемам фи- зического скрещивания проводов с целью уменьшения влияний. Влияние на ближний конец. Рассмотрим зависимость величи- ны тока электромагнитного вли- яния на ближнем конце цепи /2о от длины взаимовлияющих цепей, для чего воспользуемся формулой (10.11). Зависимость /20 от длины цепей и коэффициента распространения волны определяется выраже- нием |1 - е~2у/|. Так как, у = а +/Р, а р « 2л/Х, то 1 - е - 1 _ е 2а/ е 2,^! = 1 - е 2а/ (cos4 л/ / X. -j'sin4 л/ / X). Это выражение показывает, что при постоянной частоте, а следова- тельно, при постоянной длине волны X, но при различных значениях /, выраженных через X получим: при / = 0 1 _ e~W = 0; при / = Х/4 1 _ е-2у/ = ! + е-сА/2. при 1=^12 1 _ ^-2у/ = 1 _ ^-аХ. при 4 1 _ е~2у/ = 1 + е-ЗаМ. Из полученного следует, что при постоянной частоте с изменением длины линии модуль 11 — е-2^| а следовательно, /20 и Л)> изменяются волнообразно (рис. 10.3). Амплитуды колебаний 120 и Ао с увеличением длины цепей умень- шаются. При электрически длинных цепях, когда модуль |1 - е~2у/| - 1, колебания прекращаются, и ток стремится к пределу /20=I/10^/2W- Физически волнообразно-затухающее изменение параметров /20 и Ао объясняется тем, что токи, поступающие к ближнему концу с отдельных участков линии, имеют различные амплитуды и фазы из-за неодинако- вых, проходимых ими, расстояний. На рис. 10.4,а показаны векторы то- ков, поступающих к ближнему концу цепи 2 с отдельных участков ли- нии, равных ХЛ 6. Сдвиг фаз между соседними векторами равен 45°. 312
Токи, поступающие с участков 5, 6, 7 и 8, имеют противоположное направление токам, поступающим соответственно с участков 1,2, 3 и 4. Следовательно, результирующий вектор, равный геометрической сум- ме векторов токов, поступающих на ближний конец с участков 5—8, имеет противоположное направление результирующему вектору токов, поступающих с участков 1-4 (рис. 10.4, б). Таким образом, через учас- тки, равные 1/4 к, происходит как бы изменение знака коэффициента электромагнитной связи. Это явление называют электрическим скре- щиванием по аналогии с явлениями, происходящими при физическом скрещивании проводов (жил) цепей. Так как шаг электрического скре- щивания уменьшается пропорционально увеличению частоты, то вли- яние между электрически длинными цепями на ближнем конце цепи не зависит от частоты и имеет значение значительно меньшее по сравне- нию с тем, если бы этих электрических скрещиваний не было. Рассмотрим, как изменяется Ао в зависимости от частоты тока при неизменной длине цепей. Минимум Ао (максимум влияния) будет тог- да, когда длина линии / равна 1 / 4Х., 3 / 4k и т. д., а максимум Ао (мини- 313
Рис. 10.5 мум влияния)—когда / равно 1 / 2Х, X и т. д. (см. рис. 10.3). Оп- ределим частоты, на которых Ао имеет наибольшие и наимень- шие значения, называемые кри- тическими частотами. Так как X - v/f где о — ско- рость распространения энергии, то первый минимум Ао будет при частоте f= v/4l. Другие частоты, на которых будут минимальные и максимальные значения Ао, определяются как/кр -Itf. При нечетных к значения Ао минимальные, а при четных максимальные. При расчетах переходного затухания в широком диапазоне частот необходимо учитывать колебательные процессы и в первую очередь проверять соответствие затухания нормам на нечетных критических частотах. Влияния на дальний конец цепи. Из формулы (10.13) следует, что вли- яние на дальний конец увеличивается пропорционально частоте тока, но с увеличением длины цепей может не только возрастать, но и убы- вать в зависимости от | е~ч!\. Физически последнее объясняется тем, что токи влияния на дальний конец, поступающие с отдельных участков взаимовлияющих цепей, имеют одинаковую длину пути (рис. 10.5) и при одинаковых цепях фазы токов поступающих с отдельных участков, складываются арифметически. Поэтому защищенность между цепями уменьшается с увеличением дли- ны цепей. По той же причине снижается и переходное затуха- ние на дальнем конце A/=AJ + al. Однако с увеличением длины взаимовлияющих цепей возрас- тает их собственное затухание al, поэтому до некоторой длины це- пей переходное затухание на дальнем конце снижается, а затем возрастает. Характер зависимос- 314
ти переходного затухания и защищенности от длины линии приведен на рис. 10.6. Если коэффициенты распространения волны взаимовлия- ющих цепей неодинаковы У] и у2, то величина влияний первой цепи на вторую отличается от величины влияний второй цепи на первую, т.е. наблюдается так называемый эффект перестановки. Этот эффект обус- ловлен тем, что в формуле (10.10) для расчета тока электромагнитного влияния на дальнем конце цепи, при влиянии первой цепи на вторую, входит разность коэффициентов распространения первой и второй цепи (у, -у2); при влиянии второй цепи на первую в формуле (10.10) появят- ся множители вида (у2 - Yj) вместо (у, - у2). В формуле (10.9) для расче- та тока электромагнитного влияния на ближний конец цепи при неоди- наковых коэффициентах распространения волны взаимовлияющих цепей входит их сумма, поэтому эффект перестановки на ближнем кон- це взаимовлияющих цепей не наблюдается, т.е. ток /20 одинаков в слу- чае влияния первой цепи на вторую и в обратной комбинации при вли- янии второй цепи на первую. 10.5. Косвенные влияния При выводе формул, для определения токов влияния и переходного затухания предполагалось, что на линии имеются только две одинако- вые цепи с параллельными проводами (жилами), согласованными на- грузками и электромагнитными связями, постоянными по всей длине цепей. В действительности всегда имеют место влияния через третьи цепи из-за несогласованности нагрузок и линии, а также конструктив- ных неоднородностей. Эти влияния принято называть косвенными (до- полнительными). Токи этих влияний, складываясь с токами непосред- ственного влияния, снижают переходное затухание между цепями и защищенность цепей от взаимных влияний. Исследованиями установ- лено, что косвенные влияния особенно сказываются на дальнем конце цепей в области высоких частот и при определенных условиях могут превышать непосредственное влияние между цепями. Модель влияний через третьи цепи. Между симметричными це- пями эта модель отражает процесс влияний, обусловленный попереч- ным электромагнитным полем в многопроводных линиях связи при про- извольных нагрузках цепей. В рамках этой модели в начале определяют 315
a б Рис. 10.7 токи, поступающие к ближнему /30 и дальнему /3) концам третьих це- пей, затем определяют токи в цепи, подверженной влиянию; для даль- него конца— токи Гц и Гц (рис. 10.7, а). Дополнительные токи влия- ния на ближний конец цепи на рис. 10.7,а не показаны. Модель влияния через третьи цепи может быть представлена в виде схемы (рис. 10.7,6). Расчет влияний через третьи цепи заключается в определении напряжения эквивалентного генератора dll^. Это напря- жение зависит от характера распределения электромагнитных связей между цепями 1 и 3, а также от нагрузочных сопротивлений и после- дующего пересчета напряжения на цепь 2. При этом следует учесть, что d(J3x обусловлено переходом энергии между цепями 1 и 3 по зако- ну дальнего конца на участке сближения 0 — хи ближнего конца на участке х — /. Напряжение dU3x является источником влияния на цепь 2. Токи косвенного влияния, поступающие к ближнему концу цепи 2, переходят с одной цепи на другую по закону дальнего конца, и ими можно пренебречь по сравнению с токами непосредственного влия- ния. Токи косвенного влияния на дальний конец цепи 2 переходят с одной цепи на другую по закону ближнего конца и учитываются. Рас- четные формулы для определения токов косвенного влияния на даль- ний конец цепи приведены в [5]. В двухпроводных цепях индуцированная энергия распространяет- ся не только в тракте «провод — провод», но и в тракте «два прово- да — земля». Для токов тракта «два провода — земля» при цепях без наложения можно считать, что двухпроводные цепи находятся в ре- жиме холостого хода. Таким образом, в однопроводных наложенных цепях и в тракте «два провода — земля» двухпроводных цепей инду- 316
цированные токи будут иметь одно направление, и третьи цепи могут рассматриваться как пучок проводов, через который токи влияния переходят с цепи 1 на цепь 2. Особенно большие вли- яния на цепи связи, через пучок проводов, оказывают цепи авто- матики, выходящие из релейных помещений, где сосредоточены мощ- ные источники помех (реле и трансмиттеры). Влияния вследствие отражений. Такие влияния возникают в ре- зультате неполного согласования входного сопротивления аппаратуры с волновым сопротивлением цепи. На рис. 10.8. показаны две цепи, из которых одна влияющая, другая подверженная влиянию, и пути токов влияния. Оба тока переходят с одной цепи на другую по закону ближне- го конца. Токи непосредственного влияния на дальний конец цепи на рис. 10.8 не показаны. Из рис. 10.8 можно видеть, что токи влияния на дальнем конце из-за явления отражений будут тем меньше, чем лучше согласовано входное сопротивление аппаратуры с волновым сопротив- лением цепей и чем больше переходное затухание на ближний конец. Следовательно, защищенность на дальнем конце зависит от переходно- го затухания на ближнем конце Ао и согласованности входного сопро- тивления аппаратуры с волновым сопротивлением цепи. По этой при- чине оба эти параметра нормируют. Влияние из-за конструктивных неоднородностей. В кабельных линиях конструктивные неоднородности обусловлены допусками на па- раметры полуфабрикатов, используемых для изготовления кабеля (жилы, изоляция жил), допусками в процессе производства кабелей, при скрутке в группы и в общий сердечник кабеля, а также при наложении оболо- чек. На воздушных линиях причинами конструктивных неоднороднос- тей являются неодинаковые длины стрел провеса проводов, различные расстояния между штырями на траверсах и крюками на опорах. Это приводит к тому, что волновое сопротивление цепей изменяется по дли- не, в результате чего линия становится неоднородной. В местах изме- нения волнового сопротивления возникают отраженные волны, кото- рые приводят к появлению суммарной волны, вызванной всеми точками 317
отражений по длине цепи, движущейся к ее началу (встречный поток), и суммарной отраженной волны, движущейся к концу цепи (попутный поток). Эти потоки являются дополнительными источниками влияний на соседние цепи. Конструктивные неоднородности увеличивают по- перечную и продольную асимметрии, а следовательно, и влияние меж- ду цепями. Распределение конструктивных неоднородностей вдоль линии но- сит случайный характер, что значительно ухудшает эффективность скрещивания (скрутки), поэтому их строго нормируют. Чем выше пе- редаваемый спектр частот, тем меньше величина допуска, так как вли- яние из-за конструктивных неоднородностей возрастает с ростом ча- стоты передаваемого по цепям тока. На воздушных линиях связи расстояние между штырями траверс не должно отклоняться от уста- новленного более чем на 1,5 см, отклонение длины элемента скрещи- вания при средней длине его 100 м не должно быть более ± 10 м, асим- метрия сопротивления проводов цепи ВЛС постоянному току (надлине усилительного участка) должна быть не более 5 Ом для цепей с про- водами из цветных металлов и не более 10 Ом для цепей из стальных проводов диаметром 4 и 5 мм. Конструктивные элементы симметричных высокочастотных кабе- лей изготавливаются с жесткими допусками: диаметр медной жилы 1,2 мм ± 100 мкм; максимальная разность диаметров жил в паре 50 мкм; диаметр полистирольного корделя 0,8 мм ± 30 мкм, толщина полисти- рольной пленки 0,045 мм ± 11 мкм. Омическая асимметрия цепей кабельных линий городских телефон- ных сетей постоянному току не должна превышать 1 %, от сопротивле- ния шлейфа измеряемой цепи, а цепей симметричных высокочастот- 0,23 ных кабелей типа МКС ~т=—~, где I —длина усилительного участка, yjl -dz км; d — диаметр жилы, мм. По кабелям типа МКС могут работать как аналоговые так и цифро- вые системы передачи. Однако производство кабелей типа МКС техно- логически сложно и они обладают сравнительно низкой электрической прочностью. Самарская кабельная компания освоила производство трех- слойной пленко-пористой полиэтиленовой изоляции на медную жилу. Пленко-пористая изоляция отличается высокой геометрической и диэ- 318
лектрической однородностью за счет автоматического регулирования диаметра изолированной жилы, погонной емкости и эксцентриситета. Это позволяет обеспечить выполнение основных электрических ха- рактеристик кабелей с пленко-пористой полиэтиленовой изоляцией в соответствии с ГОСТ 15125-92 «Кабели связи симметричные высо- кочастотные с кордельно-полистирольной изоляцией». В табл. 10.1 приведены нормативные значения некоторых параметров в соответ- ствии с ГОСТ 15125-92 и их измеренные значения для кабеля с плен- ко-пористой полиэтиленовой изоляцией. Из приведенных данных вид- но, что новый симметричный кабель с пленко-пористой полиэтиленовой изоляцией по электрическим характеристикам передачи и взаимного влияния не уступает кабелю типа МКС. Таблица 10.1 Параметр Частота, МГц Норма, на строительной длине 825 м Результаты измерений а, дБ / км (ие более) 4,2 10,59 10,2 17 23,19 23 Л(), дБ (не менее) 4,2 39 44,5 17 30 35,4 Л3, дБ (не менее) а) для виутричетверочных комбинаций 4,2 34 37,3 17 12 15,3 б) для межчетверочиых комбинаций 4,2 44 48,5 17 22 27,5 10.6. Влияние между коаксиальными целями Ток, проходящий по коаксиальной цепи, не создает внешнего попе- речного электромагнитного поля, и, казалось бы, влияние между таки- ми цепями невозможно. Однако в действительности при сравнительно низких частотах расположенные рядом коаксиальные цепи оказывают некоторое влияние друг на друга из-за продольной составляющей элек- трического поля, направленной вдоль оси цепей. При прохождении тока по цепи I (рис. 10.9) на поверхности вне- шнего провода создается падение напряжения и действует продоль- 319
2 3 Рис. 10.9 ная составляющая электрического поля Е7, которая вызывает ток на поверхности внешнего провода цепи 2, подверженной влиянию. Воз- никает промежуточная цепь 3, которая становится влияющей по отно- шению к цепи 2. Ток влияния во внешнем проводе цепи 2 вызывает падение напряжения, создающее помехи в этой цепи на ближнем и дальнем концах. Частотная зависимость влияния между коаксиальными цепями иная, чем при влиянии между симметричными цепями. G увеличением час- тоты тока влияние между симметричными цепями возрастает, а между коаксиальными уменьшается. Объясняется это тем, что из-за эффекта близости плотность тока во внешнем проводе с ростом частоты увели- чивается в направлении внутренней поверхности, а на внешней поверх- ности уменьшается. Поэтому с ростом частоты уменьшается напряжен- ность поля вне цепи. Происходит самоэкранирование цепи, при этом эффект самоэкранирования будет тем больше, чем выше частота тока. При очень высоких частотах, когда весь ток сконцентрирован внутри кабеля, напряженность Ez кабеля приближается к нулю. Экранирую- щий эффект достигает максимума, и влияние между цепями теорети- чески отсутствует. В отличие от симметричных кабелей, у коаксиальных кабелей элек- тромагнитные связи влияния на ближний и дальний концы одинаковы, поскольку отсутствуют поперечные электрические и магнитные связи; переходное затухание между коаксиальными цепями возрастает с уве- личением частоты. Для передачи по коаксиальным цепям используют спектр частот от 60 кГц и выше, причем для уменьшения влияния в диапазоне частот до 100 кГц коаксиальные пары экранируют стальны- ми лентами, накладываемыми в два слоя. 320
10.7. Влияния между симметричными цепями при передаче импульсов Ранее при рассмотрении вопросов влияния предполагалось, что воз- буждаемые источниками влияния напряжения и токи изменяются по гармоническому закону. Это характерно для применяемых на железно- дорожном транспорте аналоговых систем автоматики и связи с частот- ным разделением каналов. В связи с внедрением цифровых систем пе- редачи (ЦСП) актуальны вопросы влияний между цепями при передаче по ним импульсов, чаще всего прямоугольной формы. При взаимных влияниях между системами ЦСП возбуждаемые в цепях помехи характеризуются мгновенными значениями напряжений и(х, t) или токов z(x, f) в цепи, подверженной влиянию. Эти помехи мо- гут быть определены через временные характеристики влияния, к кото- рым относятся переходная g'(t) и импульсная h’(f) характеристики вли- яния, отражающие соответственно реакцию в цепи, подверженной влиянию, на скачок напряжения и единичный импульс во влияющей цепи. Зная эти характеристики, можно рассчитать временные характе- ристики помех при любой длительности и форме влияющих импульсов в случае произвольного их следования во времени. При рассмотрении непосредственных влияний между цепями сис- тему из двух взаимовлияющих цепей удобно рассматривать как вось- миполюсник (рис. 10.10,а). В этом случае задача анализа влияния меж- ду цепями сводится к определению в частотной или временной области передаточной функции (К) эквивалентного четырехполюсника на ближ- ний (рис. 10.10,6) и дальний (рис. 10.10,в) концы. Временные характеристики влияния между цепями в импульсном режиме и частотные характеристики, определенные для установивше- Рис. 10.10 21 Зак. 81 321
гося режима гармонических колебаний, однозначно связаны, и по изве- стным одним характеристикам могут быть определены другие. При известной передаточной функции четырехполюсника ЛГ'(ю)-|Л:'(ю)|-^0(1о) »{72(co)/^i(w), (10.27) где £71 (со) и £7 2 (то) i — напряжение соответственно во влияющей и под- верженной влиянию цепи |Х7'(<о)| и 0(ю), — соответственно амплитудно и фазочастотная характеристики четырехполюсника. Импульсная характеристика g'(t) четырехполюсника и переходная Л'(/) могут быть определены обратным преобразованием Фурье g(t) = т— (10.28) —со = у- /[к\о)/уюр“'4Й». (10.29) Между граничными значениями временных характеристик цепей при t = 0 и их амплитудно-частотных характеристик при ю » оо существует следующая связь: Л(0) - lim К'(а). (Ю.ЗО) со—*ос v ' Следовательно, отклик в цепи, подверженной влиянию на ступенча- тое воздействие, как и любое иное «разрывное» воздействие, будет скач- ком достигать некоторого отличного от нуля значения тогда, когда при to -» оо значение Л"(<о) не стремится к нулю. Учитывая сказанное и принимая во внимание известные частотные зависимости и зависимости характеристик от длины взаимовлияющих цепей при влияниях на ближний и дальний концы цепей (см. п. 10.3 и рис. 10.6), можно сделать вывод, что при ступенчатом воздействии во влияющей цепи на ближнем конце цепи при любой длине взаимовлия- ющих цепей и на дальнем конце при коротких цепях будет ступенчатый отклик, в то время как на дальнем конце при длинных цепях будет на- блюдаться плавное нарастание напряжения. Более подробные сведения об изменении во времени напряжений (токов) в цепи, подверженной влиянию, можно получить из анализа уравнений влияния. 322
Уравнения непосредственного влияния между цепями на ближний и дальний концы цепей при одинаковых волновых параметрах цепей и при произвольных изменениях значений электромагнитных связей по длине линии в операторной форме имеют вид [5] tW/O “ (Pu\o(PV2)fN\2 (x)e~2^xdx; (10.31) о U2l(p) - (pt/10(p)/2K7(/,)/ (10.32) о где У12(х)и — электромагнитная связь соответственно при влия- нии на ближний и дальний концы в точке х. Подробное изложение материала приведено в [5]. Для наглядного истолкования результатов при переходе от изобра- жений решений (10.31) и (10.32) к их оригиналам делается ряд допуще- ний. Будем считать, что линия не вносит искажений при передаче сиг- налов, т. е. у(р) = а(р) +у’Р(р) = а + р/v, где и—скорость распространения энергии по линии; а = const, и = const. Допустим дополнительно, что У12(х) равно нулю по всей длине ли- нии, кроме одной точки на расстоянии £ от начала цепи. Решение для ближнего конца в этом случае имеет вид w20(0 = 0,5#12(W/2>-™' du^~^x/^. (ю.зз) at Если к влияющей цепи приложено воздействие типа единичного скачка v10(0 = 1 (т), то формулу (10.33) можно преобразовать: w20(0 = 0,5#) 2 (W / 2>-av/6(t - 2х / о). (10.34) Выражение (10.34) определяет единичный импульс б, запаздываю- щий на время t0 = 2x/v, амплитуда которого пропорциональна величи- не связи У] 2 в точке х = vt/2 и который ослаблен в eavl раз по сравнению с единичным скачком. Измерение влияний на ближний конец в этом режиме позволяет определить распределение электромагнитных свя- зей между цепями вдоль линии. Если же к влияющей цепи прилажен единичный импульс n10(t) = 6(f), то w20(f) = 0,5#12(uf/2)e-a°'61[f-(2x/o)], (10.35) 21* 323
где 6] [Z - (2х/и)] — разрывная функция, совершающая при t = 2x/v по- следовательно два скачка — первый в + ос, а второй в — оо. Решение для дальнего конца имеет вид: и2/(О = 0,5е"а/f Fj2(х)dx (10.36) о dt Выражение (10.36) показывает, что напряжение непосредственного влияния на дальний конец в импульсном режиме определяется суммой связей на измеряемом участке, имеет, форму производной зондирую- щего импульса, запаздывает по сравнению с ним на время <0 = l/v и ослаблено в еа1 раз. Временные зависимости w20(t), полученные из уравнений (10.34) и (10.35), в полной мере справедливы только для указанных моделей сиг- налов и линии с учетом оговоренных допущений. Поэтому при сопос- тавлении экспериментальных зависимостей w20(t) с расчетными необхо- димо учитывать практически реализованные влияющие импульсы и искажения в линии. Влияющие импульсы типа 1 (Z) и &(/) являются мате- матическими абстракциями. Практически импульс 1(Z) реализуется в виде переднего фронта прямоугольного импульса с длительностью, превыша- ющей время распространения по линии и обратно. Единичный импульс &(/) реализуется в виде сравнительно короткого прямоугольного импуль- са, длительность которого устанавливается экспериментально (ориенти- ровочно десятые доли микросекунды). Практически применяемые им- пульсы, а следовательно, и получаемые результаты могут лишь в той или иной степени приближаться к результатам, даваемым импульсами типа 1(/) и &(/). При воздействии во влияющей цепи импульса типа единично- го скачка на ближнем конце цепи можно наблюдать характер распределе- ния связей и отчасти их значение (в линиях без потерь можно определить точное значение связей) в различных точках вдоль линии. При воздей- ствии типа единичного импульса обнаруживаются места резкого измене- ния значения связей. Для практической ориентировки в чтении осцил- лограмм (рис. 10.11,а) показан ожидаемый характер изменения переходной и импульсной характеристик на ближнем конце цепи при равномерном распределении связей, а на рис. 10.11,6— при знакопеременном распре- делении: 1— распределение связей; 2 — переходная характеристика вли- яния; 3 — импульсная характеристика влияния. 324
a б Рис. 10.11 Контрольные вопросы 1. В чем состоит проблема электромагнитной совместимости цепей; каковы ее особенности в железнодорожных магистральных кабельных линиях? 2. Что понимается под непосредственными и косвенными влияния- ми между цепями? 3. На какой конец цепи (ближний или дальний) непосредственное электромагнитное влияние больше и почему? 4. Что такое переходные затухания и защищенность между цепями? 5. Как изменяется переходное затухание между нескрещенными це- пями при непосредственном влиянии на ближнем (дальнем) конце в зависимости от длины линии и частоты тока? 6. Каковы особенности влияний между коаксиальными цепями и зависимость влияний от частоты тока? 7. В чем суть временных характеристик влияния между цепями и какова их взаимосвязь с частотными характеристиками? 325
Глава 11 МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ Меры по уменьшению взаимных влияний между направляющими системами принимают либо только на этапе изготовления изделия в за- водских условиях (волоконно-оптический кабель); либо только на этапе строительства (воздушные линии связи); либо на обоих этапах (симмет- ричный и коаксиальный кабель). Основной мерой защиты от взаимных влияний цепей воздушных линий связи является скрещивание, а цепей симметричных кабелей—скрутка жил в группу и симметрирование (ком- плекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний в процессе выполнения монтажных работ на кабельной магистрали). 11.1. Скрещивание цепей воздушных линий Скрещивание цепей, т. е. перемена их проводов местами через оп- ределенные расстояния, уменьшает взаимные и внешние влияния, обус- ловленные поперечной асимметрией, а при подвеске проводов на раз- личном расстоянии от земли (крюковой профиль) и влияние из-за продольной асимметрии. Уменьшение влияний за счет скрещивания для электрически корот- ких линий показано нарис. //./.Если провод и цепи 2 (рис. 11.1, а) рас- положен ближе к влияющей цепи /, чем провод б, то ток влияния / > /б. Через нагрузки на концах цепи 2 пройдет результирующий ток влияния 4б = (4+4) - (4+4) = 24 - 24 * о. (И.1) При скрещивании цепи 2 (рис. 11.1,6) провода а и б поменяются местами, и результирующий ток будет равен нулю 4б = (4+4)-(4+4) = °- О1-2) При скрещивании цепи 1 (рис. 11.1, в) ток /аб также будет равен нулю, так как токи влияния на правой половине цепи 2 изменят свое направ- ление на противоположное. Таким образом, при скрещивании токи вли- яния одного участка компенсируются токами влияния другого участка, что аналогично изменению знака коэффициента электромагнитной свя- 326
Рис. 11.1 зи. Те же процессы будут происходить, если скрестить одну из цепей в нескольких точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. При этом число участков, на которые будут поделены цепи, дол- жно быть четным. В случае нечетного числа участков всегда остается не скомпенсированный участок, называемый неуравновешенной длиной. Практически при скрещивании токи влияния одного участка полно- стью не компенсируются токами влияния другого участка, поскольку токи с различных участков проходят неодинаковый путь и отличаются по амплитуде и фазе. Допустим теперь, что обе цепи скрещены в одной точке (рис. 11.1, г). При таком скрещивании результирующий ток /аб = (/а -1&) - (7б - ?а) = 2/а - 2/б # 0. Сравнивая полученное выражение с формулой (11.1), можно отметить, что скрещивание обеих цепей в одной точке бесполезно. Следователь- но, при подвеске на линии нескольких цепей каждая цепь должна скре- щиваться по своей схеме. На линиях связи всегда подвешивают несколько цепей. Линии связи могут иметь различную длину. Поэтому скрещивание удобно устраи- вать отдельными участками, секциями, на которых бы заканчивались схемы скрещивания всех цепей и отсутствовала неуравновешенная дли- на линии. Секции составляют из 2" элементов, где п — целое положи- тельное число. За длину элемента принимают отрезки линии, равные 327
двум, а иногда трем или одному пролету. Чем боль- ше в секции элементов, тем больше можно полу- чить различных схем скре- щивания, число которых в секциях равно 2" — 1. Практически применяют секции из 8, 16, 32, 64, 128 и реже из 256 элемен- тов. Секции из 128 и 256 элементов называют ос- новными, а остальные — укороченными. В первую очередь размещают основные секции, так как они позволяют получить лучшую взаимную защищенность для боль- шого числа цепей. Укороченные секции применяют, если на линиях не укладывается целое число основных секций. При составлении схем скрещивания пользуются условными обозна- чениями, называемыми индексами. Скрещивание цепей через равные промежутки (рис. 11.2} обозначают одноцифровыми индексами: 1 — через один элемент; 2 — через два элемента; 4 — через четыре элемен- та и т. д. Эти индексы и схемы скрещивания называют основными. Схемы, обозначенные двумя индексами, получаются наложением основных схем. Например, если цепь, скрещенную по индексу 1, вто- рично скрестить по индексу 2, то через каждые два элемента схемы скрещивания совпадут. Два скрещивания в одной точке взаимно ком- пенсируются и в результате цепь будет скрещена по индексу 1—2. Цепь, скрещенную по индексу 1—2, можно дополнительно скрестить по индексу 8, и тогда схема скрещивания ее будет определяться по индексу 1-2-8 и т. д. Увеличение переходного затухания на ближнем конце между скрещен- ными цепями зависит от схемы взаимной защищенности, которая опре- деляется скрещиваниями цепей, не совпадающими при наложении схем друг на друга. Например, если одна цепь скрещена по индексу 1—4, а другая — по 1—8, то, наложив одну схему на другую, можно видеть, что схема взаимной защищенности имеет индекс 4—8. Следовательно, для 328
того чтобы установить схему взаимной защищенности между любыми цепями, достаточно исключить одинаковые индексы из схем скрещива- ния обеих цепей. Оставшиеся индексы будут определять схему взаим- ной защищенности. 11.1.1. Переходное затухание между скрещенными цепями воздушных линий связи Фазы токов влияния, поступающие с отдельных участков взаимо- влияющих цепей на ближний и дальний концы цепи, в случае воз- душных линий известны. Поэтому для определения переходного за- тухания между скрещенными цепями можно воспользоваться формулами (см. п. 10.2) Допустим, что имеются две цепи длиной 7, из которых одна скреще- на по индексу 1, а другая не скрещена; число элементов п, длины эле- ментов одинаковы и равны S, а электромагнитные связи между цепя- ми — постоянны по всей длине цепей. Для определения переходного затухания на ближнем конце сначала установим значения токов влия- ния, поступающих с каждого элемента, пользуясь формулой (10.9). При- няв У| + у2 = а, определим ток влияния первого элемента l'20 = (Il0Nl2/2a)(\-e-aS), второго элемента /22о=(Ао^12/2а)(1-е-а5)е-а5,... последнего элемента I^=(h0Nl2/2a)(\-e-aS)e-a^s. Полный ток влияния с учетом изменения его направления при скре- щивании /с /1 ,2 , ,п l\0Nn . (i .-aS fi „-aS , _-af»-l)sl y20 '20 — ' 20 + — ' 20— \1-e i‘-e J В квадратных скобках имеем ряд геометрической прогрессии со зна- менателем q = -eaS. Сумма членов прогрессии l-gn l-e~anS l + q l + eaS 329
Подставив значение S в выражение для /20 и учитывая, что nS = /, получим 20 Л0М1 2а У или -с 20 2а V ' 2 (П-3) При скрещивании по индексу 2 расстояние между скрещиваниями будет равно 25и в полученную формулу будет входить не th—, a th«S, и в общем случае где п — индекс скрещивания. Выражение (11.3) при индексе скрещивания п примет вид ---А оМ 2 L _ е-(Т| +Т2 )4h + 7? nS. П1 4) 20 2(71+y2)L J 2 (1L4) С учетом формулы (10.9) из формулы (11.3) получим Z20 “/20th(a/2)n‘S'- (П.5) Если схема взаимной защищенности обозначена несколькими индек- сами, то можно доказать, что в этом случае в формулу (11.5.) будут вхо- дить столько гиперболических тангенсов, сколько индексов имеет эта схема, и аргументы тангенсов будут соответствовать индексам скрещи- вания. Например, при схеме взаимной защищенности с индексом 1-4-16 У20 ’/2o|th(a/2)SHth(a/2)45Hth(a/2)l65l (Н-6) или Jc ~ J Т 120 z20y’ где Т— произведение модулей гиперболических тангенсов. Обозначив /10 / /20 = ^2о, получим выражение для переходного зату- хания между скрещенными цепями: ^-2О1ё|^|-2О1ёВо^-Ло+Яп, (Н.7) где Ло — переходное затухание между нескрещенными одинаковыми цепями, равное 20 1ё|В0|; Лп — прибавка переходного затухания, вызванная скрещиванием и равная 20 1ё| 1/7]. 330
Из формул (11.5)—(11.7) следует, что скрещивание может принести не только пользу, но и вред. Когда модуль гиперболического тангенса или произведение модулей меньше единицы, то прибавка будет поло- жительной, а если больше единицы — отрицательной, и скрещивание в этом случае увеличит влияние. Значение тока влияния на дальний конец определяется по формуле (10.10). Структура формулы (10.10) одинакова с формулой (10.9). По- этому, определяя токи влияния каждого элемента на дальнем конце и складывая их аналогично вышеизложенному, получим 1С21-1цТ', где I21 — ток влияния на дальнем конце при скрещенных цепях; I 1th Т' — произведение модулей гиперболических тангенсов вида 2 , соответствующих индексам взаимной защищенности. При Yj = у2 каждый из тангенсов будет равен нулю, и, следовательно, влияния на дальний конец (без учета косвенных влияний) не будет. 11.1.2. Эффективность скрещивания в зависимости от шага скрещивания Значение модулей гиперболических тангенсов, определяющих при- бавку переходного затухания в результате скрещивания, зависит от произведения nS, т. е. от расстояний между скрещиваниями. Для уста- новления эффективности скрещивания на ближнем конце цепи в за- висимости от длины шага скрещивания рассмотрим, как изменяется модуль Т в зависимости от произведения nS. r,-|thylS|-,Ch2a',S-CO^P"5. у ch2a«S + cos20nS л Из выражения (11.8) следует, что при 2Р«5< у; cos2p«S > 0 и Тп < 1, т. е. скрещивание дает положительный эффект. При — < 2 р«5 < — ; cos2p«5 < 0 и Тп >1, скрещивание дает отрицательный эффект. Для определения максимально допустимого шага скрещивания (и£) выразим Р через длину волны к, тогда получим (11.8) nS < у/8. (П.9) 331
Таким образом, положительный эффект от скрещивания наблюда- ется только в том диапазоне частот, в котором шаг скрещивания мень- ше 1/8 длины волны. 11.2. Скрутка кабельных жил Для уменьшения взаимных и внешних влияний две и более изоли- рованные жилы симметричных кабелей скручиваются в группы пар- ной или четверочной (звездной) скруткой. При рассмотрении влияний между цепями симметричных кабелей различают внутригрупповые (между цепями одной и той же группы) и межгрупповые (между цепя- ми различных групп) электромагнитные связи. При парной скрутке необходимо учитывать только межгрупповые связи. При четверочной скрутке необходимо рассматривать оба вида связей. Допустимых значений внутригрупповых связей (влияний) достига- ют за счет симметричного расположения одной цепи в группе относи- тельно другой (по углам квадрата) и высоких требований к однородно- сти материалов, используемых при изготовлении кабеля. В случае межгрупповых влияний допустимые значения последних, обеспечива- ются за счет различных шагов скрутки четверок (в четверке все жилы имеют одинаковый шаг скрутки). Жилы пар, взятых из одной и той же четверки, на всей строительной длине параллельны друг другу. Дей- ствие скрутки аналогично скрещиванию проводов на воздушных лини- ях, и основные положения об электрических процессах, возникающих при скрещивании, справедливы и для скрутки. В настоящее время кро- ме классической (равномерной однонаправленной) скрутки жил исполь- зуется скрутка с переменным случайным шагом и разнонаправленная скрутка (57-скрутка). Разнонаправленная скрутка допускает совмеще- ние операций, например, скрутку жил в пары и пар в элементарный пучок. Разнонаправленная скрутка бывает волновой, когда направле- ние скрутки изменяется через 1 / 2...3 / 4, или циклической, когда на- правление скрутки изменяется после цикла из нескольких витков. Отличие скрутки от скрещивания заключается в том, что скрещива- ние устраивают в точках, и расстояния между соседними скрещивани- ями могут быть различными (при схеме скрещивания по нескольким 332
-----*ч Шаг скрутки Шаг скрещивания Рис 11.3 индексам), а классическая скрутка представляет со- бой равномерное, непрерывное вращение жил от- носительно оси с неизменным шагом по всей дли- не кабеля. Шагом скрутки называют длину участка, на котором жилы группы совершают полный обо- рот вокруг оси скручивания. Шаг скрутки соответ- ствует двум шагам скрещивания по схеме с оди- ночным индексом (рис. 11.3). Шаг скрутки желательно выбирать как можно меньше, так как эф- фективность скрутки будет больше, но с уменьшением шага увеличи- ваются объем кабеля и длины жил, что невыгодно. Поэтому с учетом требований к гибкости и устойчивости конструкций кабеля длину ша- гов скрутки в группы принимают равной 100—300 мм.; при выборе шагов повивной скрутки в сердечнике исходят из рекомендуемой крат- ности шага т = Н/D, где //-шаг скрутки, ZJ-диаметр скручиваемого по- вива. Кратность шага для высокочастотных симметричных кабелей рав- на 18—20, для низкочастотных кабелей дальней связи от 20 (для внешних повивов) до 25 (для внутренних повивов), для пар коаксиаль- ных магистральных кабелей 22—25. Шаги скрутки различных групп должны быть согласованы. Подбор и согласование шагов выполняют по участкам, называемым секциями симметрии или секциями защиты. Длина секции не должна быть более 1/8 длины волны высшей переда- ваемой частоты. Если кабель низкочастотный, то при четном числе групп в повиве достаточно взять два согласованных шага I и II и чередовать их (рис. 11.4). При нечетном числе групп в повиве потребуется три раз- личных шага во избежание появления соседних групп, скрученных с одинаковым шагом. В высокочастотных кабелях шаги скрутки всех групп должны быть неодинаковы и согласованы между собой. Это объясняет- ся тем, что в низкочастотных кабелях влияние между цепями обуслов- лено только одной емкостной связью, для которой промежуточные группы действуют как экран. В вы- сокочастотных кабелях необходимо считаться со всеми видами связи. Для уменьшения влияния между группами, на- ходящимися в соседних повивах, последние скру- Рис 114 333
чивают в разные стороны, и шаги их скрутки согласовывают с шагами скрутки групп. При пучковой скрутке (городские кабели) повивы в пуч- ках скручивают в одну сторону, что позволяет уменьшить сечение сер- дечника кабеля. Для обеспечения механической устойчивости при та- кой скрутке направление скрутки всего сердечника противоположно направлению скрутки его пучков. Принятых мер по уменьшению влияний при изготовлении кабелей оказывается недостаточно для обеспечения требуемого качества кана- лов связи, поэтому во время монтажных работ выполняют симметри- рование кабельной магистрали. 11.3. Переходное затухание между цепями в кабельных линиях Кабельные линии монтируют из отдельных отрезков кабеля (стро- ительных длин), поставляемых заводами со скрученными (скрещен- ными) жилами цепей, и поэтому фазы токов влияний, поступающих к ближнему и дальнему концам кабельной линии, неизвестны. При оп- ределении полного тока влияний применяют квадратичный закон сло- жения токов отдельных строительных длин. Рассматриваемая ситуа- ция отличается от случая влияний между цепями воздушных линий (п.11.2), где фазы токов поступающие с отдельных участков взаимо- влияющих цепей на ближний (дальний) конец, известны, т.к. схемы скрещивания цепей монтируются в процессе строительства воздуш- ной линии. Допустим, что имеется кабельная линия из п отрезков кабеля дли- ной S с цепями, имеющими одинаковые параметры. Для определения переходного затухания на ближнем конце предположим, что электро- магнитные связи между цепями постоянны по всей длине и ток влия- ния первой строительной длины /, = , тогда ток влияния со второй строительной длины будет/2 - I^e~2rS, и т. д., и с последней строи- тельной длины 1п =. Полный ток влияния на ближнем конце Г~---—-------- h-e-4a»S ho - <;2 < -+'«2 - 334
В этом случае отношение токов j г 11 _ g-ias hSL^hlL. -L.-e_____, /СД V ! _ „-Доля ' 20 120 ’ 1 е |--------—7- I 1 — Приравняв/,0 //20 -50; 110//$ -В‘д; " D’ Д”я пере- ходного затухания получим Ао - 2Olg|Z?o| - 201g|^| + 201g|£>| - Лосд + 2Olg|Z>|, где Аоя — переходное затухание на ближнем конце строительной дли- ны, определяемое обычно измерениями. Все токи влияния на дальний конец про- ходят через отдельные строительные длины и пути их от начала влияющей цепи до кон- ца цепи, подверженной влиянию, одинако- вы (см. рис. 10.5). Поэтому при суммирова- нии их по квадратичному закону все слагаемые под квадратным корнем получаются одинако- выми, и полный ток Z2/ Переходя к отношению токов и логарифмируя, получим Aj - Afa - 201gVn + 201g£>', где Л/СД — переходное затухание на дальнем конце строительной дли- ны, определяемое измерениями, D' = Защищенность на дальнем конце (см. п. 10.2) А3 - Afa -201gVn. Строительные длины кабелей в процессе монтажных работ соеди- няют между собой; они образуют кабельную линию. Рис. 11.5 11.4. Симметрирование кабелей Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабе- ля всегда имеют различные электрические характеристики (в пределах, допустимых техническими условиями), и от того, как они будут соеди- 335
йены, зависит защищенность их от взаимных влияний и влияний вне- шних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с сим- метричными кабелями проводят симметрирование — комплекс мероп- риятий, направленных на уменьшение влияний. Способы симметрирования. Взаимные влияния возникают в ре- зультате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в низкочастотных (до 4 кГц) кабелях преобладают электрические связи, а в высокочастотных — электромагнитные комплексные связи. Исходя из этого в НЧ-кабелях достаточно проводить симметрирование емкос- тных связей; в ВЧ-кабелях необходимо симметрировать все составля- ющие (активные и реактивные) электрических и магнитных связей. Для симметрирования НЧ-кабелей применяют метод скрещивания жил и конденсаторный метод. Симметрирование ВЧ-кабелей производят ме- тодами скрещивания жил и концентрированного симметрирования кон- турами противосвязи. Сущность симметрирования скрещиванием жил заключается в ком- пенсации электромагнитных связей между цепями на одном участке кабельной линии связями другого участка. Компенсация объясняется тем, что при скрещивании связи изменяют свой знак (см.п. 11.1). При симметрировании конденсаторным методом последние устанав- ливают в промежуточной муфте, соединяющей два участка кабельной линии, и включают между жилами цепей. Емкость их выбирают такой, чтобы сумма частичных емкостей С13 + С24 (рис. 11.5) была близка к сумме С14 + С23. В случае равенства сумм достигается равновесие элек- трического моста, и емкостная связь равна нулю. Концентрированное симметрирование контурами противосвязи зак- лючается в том, что токи помех, вызываемые электромагнитными свя- зями между цепями, компенсируются токами влияния противополож- ной фазы, создаваемыми с помощью контуров, включаемых между жилами взаимовлияющих цепей. На рис. 11.6 приведена схема включения контура противосвязи Fn, а естественная распределенная связь показана в виде эквивалентной связи F. Поскольку токи влияния I и 1п на дальний конец различных участков сближения цепей имеют одинаковую фазу, то для компенса- ции этих токов достаточно с помощью контура создать такой же ток, но противоположной фазы. При практическом симметрировании слож- 336
ность заключается в реализации требуемой частотной зависимости контура противосвязи, воспроиз- водящего частотную зависимость естественной электромагнитной связи, которая носит комплексный характер, и в необходимости учета эффекта перестановки. Выполне- ние симметрирования значительно упрощается при использовании Рис. 11.6 комплекта приборов для визуального измерения комплексных связей по активной и реактивной составляющим, а также переходных зату- ханий по модулю и фазе вместо приборов для измерения частотных характеристик переходного затухания на ближнем конце и защищен- ности на дальнем конце. На ближний конец цепи токи влияния с различных участков прихо- дят с разными фазами, и компенсировать их токами противосвязи слож- но, так как контуры противосвязи необходимо подключать в местах воздействия электромагнитной связи. Учитывая, что в действительнос- ти электромагнитные связи имеют распределенный характер, то для получения компенсации нужно между цепями подключать большое число контуров противосвязи, что практически неприемлемо. Поэтому концентрированное симметрирование контурами противосвязи приме- няют только для уменьшения влияния на дальний конец. Влияние на ближний конец уменьшают скрещиванием. Методика симметрирования высокочастотных и низкочастотных цепей различна. Высокочастотные цепи имеют большое затухание на высоких частотах, и токи влияния на ближний конец участков, распо- ложенных на расстоянии, соответствующем затуханию 10—11 дБ (на верхних частотах передаваемого спектра), незначительны. Это позво- ляет производить симметрирование на всем усилительном участке. Низкочастотные цепи имеют значительно меньшее затухание, и, сни- жая влияние на дальний конец, можно увеличить влияние на ближний конец и наоборот. Низкочастотные кабели симметрируют небольши- ми участками, называемыми шагами симметрирования: участки ка- бельной линии, состоящие из нескольких строительных длин общей 22 Зак. К| 337
протяженностью до 4 км. Обычно длину шага симметрирования низ- кочастотных кабелей принимают равной 2 км. В железнодорожных кабелях дальней связи имеются высоко- и низ- кочастотные четверки. При симметрировании таких кабелей приходит- ся применять оба метода. Симметрирование низкочастотных цепей. В кабелях со звездной скруткой жил наибольшие влияния имеют место между цепями внутри четверок. Влияние между цепями смежных четверок меньше из-за раз- личных шагов их скрутки. Однако при большой длине кабеля это влия- ние может превысить допустимое. Влияние уменьшают смешиванием четверок, которое заключается в том, что на протяжении кабельной ли- нии четверки меняются местами, то удаляясь друг от друга, то сближа- ясь. В железнодорожных кабелях применяют преимущественно сим- метрирование внутри четверок. Перед началом симметрирования цепи к ней должны быть подключены все ответвления от магистрального кабеля, идущие к устройствам автоматики и связи. Низкочастотные цепи симметричных кабелей в отличие от высо- кочастотных имеют более высокие значения волнового сопротивле- ния. Поэтому при передаче по этим цепям сигналов одинаковой мощ- ности напряжение в низкочастотных цепях окажется больше, а ток меньше, чем в высокочастотных и, следовательно, влияния между низ- кочастотными цепями в большей степени обусловливаются электри- ческими связями, чем магнитными. Низкочастотные цепи магистраль- ных железнодорожных кабелей необходимо симметрировать в тех же муфтах, что и высокочастотные. При совпадении мест расположения усилительных пунктов НЧ- и ВЧ—цепей низкочастотные цепи следу- ет симметрировать одновременно с высокочастотными, а при несов- падении сначала симметрируют высокочастотные цепи, а затем низ- кочастотные. Для симметрирования четверок сначала измеряют емкостные связи в соединяемых строительных длинах кабеля: к{ = (С13 + С24)-(С|4 + С23) между основными цепями в четверке; к2 = (С)3 + С14)-(С23 + С24) меж- ду первой основной и искусственной; к^ = (С|3 + С22)-(С^ + С24) меж- ду второй основной и искусственной. Измеряют также емкостную асим- метрию et = (С10- С20) первой пары четверки; е2 = (Сзо~ С40) втоР°й пары четверки; е3 = (С)о + С2О)-(СЗО + С40) искусственной цепи, где 338
С13, Аз* Ад» Ад — емкости между жилами цепей; С]о, С20, Ао’ Ао — емкости между жи- лами и землей (оболочкой) (см.,рис. 11.5). Затем симметрирование вы- полняют в три этапа: внутри О---0---о Рис. 11.7 шагов симметрирования; при соединении шагов и на смонтированном усилительном участке. Симметрирование внутри шагов (первый этап) можно выполнять в одной, трех и семи точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и от концов шага симметрирования (рис. 11.7). Муфты, в которых выполняют симметрирование скрещиванием, называются сим- метрирующими. Муфты, в которых симметрирование выполняют скре- щиванием и конденсаторами, называются конденсаторными. Муфты, в которых симметрирование не выполняют и жилы соединяют напрямую, называют прямыми муфтами и обозначают кружком (см.рис.11.7). При одноточечной схеме сначала монтируют прямые муфты, а за- тем конденсаторную (К). В случае трехточечной схемы вначале монти- руют прямые муфты, затем симметрирующие и только потом конденса- торные. При симметрировании по семиточечной схеме сначала монтируют симметрирующие муфты А, затем Б и последней — кон- денсаторную муфту К. Схемы скрещивания жил цепей при соединении четверок в симмет- рирующих муфтах выбирают по данным измерений емкостных связей и асимметрии. Например, если на одном участке кабельной линии ем- костная связь между цепями одной из четверок к'} = +350 пФ, а на дру- гом участке емкостная связь между цепями также внутри одной четвер- ки k’i =+300 пФ, то при соединении жил обеих четверок без скрещивания результирующая связь к - к\ + к\ = +350 + 300 = 650 пФ. Если жилы од- ной из цепей скрестить в соединительной муфте, то результирующая связь к{ = 350-300 = 50 пФ. В случае скрещивания обеих цепей значение ре- зультирующей связи не изменится (650 пФ). Когда имеется искусственная цепь, возможны 8 вариантов скрещи- вания. Эти комбинации скрещиваний и соответствующие им знаки ем- костных связей и асимметрии приведены в таблице. 22* 339
Таблица Комбинация Схема соединения жил Условные обозначения операторы Емкостные связи Емкостные асимметрии Сторона К\ к2 К3 е1 е2 е3 А Б 1 • -j— • • • К{+К’{ к2 + к2 к3 + к3 е1'+еГ е2*е2 ^з + ез" 2 X. . К2~К.2 *3 ~ к3 е{-е{' е2 + е2 ез+ез" 3 • X. К*2 *2 «з~«з е\+е\ е2~е2 ^3 + е3 4 XX. и{ + к'{ к3 ~ к3 е\~е\ е2~е2 ез+ез" 5 • • X Kj Kj *2 + *3 к3+к2 е1'+еГ е2'+ е" е'з~ез 6 X . X к2~к3 к3 + к2 е2 + е\ е3~е3 7 • XX Kj - К'{ 'с2+к3 к3 ~ к2 <+е2" е2~е" ез~ез" 8 XXX к;+К]" к2~к3 к3~*2 е2~ е\ ез~ ез" Штрихами у букв обозначают участки кабеля. Для удобства введены условные обозначения, называемые операторами. Крест соответствует скрещиванию, а точки — соединению напрямую (цвет в цвет). При выполнении симметрирования скрещиванием пробуют все воз- можные схемы и выбирают ту, при которой связи и асимметрия имеют наименьшие значения. Когда нельзя одновременно уменьшить связи и асимметрию, оператор выбирают исходя из задачи уменьшения связей. Если скрещиванием не удалось снизить связи и асимметрию до до- пустимых значений (к}, к2, к2 s 20 пФ; е}, е2 s 100 пФ), то применяют симметрирование конденсаторами. Емкости этих конденсаторов выбирают так. Допустим, измерения- ми установлено, что к} = -30 пФ. Это значит, что в уравнении для к} сумма емкостей (С13 + С24) меньше суммы (С14 + С23) на 30 пФ. Следо- вательно, для того чтобы получить значение к{ = 0 и не изменить к2 и к2 необходимо включить дополнительные конденсаторы емкостью 15 пФ 340
S' ----------- 1 -я пара V четверки -----------о j о- a I z"i j Монтируемая(муфта —т-А---------- c | 7 ; 2-я пара четверки o-l-o “d?------------ Отсимметрированный участок S Направление движения бригады по симметрированию Рис. 11.8 между жилами 1-3 и 2-4 четверки. Аналогично можно уменьшить свя- зи к2 и ку Для снижения асимметрии конденсаторы подбирают так же, но включают их между соответствующими жилами и оболочкой (зем- лей). При соединении шагов между собой (второй этап) симметриро- вание выполняют способом скрещивания по результатам измерений переходного затухания между цепями на частоте 800 Гц. Выбирают операторы, которые дают наибольшее переходное затухание. Шаги наращивают последовательно, начиная от концов усилительного уча- стка к его середине по измерениям переходного затухания на ближ- нем и дальнем конце, добиваясь наибольшего их значения. Одно- временно выравнивают рабочие емкости и сопротивления жил основных цепей в шаге симметрирования так, чтобы асимметрия не превышала 0,1 Ом. На участках, где возможны большие внешние влияния, на втором этапе симметрирования проводят дополнительные мероприятия по сни- жению коэффициента чувствительности цепей к помехам. Для этого при соединении между собой шагов симметрирования по направлению от конца усилительного участка к его середине по резуль- татам измерения переходного затухания на ближнем конце и напряже- ний Ц и С72 в соединяемых четверках кабеля (рис. 11.8). Измерительный 341
генератор G включают в конце наращиваемого шага симметрирования S (точка С). На головной станции (точка А) проводят серию измерений на зажимах нагрузочных сопротивлений кабельных цепей в четверке U[, U'1 ,U[, Uz Каждая группа из двух измерений относится к определенному оператору скрещивания жил четверки в мон- тируемой муфте. Наименьшему измеренному напряжению будет соот- ветствовать минимальный коэффициент чувствительности цепи. Приемлемый оператор (схема соединения жил в точке В) выбирают компромиссно на основании результатов сравнения значений переход- ных затуханий между цепями в кабельной четверке и измеренных напря- жений Ц и 1/2- При этом переходные затухания не должны быть менее допустимых, а измеренные напряжения должны быть наименьшими. На третьем этапе симметрирование на смонтированном усилитель- ном участке выполняют в муфте, расположенной примерно в середине усилительного участка. В этой муфте соединяют жилы в четверке по результатам измерения защищенности на дальнем конце и напряжений Ц и U2, выбирая компромиссно самый выгодный оператор. В четвер- ках, не удовлетворяющих нормам переходного затухания и защищен- ности, включают компенсирующие контуры. Симметрирование высокочастотных цепей. Для уменьшения тру- доемкости и повышения эффективности симметрирования на стадии подготовительных работ проводят группирование строительных длин кабеля по средним значениям рабочей емкости цепей и по величине переходного затухания на ближнем конце. В этом случае из паспорт- ных данных на строительные длины выбирают минимальные значения переходного затухания на ближнем конце между всеми цепями и со- ставляют ведомость укладки этих кабелей на участке. На концах усили- тельного участка прокладывают кабели с наибольшими значениями переходного затухания, что позволяет исключить или значительно об- легчить процесс симметрирования на ближний конец цепи. Для высо- кочастотных цепей симметрирование выполняют в пределах усилитель- ных участков систем передачи с частотным разделением каналов (цифровые системы обладают большей помехозащищенностью и не тре- буют симметрирования ВЧ-цепей). Симметрирование на дальнем кон- це усилительного участка выполняют в два этапа: на первом — систе- матическое скрещивание первой цепи четверки при соединении 342
строительных длин кабе- ля (оператор соединения в муфте жил кабеля х..); на втором — скрещива- ние цепей в одной, двух или трех точках (муфтах) (рис. 11.9) с подбором опытным путем наилуч- шего сочетания операто- а НУПп //2 НУПп+1 /А НУПп+1 Рис. 11.9 //4 ров скрещивания по результатам измерений защищенности цепей на дальнем конце усилительного участка. Эффективность двухэтапного скрещивания ВЧ-цепей зависит от значений так называемого парамет- ра симметрируемости внутричетверочных комбинаций влияния для строительной длины кабеля. Этот параметр определяется минималь- ным значением А{, которого можно достигнуть при компенсации не- посредственных влияний. Эффективность двухэтапного скрещивания также зависит от диапазона частот и длины усилительного участка. Под наилучшим сочетанием операторов скрещивания при трехто- чечной или двухточечной схемах симметрирования понимают такое, при котором достигается требуемая норма по защищенности Аз1 во всем диапазоне частот. Если этого достигнуть невозможно, то выбранные операторы скрещивания должны в первую очередь уничтожить эффект перестановки для возможности использования симметрирования с при- менением контуров противосвязи. В последнем случае симметрирова- ние ВЧ-цепей получается трехэтапным. Кроме рассмотренных методов уменьшения взаимных влияний меж- ду ВЧ-цепями, в отдельных случаях могут потребоваться и другие (до- полнительные) меры, например по уменьшению влияний с выхода про- межуточного усилителя (регенератора) на его вход в комбинированных железнодорожных кабелях связи и компенсационный метод ослабле- ния взаимных влияний на участках меджу соседними обслуживаемы- ми усилительными пунктами (ОУП-ОУП). Этот метод служит для обес- печения помехозащищенности от взаимных влияний при организации связи по кабелю, предназначенному согласно техническим условиям для работы в более узком диапазоне частот, чем этого требует применя- емая аппаратура. 343
ВЧ-цепь Ро НЧ-цспь4— Кабель 2 НЧ-цепь Кабель 1 Кабель 1 НЧ-цепь Кабель 2 Рис. 11.1! Рис. 11.10 Влияние с выхода промежуточного усилителя на его вход необходи- мо учитывать на кабельных линиях при наличии низкочастотных це- пей, проходящих без разрыва через высокочастотный усилительный пункт (УП). В этом случае имеют место указанные влияния через тре- тьи низкочастотные цепи (рис. 11.10). Устранение этих влияний может быть обеспечено благодаря переходу ВЧ-цепей из одного кабеля в дру- гой в каждом усилительном пункте (рис. И. 11). Влияния с выхода на вход ВЧ-усилителей через третьи двухпроводные цепи могут быть уменьшены включением в последние низкочастотных фильтров. Для уменьшения этих влияний на воздушных линиях вводы в уси- лительные пункты устраивают в разных кабелях. Для уменьшения вли- яния через земляной тракт во все цепи на входе и выходе в усилитель- ные пункты включают запирающие катушки (ЗК) (рис. II. 12). Каждую полуобмотку катушки ЗК включают в один из проводов двухпроводной цепи. В результате магнитные поля токов земляного тракта (имеющих одинаковое направление) складываются, что увеличивает индуктивное сопротивление цепи «провод-земля». Магнитные поля токов, имеющих разные направления в проводах двухпроводной цепи, взаимно компен- сируются, и затухание, вносимое запирающей катушкой для передавае- мых сигналов, невелико. При вводе в оконечные пункты запирающие катушки включаются только в уплотненные цепи. Компенсационный метод ослабления взаимных влияний на уча- стках ОУП-ОУП. Линейные тракты железнодорожных магистральных К проводам воздушной линии кабельных линий нахо- дятся в более тяжелых условиях по сравне- нию с аналогичными линиями Министер- ства связи. Это объяс- няется наличием треть- 344
их неуплотненных цепей, большим числом кабелей с бумажной изоляцией и алюминиевой оболочкой, трудно симметрируемых в широком диапазоне частот, большим числом отпаев от магистрального кабеля. Поэтому при- менительно к кабельным магистралям железнодорожного транспорта этот метод ослабления взаимных влияний наиболее применим. Компенсационный метод имеет большие возможности ослабления взаимных влияний по сравнению с методами симметрирования. Это объясняется, во-первых, тем, что он учитывает наличие эффекта пере- становки, который возникает из-за различия постоянных распростра- нения взаимовлияющих цепей (эффект перестановки проявляется в том, что комплексные связи для комбинаций влияния первой цепи на вто- рую и наоборот различны); во-вторых, применением более широкой элементной базы (кроме резисторов и конденсаторов, применяемых как и в методе симметрирования контурами противосвязи в пределах уси- лительного участка, используют регулируемые линии задержки и ка- тушки индуктивности, на базе которых создают полосовые фильтры с требуемыми характеристиками). Недостатком рассматриваемого мето- да является то, что он может быть применен только на магистрали с полностью настроенными линейными трактами, и при его использова- нии невозможен контроль качества строительства по важнейшему па- раметру — переходному затуханию и защищенности. Взаимные влияния на участках ОУП-ОУП подавляются включени- ем в приемном ОУПе контура противосвязи (рис. И. 13). Схему проти- восвязи подбирают так, чтобы ток компенсации 1К был одинаков по ОУП передача Ус ОУП прием Ус НУП1 НУП K.L.C «ПС Влияющий линейный тракт линейный тракт Рис. а. 13 345
модулю и противоположен по фазе результирующему току помех на п входе данного ОУП ?BJ] =2Л>’ гДе — ток помех, наведенный в пре- делах и-го усилительного участка. Для обеспечения независимости подавления взаимных помех между различными комбинациями влия- ний (учет эффекта перестановки) используют однонаправленное уст- ройство, которое устанавливают на входе контура противосвязи. Под- бор элементов контуров противосвязи возможен двумя основными способами—расчетным и аппаратурно-итерационным. Последний при- меняют на железнодорожных кабельных магистралях, так как он более нагляден и не требует применения специальной аппаратуры. Аппара- турно-итерационный метод синтеза схем противосвязей состоит из трех этапов: первый — измерение годографа комплексных связей на участ- ке ОУП-ОУП, второй — подбор элементов контуров противосвязи на основании данных, полученных на первом этапе; третий — измерение разностного годографа после подключения контура противосвязи меж- ду взаимовлияющими цепями и уточнение элементов последнего. Под- бор элементов контуров противосвязей заключается в выборе необхо- димой типовой схемы противосвязи или комбинации их включения. Среднее значение эффективности ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП составляет 10—12 дБ. Контрольные вопросы 1. Объясните сущность основных мер защиты цепей воздушных ли- ний связи от взаимных влияний. 2. Как изменяется эффективность скрещивания в зависимости от длины шага скрещивания? 3. Каковы основные меры защиты цепей кабельных симметричных и коаксиальных линий от взаимных влияний? 4. Поясните физический смысл симметрирования с применением контуров противосвязи и метода скрещивания. 5. В чем состоят особенности симметрирования низкочастотных (высокочастотных) кабелей связи? 6. В чем заключается особенность симметрирования низкочастот- ных цепей от воздействия внешних влияний? 7. Поясните преимущества и недостатки компенсационного метода ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП. 346
Глава 12 ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СТРОИТЕЛЬСТВО И ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ И СЕТЕЙ 12.1. Проектирование и строительство электрических кабельных линий и сетей 12.1.1. Проектирование электрических кабельных сетей Проектирование кабельных линий и сетей, как правило, состоит из разработки технического проекта строительства и рабочих чертежей. Работу над техническим проектом начинают с изысканий и обсле- дования местности. В процессе изысканий выбирают варианты трассы линий или сетей, определяют условия сближения намечаемой трассы кабеля с электрифицированными железными дорогами и линиями элек- тропередачи, изыскивают способы пересечения железных и автомобиль- ных дорог, водных преград и т. п. При проектировании кабельных линий многоканальной связи в тех- ническом проекте выбирают тип (марку) кабеля, его емкость с учетом перспективы развития связи на магистрали, систему и аппаратуру вы- сокочастотного уплотнения кабельных цепей. На основе расчетов усилительные и переприемные пункты разме- щают на кабельной магистрали, разрабатывают мероприятия по защи- те кабеля от влияния железных дорог, линии электропередачи и т. п. В техническом проекте местной телефонной связи намечают наиболее выгодное местоположение местной телефонной станции и распределитель- ных шкафов, емкость телефонной станции, емкость и диаметр жил магист- ральных и распределительных кабелей с учетом перспективного развития местной телефонной сети. Кроме этого, указывают, на каких участках ка- бельной сети нужно строить кабельную канализацию, где следует прокла- дывать подземные бронированные кабели или подвешивать воздушные. Каждый технический проект кабельных линий или сетей должен содержать сметы на оборудование, материалы и рабочую силу, план организации работ и полную стоимость строительства. 347
На основе утвержденного технического проекта разрабатывают ра- бочие чертежи, в состав которых входят детальные чертежи трассы про- кладываемых кабелей. Для прокладки кабелей вне населенных пунктов и железнодорожных станций чертежи обычно составляют по длине в масштабе 1:5000, а по ширине-1:2000. При прокладке кабелей на тер- ритории станций и населенных пунктов чертежи составляют в масшта- бе 1:1000 или 1:500. На чертежи наносят трассу прокладываемого кабе- ля, указывая расстояние его от железнодорожных путей, фасадов и других сооружений пассажирских и путевых зданий, контуры лесов и зеленых насаждений, трассу линий автоблокировки, высоковольтных линий и воздушных линий передачи. 12.1.2. Выбор трассы и прокладка кабеля От правильного выбора трассы зависит стоимость сооружения ка- бельных линий и сетей, их долговечность, а также надежность и беспе- ребойность действия. Трассу подземных кабельных линий выбирают исходя из удобства прокладки кабеля и его дальнейшего технического обслуживания и эксплуатации. На перегонах железных дорог трасса кабеля, как правило, проходит в полосе отвода. Трассу кабеля выбира- ют на той стороне железнодорожных путей, где расположено большин- ство линейных и других пунктов, к которым устраивают ответвления. Кабельные линии дальней связи сооружают вдоль железной дороги, как правило, в полосе отвода, стараясь сохранить снегозащитные зеле- ные насаждения. Трассу кабельной линии выбирают с учетом наимень- шего объема работ при строительстве, возможности максимального применения механизмов, удобства эксплуатации и минимальных зат- рат по защите кабелей от всех видов влияний и коррозии. Допускается спрямление трассы на кривых участках железных до- рог с прокладкой кабелей по улицам населенных пунктов, а вне насе- ленных пунктов — вдоль автомобильных или других постоянных до- рог, обеспечивающих возможность свободного проезда вдоль трассы. При спрямлении трассы и удалении ее от железной дороги следует учи- тывать возможность устройства ответвлений от кабелей к линейным объектам. Сторонность трассы по отношению к железнодорожному пути оп- ределяют с учетом характера местности, расположения линий связи 348
и подземных коммуникаций различного назначения. Предпочтитель- но кабельную линию связи и высоковольтную линию автоблокиров- ки и диспетчерской централизации располагать с разных сторон же- лезной дороги. Трасса кабелей по одну сторону с действующей высоковольтной линией должна быть расположена за этой линией в сторону поля. На однопутных железных дорогах трассу прокладки кабелей следу- ет выбирать с учетом строительства в перспективе второго пути, а на двухпутных грузонапряженных линиях — третьего и четвертого путей. Прокладки кабелей в болотистых и часто затопляемых местах (се- зонная заболоченность) следует избегать. В смещающихся грунтах и на оползневых участках прокладка кабеля не допускается. В трудных топографических и инженерно-геологических усло- виях (большая заболоченность, горная местность, прижимные уча- стки и т. д.) и в других обоснованных случаях по согласованию с управлением железной дороги допускается прокладывать кабели в земляном полотне железной дороги. В этом случае кабели следует прокладывать по берме, а при отсутствии ее — по середине обочи- ны. В обоснованных случаях допускается прокладывать кабель в железобетонных желобах. На прижимных участках двухпутных железнодорожных линий при отсутствии обочины допускается прокладывать кабель в междупутье с обязательным выносом муфтовых соединений кабеля на обочину. Прокладывать кабель на полках и по дну улавливающих рвов не до- пускается. Ширину полосы земли для проведения строительных работ по про- кладке кабелей принимают равной 6 м. Для прокладки кабелей в лесных массивах вырубают просеку ши- риной 6 м с расчисткой и корчевкой. Глубина прокладки подземных бронированных кабелей следующая: в грунтах I—IV групп 0,9 м; в грунтах V группы и выше, при выходе скалы на поверхность, а также в плотных грунтах IV группы, разраба- тываемых взрывным способом или отбойными молотками 0,4 м (глу- бина траншеи 0,5 м); при наличии над скальной породой поверхност- ного растительного слоя 0,6 м (глубина траншеи 0,7 м), при этом заглубление кабелей в скалу должно быть не более 0,4 м. 349
В отдельных обоснованных случаях (вечная мерзлота, поймы рек, особые технические требования и др.) допускается увеличение глуби- ны прокладки бронированных кабелей до 1,2 м. При пересечении кабельной трассы с автомобильными и железны- ми дорогами кабели многоканальной связи прокладывают в асбестоце- ментных или полиэтиленовых трубах с выводом их по обе стороны от подошвы насыпи или полевой бровки кювета на длину не менее 1 м. При этом расстояния по вертикали от железнодорожных и трамвайных путей должно быть не менее 1 м от подошвы рельса, от автомобильных дорог — не менее 0,8 м ниже дна кювета или 0,4—-0,5 м в случае допол- нительной защиты кабелей железобетонными плитами. Количество прокладываемых труб принимают по числу проклады- ваемых кабелей с учетом необходимого резерва из расчета: при потреб- ности до трех труб — одна резервная труба и от четырех до восьми труб — две резервные трубы. Кабели ответвлений при пересечении с железными дорогами про- кладывают в трубах без закладки резервных труб. На пересечении кабельной трассы с автомобильными дорогами, имеющими грунтовое или булыжное покрытие, или съездами с них ка- бель разрешается прокладывать кабелеукладчиком с закладкой резерв- ных труб или защищать их железобетонными плитами (кирпичом). На пересечении с полевыми дорогами защита кабеля не предусмат- ривается. Прокладка кабелей на территории городов и поселков должна осу- ществляться под тротуарами или в зеленой зоне. При необходимости предусматривают строительство новой или реконструкцию существу- ющей телефонной канализации. В этом случае при двухкабельной ли- нии связи кабели разных направлений передачи следует протягивать в разных каналах телефонной канализации. В исключительных случаях допускается совмещение кабелей разных направлений передачи в од- ном канале на расстоянии не более 1 км. Разработку траншей и прокладку кабелей осуществляют: кабелеукладчиком — на перегонах и станциях в грунтах I— III групп при отсутствии стесненных условий и сближений с подземными инже- нерными сооружениями, а также в грунтах IV группы при многократ- ной пропорке; 350
Рис. 12.1 механизированным спосо- бом — на перегонах и станциях в грунтах IV группы и при наличии пересечений с подземными инже- нерными сооружениями; ручным способом — в городах и стесненных условиях. Прокладку кабелей в телефон- ной канализации осуществляют на территории железнодорожного узла, рабочего поселка или города, где вскрытие дорогостоящих покрытий тротуаров и мостовых убыточно и нарушает уличное движение. В кабельной канализации предусматривают достаточное число ка- налов (отверстий) в трубопроводе для прокладки на данном участке нужного количества кабелей. Кабельная канализация позволяет при необходимости добавить кабели и заменить существующие на кабели большей емкости. Кабель в канализации протягивают стальным тросом диаметром 8 или 11 мм, для соединения его с кабелем применяют кабельный зажим или стальные чулки разных типов (рис. 12.1). В канализацию кабель затягивают механическими или электричес- кими лебедками. Для предохранения оболочки кабеля от повреждений на входе и выходе его из каналов устанавливают предохранительные металлические желобки (колена). Затягивать кабель в канал можно с помощью пневматического кана- лопроходчика. При прокладке кабеля в районах вечной мерзлоты следует отдавать предпочтение возвышенным и залесенным местам, неглубокому зале- ганию коренных пород, сухим склонам северной экспозиции, грунтам с устойчивыми отрицательными температурами, нижней (по уклону местности) стороне железных и автомобильных дорог. Наиболее приемлемыми для прокладки кабелей являются дрениру- ющие грунты: скальные, галечные, гравелистые и крупнопесчаные — наиболее стабильные и менее подверженные деформации при измене- нии теплового и гидрологического режима по сравнению со слабодре- нирующими и недренирующими грунтами, к которым относятся гли- ны, суглинки, пылеватые и пылевато-иловатые супеси, торфяники. 351
Болота и заболоченные участки, мари, участки с высоким уровнем межмерзлотных вод и с близким залеганием от поверхности ископае- мых льдов в виде линз и прослоек, участки с высокотемпературными мерзлыми грунтами (вязкая мерзлота) следует обходить. Для защиты кабелей от повреждений применяют следующие мероп- риятия: засыпают траншеи песчаным или гравийно-галечным грунтом на участках, где исключено вымывание засыпки; роют канавы глуби- ной до 0,7 м (с обеих сторон трассы на расстоянии 2—3 м от ее оси) с отводом воды из них; сеют на кабельной трассе траву и сажают кустар- ники; обеспечивают снегозадержание. При пересечении малых рек для предохранения кабелей от мерз- лотно-грунтовых явлений (бугров пучения, наледей и т. п.) кабели следует прокладывать ниже образования наледей или по железнодо- рожным мостам. На участках с активным проявлением бугров пучения, термокарста и оползней, а также при ширине морозобойных трещин более 20 см прокладывать кабель вне полотна железной дороги не разрешается. Кабели связи на пересечении с несудоходными и несплавными ре- ками, как правило, прокладывают с заглублением в дно реки. На пере- сечении с судоходными и сплавными реками кабели связи прокладыва- ют по железнодорожному мосту. Если это невозможно, устраивают подводный переход по двум створам, расстояние между которыми дол- жно быть не менее 300 м. При прокладке кабелей через сплавные и судоходные реки мес- та перехода должны быть расположены, как правило, ниже желез- нодорожных и автомобильных мостов магистрального значения, по возможности на прямолинейных участках рек минимальной шири- ны с неразмываемыми руслами и пологими берегами, не подвер- женными разрушениям, вне стоянки судов, плотов, паромных пе- реправ, а также вне районов выполнения землечерпательных и дноуглубительных работ. На всех судоходных и сплавных реках независимо от их глубины, а также на несудоходных и несплавных реках глубиной до 3 м кабели связи должны быть проложены с заглублением в дно реки. Глубина за- ложения кабелей должна быть не менее 1 м, ее уточняют при изыскани- ях и согласованиях. 352
По существующим железнодорожным мостам кабели должны быть проложены в металлических желобах, деревянных обитых листовой сталью желобах или в трубах. На металлических пролетных строениях желоба устанавливают на специальных конструкциях снаружи моста, на железобетонных — на кронштейнах, прикрепляемых к устоям мос- та и консолям балластного корыта ниже уровня бортов, или под троту- арными плитами. Металлические желоба должны быть изолированы от металлических покровов кабеля. В проектах мостов должны быть предусмотрены желоба для прокладки кабелей связи. Прокладка кабелей в тоннелях, как правило, должна осуществлять- ся на кронштейнах (консолях) с соблюдением установленных габари- тов. Несколько кабелей располагают друг над другом на расстоянии 0,15 м. Кронштейны должны быть установлены на расстоянии 1 м друг от друга. Кроме того, при прокладке кабелей должна быть предусмот- рена возможность обхода ниш и камер тоннеля. Кабели связи и сигнализации и силовые кабели прокладывают в тон- нелях по разным его сторонам. Прокладка кабеля. Подготовку кабеля к прокладке начинают с раз- возки барабанов с кабелем по трассе на автомобилях или специальных тележках, а также на железнодорожных платформах. При погрузке ба- рабанов, а также при перекатывании их по земле необходимо следить за тем, чтобы направление вращения барабана совпадало с направле- нием стрелки на щеке барабана. Кабель разматывают с барабанов и укладывают в траншею механи- зированным или ручным способом. Если местные условия не позволя- ют применить механизированный способ прокладки кабеля, то кабель разматывают и укладывают вручную. Кабель прокладывают с таким расчетом, чтобы в котлованах, где за- тем на кабеле устанавливают соединительные или разветвительные муфты, концы кабеля перекрывали друг друга примерно на 2 м. После прокладки проверяют его состояние (испытание герметичности оболоч- ки, электрические измерения), чтобы выяснить, не повредился ли ка- бель, а затем траншею засыпают. Кабели защищают при их прокладке в скалистом грунте на глубине 0,5 м, в садах и огородах, покрывая бетонными плитами или слоем крас- ного кирпича. 23 Зак. 81 353
После прокладки кабеля составляют исполнительный план трассы. Точно замеряют расстояние кабеля от каких-либо ориентиров (напри- мер, от оси железнодорожных путей, пикетных и километровых стол- биков, построек в населенных пунктах и т. п.). Трассу кабелей многока- нальной связи размечают также при помощи замерных столбиков (пикетов), отмечая ими места расположения соединительных и развет- вительных муфт, поворотов кабеля и т. п. На план, кроме трассы проложенного кабеля, наносят другие под- земные и наземные сооружения, например, пересекающие кабель и идущие параллельно трубы водопровода и газопровода, другие кабели, дороги, кюветы и т. п., расположенные в полосе 20—30 м от кабеля. 12.2. Механизация кабельных работ Механизированные колонны, строящие кабельные линии, оснаще- ны машинами для рытья траншей и укладки кабеля, бульдозерами, экс- каваторами, тракторами, бурильно-крановыми машинами, компрессо- рами, самоходными кранами, автомобилями различных типов, передвижными электростанциями, сварочными агрегатами и другими механизмами. Для устройства просек и подготовки трассы применяют машины и механизмы. Автомобили, тракторы, бульдозеры, транспортные тяговые механизмы при строительстве кабельных магистралей используют та- кие же, что и при строительстве воздушных линий передачи. Строительство, эксплуатационно-техническое обслуживание ка- бельного хозяйства и ремонтно-восстановительные работы на кабель- ных линиях ведутся с применением разнообразных инструментов и механизмов. Для разработки траншей и котлованов в скальном и мерзлом грунте, а также для вскрытия уличных покровов и пробивки проемов и отверстий в стенах служат пневматические инструменты. В качестве источников сжатого воздуха используют передвижные воздушно-компрессорные станции (прицепные на пневмоколесном ходу). Во время монтажа кабе- ля для накачки его воздухом применяют компрессорные установки. При разработке траншей в тяжелом грунте, а также для вскрытия асфальта и булыжных мостовых пользуются пневмоотбойным молот- ком и бетоноломом. Для пробивки отверстий в стенах предназначены 354
строительные пистолеты. Рубку металла, чеканку швов в металлокон- струкциях, зачистку сварных швов и другие работы на строительстве устройств связи выполняют пневматическими рубильными молотками. Бульдозеры применяют для среза и перемещения грунта, засыпки траншей, планировки и расчистки трассы от кустарника, корчевки пней, валки деревьев на трассе строительства кабельных линий связи. Рыхлители и бульдозеры-рыхлители предназначены для работы в условиях Урала, Сибири и Севера для разработки (рыхления) мерзлых грунтов, грунтов трещиновидных скальных пород, засохшей глины, разработки взорванного скального или мерзлого грунта, корчевки пней и валки деревьев на трассе строительства кабельных линий связи. Корчеватели применяют для корчевания пней диаметром до 30 см, очистки почвы от корней диаметром до 15 см на глубине их залегания до 50 см, валки деревьев диаметром до 30 см, расчистки трассы строи- тельства кабельных линий связи от завалов пней, деревьев, камней и других предметов. Траншейные роторные экскаваторы (рис. 12.2) прямоугольного про- филя применяют для рытья траншей под кабели связи, трубопроводы и траншеи общестроительного назначения в грунтах до IV категории включительно и в грунтах сезонного промерзания на глубину до 0,7 м. Гидравлические экскаваторы предназначены для выполнения зем- ляных работ в небольших объемах. Рабочее оборудование экскавато- ров состоит из прямой и обратной лопат. На строительстве кабельных линий связи гидравлические экскаваторы могут быть применены при 23 Рис. 12.2 355
Рис. 12.3 копке ям под монтаж кабельных муфт, а на строительстве воздушных линий связи — ям под сложные опоры. Самоходную машину ТКТС-2 (рис. 12.3) используют для рытья и засыпки траншей под кабели связи и СЦБ в междупутье на станциях. Базой машины является монтажная дрезина ДМ, на которой смонтиро- ваны рабочий орган и механизм засыпки траншей. Взрывной пункт СВП-6 применяют при прохождении трассы кабель- ных и воздушных линий связи в скальных грунтах, а также в грунтах с сильным промерзанием и большим количеством валунов, где для ры- тья траншей под кабели и ям для установки опор обычные землерой- ные машины непригодны. Рытье траншей под кабели связи, сигнализации и электропроводов в условиях, когда затруднено применение других землеройных машин, про- изводится с помощью микротраншеекопателя. Машина при работе пере- мещается лебедкой, установлен- ной на ее раме. Лебедка приво- дится в действие от двигателя тросом, закрепленным за анкер. Лом пневматический слу- жит для устройства траншей 356
Рис. 12.5 под кабели связи в грунтах мерзлых, скальных и IV категории, а также для расчистки траншеи под кабель после взрывных работ. Лом приво- дится в действие сжатым воздухом передвижного компрессора. Пневматический каналопроходчик (рис. 12.4) применяют для затя- гивания кабеля в канал канализации. Траншеезасыпщики используют для засыпки грунта в щель, образо- ванную кабелеукладчиком, которая автоматически засыпается не пол- ностью. Траншеезасыпщик срезает вспученный грунт и перемещает его в траншею, при этом над траншеей образуется из грунта валик высотой 0,3—0,6 м, который постепенно оседает и уплотняет грунт траншеи. Для прокладки кабелей в грунт применяются различные типы кабе- леукладчиков в зависимости от типа местности. Кабелеукладчики мо- гут передвигаться с помощью трактора (рис. 12.5). Для бестраншейной прокладки кабеля в земляном полотне применяются кабелеукладчики на железнодорожном ходу (рис. 12.6). Кабелеукладчик для бестраншей- ной прокладки кабеля в талых грунтах приведен на рис. 12.7. Рис. 12.6 357
Рис. 12.7 Для укладки кабеля в грунт по болотистой местности, дну рек и лес- ной трассе применяют кабелеукладчик с корпусом понтонного типа (рис. 12.8), что создает хорошие условия для его прохода по болотис- той местности. Пневмоколесный ход обеспечивает надежную и скорос- тную транспортировку кабелеукладчика в сцепе с автомобилем. При подготовке трассы, имеющей скальный или промерзший грунт, для проходки кабелеукладчика применяют пропорщики грунта или рых- лители в агрегате с бульдозерами. Указанные механизмы рыхлят тран- шею на заданную глубину для прохода ножа кабелеукладчика. Во время прокладки кабеля кабелеукладчиком в месте начала ук- ладки разрывают котлован и над котлованом устанавливают кабеле- Рис. 12.8 358
укладчик, опускают в котлован нож, заправляют кассету кабелем так, чтобы его конец выходил из кассеты, конец кабеля закрепляют в кот- ловане. Вспомогательный нож также опускают в рабочее положе- ние. Кабелеукладчик передвигается с помощью трактора. При его поступательном движении вспомогательный нож разрыхляет верх- ний слой почвы и устраняет мелкие препятствия (корни деревьев, камни и др.). За вспомогательным ножом движется основной нож, который образует в грунте узкую щель. Во время движения сматы- ваемый с барабана кабель проходит через кассету и укладывается на дно щели. После того как с одного барабана кабель размотан, его конец скла- дывают с кабелем следующего барабана, плотно обматывают просмо- ленной лентой и, пропустив через кассету, продолжают прокладку ка- беля. Для засыпки щели и образования валика над ней после прокладки кабеля применяют прицепные засыпщики. Транспортировка барабанов с кабелем и размотка кабеля в откры- тую траншею с барабана на транспортере осуществляются колесно- кабельным транспортером типа изображенного на рис. 12.9. Рытье траншей в грунтах при строительстве кабельных линий пере- дачи выполняют различными экскаваторами: роторными, цепными и одноковшовыми. Рис. 12.9 359
Рис. 12.10 ^^777777777 В мерзлом грунте траншеи роют двухбаровой машиной БР. Машина имеет режущие цепи, каждое звено которых является резцедержателем. В талом и мерзлом грунте при прокладке кабелей на станциях и пере- гонах траншеи роют самоходной машиной (см. рис. 12.13), передвигаю- щейся по рельсам и состоящей из многоковшового роторного цепного бара на выдвижной раме. Такая конструкция машины позволяет рыть траншеи на расстоянии 1,85...2,85 м от оси пути. Ширина отрываемой траншеи 0,3 м, а глубина, считая от уровня головки рельса, — до 1,45 м. Разработку грунта для укладки кабельных трубопроводов выполня- ют скрытой бестраншейной проходкой с использованием комплексной машины типа КМ-143М2, проколочной гидравлической установки (рис. 12.10), а также пневмопробойников (рис. 12.11). На месте работ проколочную гидравлическую установку (см. рис. 12.10) закрепляют горизонтально у подготовленного котлована, чтобы ее про- дольная ось совпадала с осью направления продавливаемого отверстия. Бестраншейная проходка методом прокола может также осуществ- ляться пневмопробойниками, приводимыми в действие воздушным дав- шшмт Рис. 12.11 360
лением от передвижной компрессорной станции. Этими механизмами можно выполнять подземные проходки с каналами диаметром от 150 до 250 мм на длине до 50 м. 12.3. Содержание кабеля под постоянным избыточным газовым давлением Наиболее часто повреждения кабеля возникают из-за проникнове- ния в него влаги при нарушении герметичности оболочки вследствие коррозии, механических повреждений, вызванных смещением грунта или небрежными его раскопками на трассах кабелей, а также вслед- ствие нарушения правил прокладки кабеля и недоброкачественной пай- ки соединительных и разветвительных кабельных муфт. Содержание кабелей с металлическими оболочками под избыточ- ным газовым давлением позволяет контролировать состояние оболоч- ки кабеля и обнаруживать повреждения оболочки. В случае поврежде- ния оболочки кабеля, находящегося под газовым давлением, поток газа, проходящий через место негерметичности, препятствует проникнове- нию в кабель влаги. В качестве газа, накачиваемого в кабель, обычно применяют сухой воздух и реже азот. При содержании кабеля под постоянным избыточным давлением кабельную магистраль делят на герметизированные участки, называе- мые газовыми секциями. По концам газовой секции на магистрали, а также на всех ответвлениях от магистрального кабеля устанавливают газонепроницаемые муфты. Внутри газовых секций создается избыточ- ное газовое давление. Участок кабеля считают герметичным, если из- быточное давление, установленное в кабеле, не снижается в течение 10 сут более чем на 4... 103 Па (0,5 ат). Существуют две системы содержания кабеля под избыточным газо- вым давлением — с автоматическим, и с периодическим пополнением кабелей газом. На кабелях железнодорожной связи наибольшее распро- странение получила система с автоматическим пополнением кабелей газом: В этой системе по концам газовой секции в оконечном или уси- лительном пунктах устанавливают автоматические контрольно-осуши- тельные установки АКОУ или УСКД, обеспечивающие постоянную подачу сухого воздуха (газа) в кабель. 361
Установка АКОУ (рис. 12.12) питается газом от баллона высокого давле- ния /. Газ из баллона подается в установку через клапан 2 в осушительную камеру 4, давление контролируется по манометру 3. Пользуясь индикатором и наблюдая за цветом силикагеля, можно периодически контролировать ко- личество влаги, присутствующей в газе. Изменения темно-синего или свет- ло-синего цвета селикагеля на серый свидетельствует о необходимости за- мены селикагеля или камеры на резервную. При отсутствии утечки газа из кабеля газ через редукторы 5, 6, 11, постепенно снижающие давление газа, и открытый дроссель 9 подается в распределитель 13 и оттуда через вентили 15 поступает в кабели, присоединенные к установке. В случае повреждения кабельной оболочки одного из кабелей, когда расход газа превысит 2 л/ч, срабатывает автоматическое дозирующее устройство 7, дроссель 9 закрывается, и газ в кабель начинает посту- пать через дозирующее устройство, для отмеривания объема газа, по- даваемого в кабель. Во время срабатывания дозирующего устройства резервуар его на- полняется газом. После этого впускной клапан закрывается и открыва- ется выпускной клапан, через который воздух подается в редуктор и Рис. 12.12 362
далее поступает на выход установки. По мере выхода воздуха давление в резервуаре уменьшается, а при достижении значения 69... 103 Па (0,7 ат) перекрывается выходной клапан и вновь открывается впускной, через который резервуар наполняется опять до начального давления, и т.д. до тех пор, пока происходит аварийная утечка воздуха из кабеля. Каждое такое переключение фиксируется механическим счетчиком, благодаря чему имеется возможность определить число доз, т. е. общий объем воздуха, поданного в поврежденный кабель. При повреждении оболочки утечка воздуха из кабеля будет компен- сироваться подачей воздуха от установок АКОУ с обоих концов усили- тельного участка. Объем подаваемого в кабель воздуха будет зависеть от расстояния между установкой и местом повреждения. Учет объема воздуха, поданного установками на каждом из концов усилительного участка, позволяет определить место негерметичности оболочки кабе- ля с точностью до 0,5 км. В установке имеются контрольные манометры 3, 8 и 16, позволяю- щие наблюдать за давлением газа. Через заглушку 14 воздух можно выпускать из распределителя 13 в атмосферу. Вентилем 10 перекрыва- ют дроссель 9, а вентилем 12 прекращают поступление газа в кабели. На снижение давления в кабеле, приблизительно показывающее ме- сто повреждения кабельной оболочки, указывают сигнализаторы, уста- новленные в кабельных муфтах на расстоянии 1,7 км и представляю- щие собой электроконтактные манометры, которые включаются в жилы кабеля, специально предназначенные для этого. В случае повреждения оболочки кабеля, находящегося под избыточ- ным газовым давлением, газ начинает выходить через поврежденное место, в результате чего давление в кабеле у места повреждения снижа- ется и в первую очередь срабатывают два сигнализатора, между кото- рыми произошло повреждение. При срабатывании сигнализатора по- дается акустический и световой сигнал. Эффективность содержания кабеля под избыточным давлением в зна- чительной степени зависит от количества газа, помещающегося в кабеле (на единицу длины), а также от скорости распространения газа. При раз- герметизации кабельной линии, т. е. появлении отверстия, струя выходя- щего через него газа предохраняет кабель от проникновения влаги. Чем больше отверстие, тем быстрее будет снижаться давление в районе по- 363
Рис. 12.13 вреждения, и поэтому чем больше запас газа в кабеле и чем быстрее он будет распространяться от ис- точников подкачки до района по- вреждения, тем продолжительнее будет защитное действие избыточ- ного давления. Для осуществления непрерывного контроля за герметичностью обо- лочки кабеля, а также определения района повреждения используются методы учета расхода газа и манометрический. Метод учета расхода газа основан на учете расхода газа, подавае- мого в кабель с обоих концов участка для компенсации утечки, вызван- ной повреждением оболочки. Учитывая, что при установившемся ре- жиме распределения давления в кабеле объем газа, подаваемого с обоих концов участка для компенсации утечки, обратно пропорционален рас- стоянию до места утечки, по расходу газа за единицу времени опреде- ляют район повреждения. При этом методе отпадает необходимость в специальных сигнальных жилах. Метод позволяет определять район повреждения, если на участке имеется только одно место утечки. Манометрический метод основан на одновременном измерении манометрами давления в нескольких точках участка, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. По результатам измерений строят график распределения давления, характеризующийся двумя наклонными кривыми, расходящимися от места утечки газа. Пере- сечение этих кривых соответствует району утечки газа (рис. 12.13). Для определения места нарушения герметичности кабеля (после ус- тановления района повреждения) наиболее эффективным является ме- Рис. 12.14 тод использования индикаторных газов, способных перемещаться в почве (или другом газе) в сторону меньших концентраций. Распрост- раняясь по кабелю, индикаторный газ выходит сквозь поврежденную оболочку в грунт и через некоторое время достигает поверхности зем- ли, где его можно обнаружить с по- мощью индикаторных приборов. В 364
качестве индикаторного газа для определения места повреждения обыч- но используется фреон-22 (дифторхлорметан). Место утечки определя- ется галоидным течеискателем— ГТИ (рис. 12.14). Через 12...15 ч после введения фреона приступают к обследованию трассы, для чего в шурфах выносным щупом течеискателя берут пробы воздуха. Максимум газа на- блюдается непосредственно над местом повреждения кабеля. При небла- гоприятных условиях прохождения фреона в грунте место повреждения кабеля может быть обнаружено через 5...7 сут. Определение места повреждения оболочки кабеля и ее негерметич- ности производится в два этапа: сначала с помощью установок содер- жания кабеля под давлением определяется район повреждения кабеля, а затем путем подачи индикаторного газа точно находится место негер- метичности оболочки. 12.4. Меры защиты подземных кабелей от коррозии 12.4.1. Виды коррозии Коррозия-процесс разрушения металлических оболочек кабелей (свинцовых, стальных, алюминиевых), а также защитных и экраниру- ющих покровов (стальной брони, медных и алюминиевых экранов) вследствие химического, механического и электрического воздействия окружающей среды. Различают следующие виды коррозии: почвенную (электрохимическую), межкристаллитную (механическую) и электро- коррозию (коррозию блуждающими токами). Коррозия оболочек приводит к потере герметичности кабелей свя- зи, ухудшению их электрических свойств и в ряде случаев выводит кабель из строя. Разрушающее действие коррозии характеризуется сле- дующими данными: ток силой в 1А блуждающий в земле приводит к потере в течение года 12 кг стали, 36 кг свинца, 100 кг алюминия. В зависимости от характера взаимодействия оболочки кабеля и по- чвы, в которой он находится, а также от прохождения блуждающего тока, вдоль кабеля образуются анодные, катодные или знакоперемен- ные зоны. Анодной зоной называется участок кабеля, на котором он имеет по- ложительный электрический потенциал по отношению к окружающей среде. В этой зоне токи стекают с оболочки, унося частицы металла и разрушая ее. 365
'2 Катодной зоной называется участок, на - / котором кабель имеет отрицательный элек- /х'?\+Ч._)\ трический потенциал по отношению к ок- J ружающей среде. В этой зоне ток втекает в оболочку, не создавая опасности ее разру- Рис. 12.15 шения. Знакопеременной зоной называется участок, на котором имеет место чередование положительных и отрицательных потенциалов по отно- шению к земле. Кабельные оболочки подвержены действию почвенной, межкрис- таллитной и электрической коррозии. Почвенной коррозией называется процесс разрушения металличес- кой оболочки кабеля, вызванный электрохимическим взаимодействи- ем металла с окружающей его почвой. Основными причинами, вызы- вающими почвенную коррозию, являются: содержание в почве влаги, органических веществ, солей, кислот, щелочей, неоднородность обо- лочки кабеля, неоднородность химического состава грунта, соприкаса- ющегося с оболочкой кабеля, неравномерное проникновение кислоро- да воздуха к оболочке кабеля. В результате (рис. 12.15) на поверхности металла 1 образуются гальванические пары 2, что сопровождается цир- куляцией тока между металлом и окружающей средой. В местах выхо- да токов из оболочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в кото- рых и происходит разрушение оболочки. Интенсивность коррозии зависит от степени агрессивности среды, которая характеризуется двумя параметрами: удельным сопротивлением грунта и химической характеристикой грунта по кислотному содержа- нию pH (pH — это кислотное число, характеризующее число ионов во- дорода в единице объема грунта). По удельному сопротивлению грунты подразделяются на три кате- гории: 1) низкоагрессивные (песчаные, глинистые, каменистые); 2) сред- неагрессивные (суглинистые, лесные, слабый чернозем); 3) высокоаг- рессивные (торф, известь, чернозем, перегной, мусор). Третья категория грунтов весьма опасна для металлических оболочек в коррозионном отношении. По химическому содержанию (кислотному числу pH) грунты также делятся на три категории: 1) pH = 5-кислотные грунты, содержащие 366
растворы серной, азотной, соляной кислот (торф, перегной, чернозем, отходы производства и др.); 2) pH = 5...10-нейтральные грунты (песок, глина, скала); 3) pH = 10...15-щелочные грунты, содержащие растворы кальция, натрия, калия, фосфора и др. (известь, удобрения, зола и т. д.). Следует иметь в виду, что различные металлы по-разному ведут себя в различных грунтах. Свинец разрушается главным образом в щелоч- ных средах, а также в кислотных средах при потенциале выше -1,5 В. Алюминий подвержен весьма интенсивной коррозии в обеих средах. На сталь агрессивно действует кислотная среда и меньше влияет ще- лочная. Межкристаллитная коррозия возникает вследствие вибрации кабе- ля при его транспортировке на значительные расстояния, прокладке кабеля вблизи железных дорог с большим грузовым движением, на мо- стах автомобильных и железных дорог, а также при подвеске на опорах воздушных линий. В свинцовой оболочке кабеля при межкристаллит- ной коррозии появляются мелкие трещины, которые, увеличиваясь из- за продуктов коррозии, приводят к дальнейшему разрушению металла и распаду некоторых участков оболочки. Электрическая коррозия-это процесс разрушения металлической оболочки кабеля блуждающими токами в земле. Источниками блужда- ющих токов могут быть рельсовые пути электрифицированных желез- ных дорог, метрополитена, трамвая и установок дистанционного пита- ния, использующих в качестве обратного провода землю. На электрифицированных железных дорогах и трамвайных сетях пи- тающий ток, возвращаясь по рельсам к питающей подстанции, частично ответвляется в землю. Проходя по земле и встречая на своем пути метал- лическую оболочку кабе- ля, ток распространяется по этой оболочке (рис. /2/6), а затем схо- дит с оболочки в землю и к рельсу, чтобы возвра- титься к другому полюсу генератора. Те участки кабеля, на которых блуж- дающие токи входят из Контактный провод Тяговая подстанция Анодная зона Катодная зона Рис. 12.16 361
земли в кабель, образуют катодную зону: участки кабеля, на которых блуж- дающие токи выходят из кабеля в землю, образуют анодную зону, где и происходит разрушение оболочки кабеля. Интенсивность электрокоррозии металлической оболочки зависит от тока и напряжения в ней. По действующим нормам напряжение и плотность тока не должны превышать: UK < -0,9 В; < 0,15 мА/дм2. При больших значениях UK и /к требуется защита кабеля от коррозии. На электрифицированных железных дорогах возможны два вариан- та заземления источников питания: заземление отрицательного элект- рода, при электрификации на переменном токе, и заземление положи- тельного электрода (пригородная железная дорога). В первом случае точно известна анодная зона (зона разрушения ка- беля), и можно осуществлять его защиту. Во втором случае анодная зона перемещается вдоль кабеля вместе с движением электропоезда. Кабель подвержен опасности разрушения на всем пути, и трудно реализовать защитные меры. Поэтому необходимо иметь заземление отрицательно- го электрода источников питания. 12.4.2. Меры защиты от коррозии Защитные меры от коррозии оболочек кабелей связи принимаются как на устройствах электрифицированного транспорта, так и на соору- жениях связи. На электрифицированных участках железных дорог осуществляют 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 ми- нусовой электрод. На сооружениях связи такими мерами защиты являются: выбор трассы с менее агрессивным грунтом (песок, глина, сугли- нок, нежирный чернозем); применение кабелей с герметичными полиэтиленовыми шлангами поверх металлических оболочек (обязательно для алюминия и стали); электрический дренаж (от электрической коррозии); 368
катодные установки (от электрической и почвенной коррозии); изолирующие муфты (от электрической коррозии); протекторные установки (от почвенной коррозии); антивибраторы амортизирующие, рессорные подвески (от межкри- сталлитной коррозии). Электрический дренаж, катодные и протекторные установки отно- сятся к активным электрическим методам защиты, остальные — к пас- сивным. Электрический дренаж-это отвод блуждающих токов с защищаемого кабеля посредством проводника. Дренаж (рис. 12.17,а) подключается к кабелю в середине анодной зоны, т. е. там, где кабель имеет наибольший положительный потенциал по отношению к земле. Блуждающие токи по дренажному кабелю отводятся из оболочки защищаемого кабеля к рель- сам или минусовой шине, питающей подстанции. В результате анодная зона на кабеле превращается в катодную (рис. 12.17,6). При необходимости устанавливают несколько дренажей с тем, что- бы на всем сближении кабелей связи с электрической железной доро- гой оболочка имела отрицательный потенциал. Такие дренажи назы- ваются прямыми электрическими дренажами. Прямой электрический дренаж эффективен только в устойчивых анодных зонах, например при защите кабеля от блуждающих токов дистанционного питания. В знакопеременных зонах применяют дренажи односторонней про- водимости, так называемые поляризованные дренажи (рис. 12.18). В дре- нажную цепь включается вентиль, диод или поляризованное реле, об- ладающее односторонней проводимостью. В результате ток течет только Рис. 12.17 24 Зак. 81 369
Рис. 12.18 от оболочки кабеля к питающей подстанции элек- трифицированной железной дороги. Принцип действия катодной защиты (рис. 12.19) состоит в том, что к оболочке кабеля, имеющей положительный потенциал по отношению к земле (анодная зона), присоединяют отрицательный по- люс от источника постоянного тока, тем самым придавая оболочке отрицательный потенциал. Та- ким образом, напряжение источника тока перево- дит анодную зону на оболочке кабеля в катодную. Положительный полюс источника тока заземляют. Для катодной защиты применяются катодные станции, представляющие собой выпрямительное ус- тройство с селеновыми выпрямителями или германиевыми диодами. Вы- пускаются катодные станции с встроенными выпрямителями, имеющими плавную или ступенчатую регулировку выпрямительного напряжения. Протекторная защита, по существу, аналогична катодной защите, только в данном случае для создания отрицательного потенциала на оболочке кабеля используется не посторонний источник тока, а ток, по- являющийся за счет разности электрохимических потенциалов при со- единении различных металлов. Этот ток направлен от более высокого потенциала к более низкому. В результате его действия разрушению под- вергается металл с более низким потенциалом. Обычно для протекторных электродов (протекторов) используются магниевые сплавы, состоящие из магния, алюминия и цинка. Электрод представляет собой цилиндр длиной 600...900 мм, диаметром 150...240 мм с контактным стальным стержнем рис. 12.20; 1 —запол- нитель; 2 — контактный стержень; 3 — электрод; 4 — соединительный проводник. Принцип протекторной защиты состоит в том, что катодная зона на оболочке кабеля создается в резуль- тате ее соединения изоли- рованным проводом с за- земленным протекторным 370
электродом, имеющим более низкий электрохимический потенциал, чем по- тенциал заземляемой оболочки. Такой электрод является анодом, и ток с него будет стекать в землю. Оболочка кабе- ля при этом становится катодом и, сле- довательно, защищена от коррозии.. Протекторные электроды применя- ются главным образом для защиты от почвенной коррозии и устанавливают- ся по два—три на усилительный уча- сток, расстояние между ними и кабе- лем должно быть при этом не менее 2...6 м, глубина закопки 0,6...1,8 м. Illllllliuilliiiiiiiiiillliiiiiiiiiiilllliiiiiiiillumuiiiiiiiiiiiiiiii.... Рис. 12.20 Протектор включается через контрольно-испытательные пункты (КИП). Сопоставляя подверженность коррозии применяемых в настоящее вре- мя кабельных оболочек из свинца, стали и алюминия, следует отметить, что наиболее стойкими к агрессивному воздействию коррозии являются свинец, затем сталь и, наконец, алюминий. Сильная подверженность алю- миния коррозии обусловлена тем, что он разрушается не только в анодной зоне, но и при больших катодных потенциалах. Кроме того, алюминиевые оболочки подвергаются коррозии в результате действия гальванических пар, образующихся в местах контакта оболочек со сталью, медью и свин- цом. Алюминий свободен от коррозии лишь в узком диапазоне отрица- тельных потенциалов -(0,52... 1,48). Свинец и сталь коррозируют лишь в анодных зонах (при потенциалах, больших чем -0,9 В). При сравнении различных оболочек следует также иметь в виду, что сталь весьма чувствительна к воздействию кислотных сред и ведет себя довольно стойко в щелочных средах. Свинец и алюминий подвержены коррозии в обоих случаях. Исходя из изложенного, кабели связи в алюминиевых и стальных оболочках для защиты от коррозии обязательно должны иметь поверх металла герметичную полиэтиленовую оболочку, наносимую в процес- се изготовления кабелей. С целью повышения эффективности защиты дополнительно могут быть применены электрохимические методы защиты с помощью про- 24* 371
\\\W\\ Рис. 12.21 текторов, катодной защиты, а также электричес- ких дренажей, оборудуемых на участках действий блуждающих токов. К устройствам пассивной защиты относятся изолирующие муфты (рис. 12.21, где 1 —сердеч- ник кабеля; 2—оболочка; 3—изолирующая муф- та), которые разрывают металлическую оболочку и тем самым уменьшают силу блуждающего тока. С этой же целью ис- пользуется и рессорная подвеска кабеля (рис. 12.21, где 1 — труба; 2 — кабель; 3 — рессора). Рессорную подвеску кабеля применяют для уменьшения вредного действия вибрации при прокладке кабеля по мостам, вблизи ав- томобильных и железных дорог. Кроме того, при подвеске кабелей по опорам используют резиновые или пластмассовые гасители в ме- стах крепления кабеля. Для выявления опасных анодных зон и осуществления защиты кабелей от коррозии производится комплекс измерений: потенци- алов и токов на оболочке кабеля; удельного сопротивления грунта по трассе кабеля; переходного сопротивления «кабель- земля» и плотно- сти тока, стекающего с кабеля; разности потенциалов «кабель-рельс». Важной характеристикой является создаваемая блуждающими и почвенными токами величина потенциалов на оболочке кабеля по отношению к земле. Измерение этой величины производится с по- мощью металлических электродов-заземлителей на бронированных кабелях в местах установки контрольно-измерительных пунктов (КИП), а на голых — в кабель- ных колодцах. По данным из- мерений строят диаграммы распределения потенциалов вдоль трассы кабеля, выявля- ют анодные зоны и определя- ют участки, требующие защи- ты от коррозии (рис. 12.23). На 372
диаграмме откладывают среднее значение положительных и отри- цательных потенциалов по каждо- му КИП. КИП оборудуют на подземных кабелях для осуществления электри- ческих измерений потенциалов блуждающих и почвенных токов, а также для контроля за состоянием н _ Рис. 12.24 изолирующих покровов кабеля без специальных раскопок котлованов и вскрытия защитных покровов. Ус- тановку КИП в зависимости от типа кабеля и условий прокладки про- изводят на различном расстоянии друг от друга (0,6...7,0 км) обычно в местах устройства соединительных муфт. Контрольно-измерительный пункт представляет собой (рис. 12.24) железобетонный столбик прямоугольного сечения с внутренней про- дольной трубой, через которую проходят соединительные провода. В верхней части столбика укрепляется коробка (ниша) с наружной двер- кой. Внутри коробки крепится щиток из изоляционного материала с клеммами, к которым подключаются соединительные провода от обо- лочки и заземления. Нижняя часть столбика заканчивается двусторон- ним выступом, препятствующим выдергиванию столбика из земли. 12.5. Строительство оптических кабельных сетей 12.5.1. Строительство подземных оптических кабелей Проектирование подземных оптических кабелей и прокладка тру- бопроводов в основном аналогичны изложенному в п. 12.1. В проектной документации на выполнение работ по подвеске ОК указывают следующие требования. Работы по подвеске и монтажу ОК могут быть начаты только при наличии утвержденного заказчиком рабочего проекта на строительство ВОЛП, альбомов типовых узлов и деталей и разрешения службы элек- троснабжения железной дороги на производство работ в зоне контакт- ной сети и высоковольтной линии автоблокировки. 373
Для разработки проекта заказчик передает проектной организации исходные данные в составе задания на проектирование ВОЛП. В пе- речне исходных данных приводятся сведения о марках и физико-меха- нических параметрах ОК Состав и объем рабочего проекта на строительство ВОЛП должен со- ответствовать утвержденному в установленном порядке заданию на про- ектирование ВОЛП, а также требованиям нормативных документов (СНиП-11-01-95). Рабочий проект на строительство ВОЛП должен содержать: пояснительную записку с характеристикой условий прокладки ОК, марками применяемых ОК и механическими параметрами их натяжения; рабочие чертежи на подвеску ОК; ссылки на альбом типовых узлов и деталей; заявочную спецификацию на основные материалы, детали, ОК, из- делия, механизмы; расчет стоимости прокладки ОК (смету). Рабочие чертежи на подвеску ОК по опорам контактной сети и авто- блокировки должны содержать: план трассы ОК по всем направлениям, включая перегоны и стан- ции, а также участки прокладки ОК по служебно-техническим поме- щениям до кроссовой стойки (шкафа); номера, типы, марки и габариты опор контактной сети и автоблоки- ровки; номера заменяемых опор, а также номера дополнительно устанав- ливаемых опор, их габаритные размеры и марку; высоту подвески ОК и тип кронштейна, а также коды узлов по аль- бомам типовых узлов и деталей; номера опор, на которых производится анкеровка ОК, а также номе- ра опор, на которых оставляется технологический запас ОК; схемы ввода ОК в служебные здания, перехода его с одной стороны пути на другую; схемы подвески ОК на мостах; схемы подвески ОК внутри тоннеля; трассу подземной прокладки ОК; места пересечения с автомобильными дорогами с указанием габа- рита ОК; 374
места пересечений с пешеходными и автомобильными мостами, с указанием высоты подвески ОК под сооружениями; схемы подвески технологического запаса ОК и крепления смонти- рованных муфт; другие сведения, необходимые для подвески ОК. Для каждого участка сооружаемой ВОЛП организация, выполняю- щая работы по подвеске ОК, должна разработать проект производства работ, который согласовывается со службами электроснабжения пути, информатизации и связи железной дороги в отношении обеспечения безопасности работ, безопасности движения поездов, устойчивого элек- троснабжения и предоставления при необходимости «окон». Проекты производства работ должны содержать: календарные сроки сооружения линии, увязанные с графиком вы- полнения подготовительных работ (замена опор с недостаточной несу- щей способностью, установка новых и дополнительных опор, установ- ка кронштейнов и т.д.); технологические карты на установку кронштейнов и на подвеску ОК с учетом необходимости выработки за один непрерывный технологи- ческий цикл полной емкости кабельного барабана; расчет потребности «окон» со снятием напряжения в контактной сети; график поступления ОК и основных деталей; ведомость потребности в основных машинах и механизмах; ведомость потребности в рабочей силе; перечень мероприятий по технике безопасности; перечень мероприятий по обеспечению качества работ. 12.5.2. Выбор трассы и строительство подземных оптических кабелей Выбор трассы для прокладки ОК непосредственно в грунт, или в трубопроводах производится с учетом максимального использования машин и механизмов, обеспечения надежности работы кабельной ли- нии и удобства ее эксплуатации. Прокладка подземных бронированных ОК в грунт аналогична про- кладке электрических кабелей и изложенной в п. 12.2, поэтому в дан- ном разделе рассматривается прокладка ОК в трубопроводах. 375
При выборе трассы определяются места пересечений и сближений ее с железнодорожными путями и автодорогами, наземными и подземными сооружениями и коммуникациями, естественными преградами; устанав- ливаются участки, на которых необходимо выполнить защиту трубопро- водов от тепловых и химических воздействий; принимаются решения о способах прокладки трубопроводов по искусственным сооружениям (мо- стам, путепроводам, тоннелям); определяются участки совместной про- кладки трубопроводов для волоконно-оптических кабелей железнодо- рожной связи с трубопроводами и кабелями другого назначения (СЦБ, электроснабжения и др.). Количество переходов трассы прокладки тру- бопроводов под железнодорожными путями должно быть минимальным. В пределах одного перегона или станции трасса строительства тру- бопровода должна проходить, как правило, только в земляном полотне железной дороги или в полосе отвода, с одной и той же стороны пути. Переход трассы трубопровода с земляного полотна в полосу отвода дол- жен производиться под углом не менее 90°. При выборе трассы прохождения трубопроводов вблизи подземных и наземных сооружений и коммуникаций, расстояние от них до трассы должно исключать повреждение трубопроводов при ремонте этих со- оружений и коммуникаций. В земляном полотне железной дороги трасса прокладки трубопро- вода выбирается, как правило, по обочине земляного полотна. При не- целесообразности или невозможности такой прокладки трасса должна проходить по бермам (при насыпях) или по закюветным полкам (при выемках). В случае отсутствия берм они могут отсыпаться специально для прокладки трубопровода. При этом ширина бермы должна быть не менее 3 м, высота — не менее 0,5 м. Трасса должна располагаться, как правило, со стороны пути, сво- бодной от опор контактной сети или линий электропередачи, установ- ленных в габарите опор контактной сети. Трассы прокладки основного (основных) и резервного (резервных) трубопроводов целесообразно располагать: на перегонах — по разные стороны пути; на станциях — по обочине и в междупутье либо в раз- ных междупутьях, либо в земляном полотне железной дороги и в поло- се отвода. При этом должна учитываться перспектива развития стан- ций и перегонов. Запрещается выбор трассы со стороны пути с возможным строительством дополнительных путей. 376
Трасса прокладки трубопроводов по станции должна проходить, как правило, по обочинам крайних путей или в междупутьях малодеятель- ных путей, свободных от кабельных линий, опор контактной сети и линий электроснабжения, воздухопроводов для пневматической очист- ки стрелок, маслопроводов, водоотводов, устройств связи громкогово- рящего оповещения. Запрещается выбор трассы прокладки трубопро- вода в междупутье, смежном с главными путями. Трасса строительства трубопроводов на участках с опасными для трубопроводов мерзлотно-грунтовыми процессами (морозным пучени- ем, морозобойными трещинами и др.) должна проходить по сухим, воз- вышенным местам с обходом, по возможности, участков с переувлаж- ненными грунтами. Предпочтение при выборе трассы следует отдавать участкам с залеганием коренных пород на небольшой глубине от по- верхности, залесенным участкам, сухим склонам северной экспозиции, низовой стороне по отношению к земляному полотну железных дорог. Места устройства переходов под железнодорожными путями отме- чаются белой масляной краской на шейке одного из рельсов пути, под которым устраивается переход, с указанием количества прокладывае- мых защитных труб и их внутреннего диаметра. 12.5.3. Прокладка оптических кабелей Для прокладки по станциям и перегонам как в полосе отвода, так и земляном полотне применяются пластмассовые трубки (наружным диа- метром до 63 мм) и трубы (наружный диаметр свыше 63 мм). Рекоменду- ется применение трубок и труб из полиэтилена высокой плотности, из по- ливинилхлорида, полиэтилена высокого и низкого давления. Трубы могут быть гладкостенные (рис. 12.25, 3, 4) и гофрированные (рис. 12.25, 1, 2). Трубы поставляются в бухтах или на барабанах длинами от 100 до 4000 м. Внутренняя поверхность трубок для уменьшения j трения при прокладке кабеля покрыва- .. ется смазкой. Трубы могут изготовлять- .J ся с введенным тросиком для протяжки 4 кабеля. При монтаже трубок применя- ются специальные пластмассовые соеди- Рис. 12.25 377
нительные, переходные и компенсирующие муфты, а также металические соеди- нительные муфты. Металли- ческие муфты применяются для соединения трубок, не предназначенных для про- кладки кабеля в потоке воз- духа. Соединительная муфта (рис. 12.26,а) служит для со- единения двух трубок оди- накового диаметра, переход- ная (рис. 12.26,6) — для соединения двух трубок разных диаметров и подсо- единения трубок к каме- Рис. 12.26 ... рам. Компенсирующая муфта устанавливается для обеспечения целостности и герметичнос- ти трубопровода при увеличении или уменьшении его длины при из- менении температуры окружающей среды. Для герметизации концов трубки и подключения пневмосистем применяются пластмассовые заг- лушки (рис. 12.27). Вводы (рис. 12.28) используются для обеспечения гер- метичности при вводе волоконно-оптического кабеля в трубку (рис. 12,28,а) и для уплотнения трубопровода в трубах и каналах блоков при вводе в служебно-технические здания одного (рис. 12,28,6), трех и четырех трубо- проводов. Для размещения кабельных муфт, запасов кабеля и компенсиру- ющих му(|гг, устройства ответвления и поворотов трубопроводов применя- ются пластмассовые камеры из полиэтилена высокой плотности (рис. 12.29). Для соедине- ния полиэтиленовых труб и трубок могут при- меняться электросвар- ные муфты (рис. 12.30) в виде трубок, на внутрен- ней поверхности которых размещены витки нагре- 378
вательной проволоки. Концы проволоки задела- ны в выводы на поверхно- сти муфты. В процессе сварки основание индика- торного штифта расплав- ляется и штифт опускает- ся внутрь муфты. При протяжке в тру- бопроводах кабели могут затягиваться в трубопро- а Рис. 12.28 воды как ручным, так и механизированным способом в зависимости от длины. При ручном способе используется тросик, заложенный в па- нель трубопровода, при его изготовлении. Один конец специального тройника соединятся с тросиком и вставляется в трубопровод, в другой вводится кабель, а в средний патрубок подается смазка, нагнетаемая ручным способом. При отсутствии тросика в панель трубопровода вводятся вручную либо синтетические прутки, либо капроновый шнур, либо стальной трос с пластмассовой оболочкой, прокладываемые в трубо- проводе с помощью специ- ального пневмозадувного устройства. Для протяжки кабелей механизирован- ным способом использу- ются специальные кабель- ные лебедки и тяговые канаты из синтетических материалов, либо металли- ческие троссы с пластмас- совыми покрытиями. Вво- ды трубопроводов с ОК в служебно-технические Рис. 12.29 здания выполняются раз- дельно с вводами кабелей 379
Рис. 12.30 электроснабжения и устройств СЦБ. Ввод трубо- проводов производится через установленные в проеме фундамента или стены здания вводные блок с асбестоцементными, бетонными или ме- таллическими трубами. Герметичность вводных каналов обеспечивается применением специаль- ных уплотнительных изделий. Прокладка ОК в трубках в потоке воздуха мо- жет осуществляться двумя способами: с приме- нением плунжера и без него. Для вдувания кабеля применяются строительный компрессор с охлаж- дением воздуха на выходе до +50°С и ниже, с рабочим давлением 10 бар и производительностью 10 м /мин. Приспособление для вдувания кабеля (рис. 12.31,а) состоит из регулирующей аппаратуры с измерителем дав- Рис. 12.31 380
ления 8, приспособления, препятствующего скручиванию кабеля, плун- жера 6. Кабель соединяется кабельным чулком 4 с приспособлением про- тив скручивания 5. Между ними может размещаться радиозонд, исполь- зуемый для определения места нахождения конца кабеля. Плунжер помещается в зажимную зону приспособления для вдувания трубопро- вода 7, приспособление для вдувания 9 присоединяется к компрессору. При повышении давления плунжер начинает двигаться вдоль тру- бы 10. Для уменьшения трения, как правило, используется жидкая смаз- ка. Кабельный барабан 1 с кабелем 2 размещается на транспортере 3. Тяговое усилие при прокладке кабеля с использованием плунжера не должно превышать величины допустимого растягивающего усилия для кабеля данной марки. Расчет тягового усилия производится по формуле Рт = 0,1 (5Т - 5К) х х(^ком ~ 1)’ где — тяговое усилие, кН, 5Д, — площадь канала трубо- провода, см2, SK — площадь сечения вводимого кабеля, см2, Рком — максимальное давление воздуха, поступающее от компрессора. Вдувание кабеля в трубопровод бесплунжерным способом (рис. 12.31,6) выполняется с применением специального устройства, которое содержит кабелепротяжный механизм и измерительный блок. Кабелепротяжный ме- ханизм служит для подачи ОК в трубопровод, измерительный блок — для измерения длины и скорости прокладки кабеля. В зависимости от типа уст- ройства, скорость прокладки кабеля может достигать от 60 до 100 м/мин. Для прокладки кабеля в потоке воздуха бесплунжерным способом выби- раются наиболее жесткие кабели. Перед вдуванием конец округляют с по- мощью ножа и заделывают в полусферический защитный колпачок. Если диаметр трубки значительно превышает диаметр кабеля, то используют ся струенаправляющие головки, закрепляемые на конце кабеля. Как показано на рис. 12.31,6 с кабельного барабана 1 кабель 3 вво- дится через специальное устройство 4 в трубу 7, расположенную в кот- ловане 2 на длину около 10 м. К соединительному устройству подклю- чается компрессор 5, который должен обеспечивать давление от 0,8 до 1,2 МПа при производительности 4... 15 м/мин. Температура воздуха на выходе компрессора не должна превышать +50°С, чтобы не допустить размягчения полиэтиленовой оболочки кабеля и материала трубы. При необходимости между компрессором и устройством для вдувания кабе- ля устанавливается охладитель воздуха. Если длина кабеля превышает 381
длину, которую можно задуть с помощью одного комплекта оборудова- ния, применяется устройство для перемотки кабеля. К разработке траншей и бестраншейной прокладке ОК в земле и трубопроводах на перегонах и станциях, а также устройству переходов для защитных труб под железнодорожными путями можно приступать после получения письменного разрешения дистанции пути при согла- совании начала работ с дистанцией сигнализации и связи и дистанцией электроснабжения, а также получения разрешения дежурного по стан- ции и дежурного поездного диспетчера с записью в журнале осмотра путей, стрелочных переводов, устройств СЦБ и связи и контактной сети. Для бестраншейной прокладки трубопроводов следует применять трубоукладчики на железнодорожном ходу (см. п. 12.32), буксируемые и самоходные трубоукладчики на колесном и гусеничном ходу. Типы трубоукладчиков выбираются в зависимости от диаметра и количества прокладываемых трубок, места прохождения трассы (в меж- дупутье, по обочине, берме или закюветной полке земляного полотна железнодорожного пути, в полосе отвода), от топографических и инже- нерно-геологических условий местности, необходимой максимальной глубины прокладки трубопровода. В комплект машин и механизмов для бестраншейной прокладки тру- бопроводов должны входить бункеры для устройства верхней и ниж- ней постели при прокладке трубопровода. Допускается одновременная совместная прокладка трубок (труб) и кабелей связи и сигнально-бло- кировочных. Количество одновременно прокладываемых трубок (труб) или трубок (труб) и кабелей не должно превышать четырех. Глубина прокладки трубок (труб) в обочине на перегоне и станции должна быть не менее 1,1 м от поверхности, а в междупутье на стан- ции — не менее 0,7 м. По берме, по закюветной полке или в полосе отвода железной дороги трубки (трубы) должны прокладываться на глу- бине не менее 0,9 м от поверхности. При прокладке трубопровода трубоукладчик должен двигаться с постоянной скоростью, не превышающей 5 км/ч, без резких рывков и торможений. При глубине промерзания свыше 0,3 м следует выполнять предва- рительную пропорку грунта рыхлителями на гусеничном ходу, обору- дованными одним, тремя зубьями. 382
Разработку траншей для прокладки трубопроводов или труб следу- ет выполнять, как правило, механизированным способом с использова- нием траншеекопателей на железнодорожном ходу, цепных, роторных или фрезерных траншейных экскаваторов, одноковшовых экскаваторов и баровых машин. Прокладка трубок или труб должна производиться при температуре не ниже минус 10°С. В месте соединения концы трубок или труб, раскатываемых с бара- банов, должны укладываться внахлест на длине не менее 1 м. Все кон- цы трубок и труб должны быть герметично заглушены. Расстояние между трубопроводами в траншее должно быть не ме- нее 50 мм, а расстояние между трубопроводами и стенками траншеи — не менее 100 мм. По металлическим и железобетонным мостам и путепроводам тру- бопроводы должны прокладываться, как правило, в существующих кон- струкциях для прокладки кабелей (железобетонных, металлических или деревянных желобах с крышками, днищами и боковыми стенками, оби- тыми кровельным железом) либо во вновь устанавливаемых металли- ческих, пластмассовых (из негорючих материалов) или железобетон- ных желобах или в защитных трубопроводах из негорючих материалов внутренним диаметром не менее 100 мм. Допускается применение для прокладки волоконно-оптических ка- белей пластмассовых трубопроводов, подвешиваемых на конструкци- ях моста. Материал трубопроводов должен быть устойчив к воздействию ультрафиолетового излучения. При совместной прокладке в одном желобе пластмассовые тру- бопроводы должны отделяться от силовых кабелей несгораемой пе- регородкой. Переход трубок с конструкций моста в грунт должен выполняться в пластмассовых или асбестоцементных трубах или в железобетонных желобах с крышками, укладываемых под углом 30° к поверхности грунта до глубины прокладки трубок. Части желоба, находящиеся в грунте, должны иметь антикоррозионное покрытие. Для компенсации изменения длины трубопроводов при колебаниях температуры окружающей среды должны монтироваться специальные компенсирующие муфты. Муфту следует располагать в камере, уста- 383
навливаемой в начале моста у конца желоба. Допускается размещать муфту непосредственно в желобе. При длине моста свыше 30 м с одной стороны моста устанавливает- ся камера для укладки колец кабеля, а с другой стороны — камера для размещения компенсирующей муфты. При длине моста более 100 м камеры с компенсирующими муфтами устанавливаются через каждые 100 м. Камеры с запасом кабеля устанавливаются вне его пределов. Если длина моста менее 30 м укладка запасов кабелей и монтаж ком- пенсирующих муфт не требуется. Металлические желоба и конструкции для подвески трубопровода должны быть заземлены. Затяжка трубок в каналы кабельной канализации должна произво- диться, как правило, механизированным способом с применением ка- бельных машин или специальных лебедок, обеспечивающих отключе- ние привода или проскальзывание троса при превышении тягового усилия, допустимого для затягиваемых трубок. Величина тягового усилия обуславливается особенностями трас- сы прокладки трубопровода (протяженность, количество поворотов, наличие .транзитных колодцев), заполнением канала кабельной ка- нализаций, диаметром канала и типоразмерами прокладываемых в нем трубок, материалами кабельного канала и трубопроводов, ха- рактеристиками применяемых для затяжки трубопроводов машин и механизмов. Для обеспечения требуемого радиуса изгиба при вводе трубки в колодец и для предотвращения повреждений при протягивании через транзитные колодцы следует применять разрезные пластмассовые воронки и втулки. Для передачи тягового усилия затягиваемой трубке должны приме- няться резьбовые наконечники или кабельные чулки. Тяжение трубки должно производиться с постоянной скоростью (не более 30 м/мин) без рывков и остановок. Скорость протяжки обуслав- ливается особенностями трассы. Для снижения тягового усилия допускается применять специальные смазки, вводимые в канал кабельной канализации как в начальном, так и в проходных колодцах. Смазка должна быть совместима с материалом кабельной канализа- ции, прокладываемых или уже проложенных трубопроводов или кабе- лей, не вызывать склеивание трубопроводов и кабелей между собой и 384
со стенками канала, иметь гигиенический сертификат, гарантирующий отсутствие вредного воздействия на здоровье рабочих, участвующих в прокладке трубопровода. Под железнодорожными путями, автомобильными дорогами, при пересечении водоотводных лотков, дренажных труб, кюветов, а также в других предусмотренных проектом случаях пластмассовые трубопро- воды следует прокладывать в асбестоцементных, специальных пласт- массовых, керамических или железобетонных защитных трубах и в железобетонных желобах. В одной защитной трубе может прокладываться только один трубо- провод с коэффициентом заполнения защитной трубы не выше 0,75. Переходы под железнодорожными путями и автодорогами должны выполняться, как правило, закрытым способом — проколом, продавли- ванием или горизонтальным бурением. Стыки труб должны быть защищены от проникновения влаги спе- циальными муфгами. Концы защитных труб до прокладки трубок должны быть герметич- но заглушены. На пересечении с кюветами и водоотводными лотками защитные трубы следует располагать на 0,5 м ниже дна кювета или на 0,25 м ниже дна водоотводных лотков. Концы защитных труб должны выступать за края кюветов или водоотводных лотков на 0,5 м. Пересечение пластмассовыми трубопроводами с оптическими кабеля- ми (других) трубопроводов, в том числе нефтс и газопроводов, выполня- ют на расстоянии не менее 0,5 м от трубопровода. Трубопроводы с воло- конно-оптическими кабелями при пересечении должны прокладываться выше канализационных и водопроводных сетей, выше или ниже кабелей железнодорожной связи и кабелей для сигнализации и блокировки, выше продукта проводов (газопроводов, нефтепроводов) и теплосетей. Пластмассовые трубопроводы должны пересекать теплопроводы на расстоянии не менее 0,5 м от перекрытия теплопровода в свету, а в стес- ненных условиях не менее 0,25 м. При этом теплопровод на участке пересечения плюс по 2 м в каж- дую сторону от крайних кабелей должен иметь такую теплоизоляцию, чтобы температура грунта не превышала температуры эксплуатации трубок или труб трубопровода, указанной в документации на их изго- товление и применение (технические условия, паспорт, инструкция по 25 Зле. XI 385
эксплуатации и др.). Если температура грунта выше, то трубопровод прокладывают па расстоянии 0,7 м и более или укладывают их под теп- лопроводом в защитных трубах на расстоянии 0,5 м. При прокладке трубопроводов вдоль железнодорожного пути в бер- ме земляного полотна их следует располагать на расстоянии не менее 1 м от линии сопряжения откоса насыпи с полкой бермы. Ширина бермы должна быть не менее 3 м. В зоне зеленых насаждений трубопроводы следует прокладывать, как правило, на расстоянии не менее 2 м от стволов деревьев. При необходимости разделения трасс прокладки трубопроводов с волоконнооптическими кабелями с трассами прокладки сигнально- блокировочных кабелей и кабелей связи с медными жилами расстояние между трубопроводом и кабелями должно быть не менее 500 мм в све- ту по горизонтали. 12.5.4. Подвеска оптических кабелей Подвеска ОК может производиться на эксплуатируемые металличес- кие или железобетонные опоры контактной сети при условии, что не- сущая способность этих опор достаточна для восприятия всех действу- ющих и дополнительных нагрузок от подвешиваемого ОК и размещение ОК на опорах обеспечивает в процессе эксплуатации возможность про- изводства работ на них при наличии напряжения в контактной подвес- ке и подвешенных проводах. Не допускаются схемы подвески кабеля, использование которых требует при выполнении технического обслу- живания контактной сети снятия с нее напряжения. При невозможнос- ти выполнения указанных условий, подвеску ОК необходимо осуще- ствлять на опорах автоблокировки. Подвеску кабеля на опорах автоблокировки следует предусматривать также на неэлектрифициро- ванных линиях железных дорог. Подвеску* ОК на опорах контактной сети осуществляют с полевой стороны. Расстояния от нижней точки ОК при максимальной стреле провеса до поверхности земли или других сооружений, а также расстояние до других проводов при их взаимном пересечении или сближении, а так- же до частей контактной сети, находящихся под напряжением, должны быть не менее приведенных в табл. 12.1. 386
Таблица 12.1 Объект пересечения или сближения Наименьшее допустимое расстояние от ОК до по- верхности объекта, м Поверхность земли: в населенной местности 6 в ненаселенной местности 5 искусственные сооружения 5 (до головки рельса) в труднодоступных местах 4 до недоступных склонов гор, скал, утесов 1 неэлектрифицированные участки пути 7,5 (до головки рельса) Несущий трос и контактный провод 2 Части, находящиеся под напряжением 6—25 кВ: на опоре 0,8 в пролете 0,5 Части, находящиеся под напряжением 3 кВ: на опоре 0.8 в пролете 0,4 Волновод 0,3 Провода под напряжением до 1 кВ: на опоре 0,5 в пролете 0,3 Поверхность пассажирских платформ 4,5 Крыши несгораемых зданий и сооружений 3 Ближайшие части зданий 1,5 (по горизонтали) Глухие стены и кроны деревьев 1 Полотно автомобильной дороги на переездах 7,5 Нижняя часть путепроводов и пешеходных мостов при подвеске кабеля под мостами 0,2 25* 387
Допускается подвеска ОК выше проводов напряжением до 1 кВ при условии недопущения схлестывания проводов и кабеля, взаимных уда- ров и механического трения между ними. На опорах автоблокировки подвеска ОК должна осуществляться преимущественно ниже высоковольтных проводов. При этом расстоя- ния от низа ОК до земли и на пересечениях должны приниматься в со- ответствии с требованиями ПТЭ, но не менее приведенных в табл. 12.1. Допускается подвеска ОК между проводами линии автоблокировки, если взаимное сближение ОК и проводов при наиболее неблагоприятных темпе- ратурных режимах и воздействиях нагрузок составляет не менее 0,3 м. Не допускается подвеска ОК на опоры автоблокировки, на которых размещаются разъединители, трансформаторы и другое оборудование. Для подвески ОК в этих местах должны использоваться дополнитель- но устанавливаемые опоры. При необходимости переходов ОК с одной стороны пути на дру- гую такие переходы должны выполняться либо подземным способом с использованием кабельного канала из неметаллических труб, либо по воздуху с подвеской ОК на дополнительно установленные опоры. На мостах ОК следует подвешивать с наружной стороны пролетных строений на высоте не меньшей чем указанная в табл. 12.1. Допускает- ся также прокладка ОК в специальных коробах. При этом должна быть обеспечена сохранность и защита ОК от повреждений. В тоннелях подвеска ОК осуществляется вдоль тоннельной обдел- ки. Кабель должен крепиться только к обделке. Подвеска ОК на опорах контактной сети должна осуществляться на кронштейнах. Кронштейны на опорах вдоль трассы необходимо устанавливать, как правило, на одной высоте от головки рельса. Крепление кронштейнов к железобетонным опорам должно произ- водиться с помощью хомутов. При подвеске ОК с диэлектрическим сер- дечником и отсутствии с полевой стороны над ним питающих, усили- вающих проводов, а также проводов напряжением 6...27 кВ заземление кронштейнов не производится. При использовании ОК с металлическим сердечником или с металли- ческой броней, а также при наличии над ОК питающих, усиливающих проводов и проводов напряжением 6...27 кВ, все кронштейны должны быть 388
присоединены к защитной цепи заземления. Между хомутами кронштей- нов при их заземлении и железобетонными опорами на участках постоян- ного тока должны быть проложены изолирующие прокладки Не требуется заземление деталей крепления ОК к обделке в тоннелях, кронштейнов на мостах и на металлических опорах контактной сети. На опорах автоблокировки подвеска ОК должна осуществляться пре- имущественно на кронштейнах. Подвеска нескольких самонесущих ОК на одних и тех же опорах дол- жна осуществляться на общем кронштейне. Не разрешается размещение на кронштейнах ОК других проводов, изоляторов и других устройств. Анкеровка ОК должна производиться преимущественно на промежу- точных консольных опорах, опорах гибких и жестких поперечин. При этом расчетным путем должна оцениваться устойчивость опор в грунте и определяться необходимость установки на них оттяжек. Анкеровка обя- зательна по концам строительной длины ОК, в местах перехода его с одной стороны пути на другую, в местах его ввода в служебные помеще- ния, в местах изменения высоты подвески и изменения направления ОК на угол, превышающий допустимое значение угла поворота для приня- той марки кабеля. Обязательной является анкеровка ОК на порталах тон- нелей при входе и выходе его из тоннеля, а также в местах расположения соединительных и разветвительных муфт, технологического запаса ОК. Максимальное расстояние между анкеровками не должно превышать строительной длины ОК, а также расстояний, установленных изготови- телем ОК. Анкеровка ОК должна производиться с помощью хомутов на желе- зобетонных опорах и с помощью анкерных деталей на металлических опорах. Захват ОК при анкеровке должен производиться с помощью натяж- ных спиральных зажимов. 12.5.5. Монтаж волокон оптических кабелей Монтаж волокон ОК является наиболее ответственной операцией, предопределяющей качество и дальность связи по оптическим кабель- ным линиям. Соединение волокон и монтаж кабелей производятся как в процессе производства, так и при строительстве и эксплуатации ка- бельных линий. 25в Чак. SI 389
При монтаже ОК должны быть обеспечены: высокая влагоустойчи- вость сростка, надежные механические характеристики на разрыв и смятие и стабильность характеристик сростка при длительной эксплуа- тации в подземных условиях. Монтаж волокон ОК подразделяется на постоянный (стационарный) и временный (разъемный). Постоянный монтаж производится на ста- ционарных кабельных линиях, прокладываемых на длительное время, а временный — на мобильных линиях, где приходится неоднократно 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 требова- ниями к соединительным устройствам являются простота конструкции, малые переходные потери, устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям, надежность. Дополнительно к разъем- ным соединителям предъявляются требования стабильности парамет- ров при многократной стыковке. Основной задачей соединения одиночных оптических волокон яв- ляется обеспечение строгой их соосности, идентичности геометрии тор- цов, перпендикулярности поверхностей последних оптическим осям во- локон и высокой степени гладкости торцов. При этом подразумевается, что поверхность торцов плоская. Важным требованием являются также высокая стабильность состоя- ния оптического контакта и малые потери, вносимые сростком. Наруше- ние этих условий создает отражения, ухудшает использование поля излу- чения торца возбуждающего волокна, т. е. снижает эффекгивность ввода в возбуждаемое волокно. Кроме, того, некачественный оптический контакт представляет собой неоднородность, влияние которой на распростране- ние сигналов зависит от степени несовершенства контакта и числа мод (увеличиваясь с уменьшением их количества). С увеличением диаметра волокна облегчается выполнение необходимых условий, обеспечивающих малые потери оптического соединения, поэтому соединение многомодо- вых одиночных волокон осуществляется легче, чем маломодовых. Наиболее распространенными приспособлениями для соединения оптических волокон являются: соединительные трубки; разъемные со- единители; механические сростки; металлические наконечники. 390
В последнее время для стационарного монтажа ОК прочно утвердился метод сварки электричес- кой дугой, а для разъем- ного монтажа многократ- ного использования — метод разъемных соеди- нителей. Общий вид сварочно- го прибора показан на рис. 12.33. Прибор состо- ит из корпуса, блока сварки ОВ /, вставляемо- го в держатель волокна 2, микроскопа 3, освещения 4. Принципиальная схема сращивания воло- кон электродуговой сваркой приведена на рис. 12.32,а где волокна 1, электроды 2. Вследствие высокой температуры (1600° С), создаваемой дуговым разрядом, концы волокон плавятся (рис. 12.32,6) и при прижа- тии друг к другу (рис. 12.32,в) прочно соединяются. Потери при таком сростке не превышают 0,2 дБ. Прочность на разрыв сростка не менее 70 % первоначальной прочности, составляют 0,3...0,4 дБ. В настоящее время при стро- ительстве ОК широко применяет- ся комплект для сварки. В состав комплекта входят: устройство для сварки оптических волокон, уст- ройство для резки оболочек ОК, инструмент для снятия защитных оболочек волокна, инструмент для скола оптических волокон и дру- гие вспомогательные устройства. Комплект питается постоянным током 12 В с током нагрузки не менее 4 А и рассчитан на работу При штекерном соединении потери Рис. 12.33 391
те. 12.34 на трассе (в палатках, колодцах) при температуре 10... 40°С. Технология сварки оптичес- ких волокон состоит из следу- ющих операций (рис. 12.34)'. установка волокон (I); включе- ние электрической дуги с тем- пературой 1200°С на 15 — 30 с (II); сближение волокон и оп- лавления торцов в течение 20 с (III); мгновенная сварка при температуре 1800° С за 2...3 с (IV); естественное охлаждение в течение 60 с (V). Волокна располагаются на пластмассовых кассетах с фиксаторами (рис. 12.35). Кассета 1 рассчитана на четыре или восемь сростков. Запас волокон в кассете должен составлять 0,8...! м с каждой стороны кабеля. Внизу кассеты располагаются металлические элементы кабеля и силовые стержни. Сростки 2 имеют запас в виде петли и не испытывают продоль- ного растяжения. Усилие на разрыв воспринимают силовые элементы. У междугородных кабелей снаружи располагается, внешняя за- щитная полиэтиленовая муфта 4, и зазор между муфтой и кассетой заливается гидрофобным заполнителем. Все стыки, места соедине- ний муфт, конусов герметизируются с помощью термоусаживаемых трубок (ТУТ) 3. На мобильных линиях, где приходится неоднократно соединять и разъединять строительные длины кабелей, наибольшее применение получили штекерные разъемные соединители. Разъемный соедини- 12 3 4 Рис. 12.35 392
тель, предназначенный для соединения свето- водов с пластмассо- вым покрытием, пока- зан на рис. 12.36. Один из соединяемых свето- водов I с изоляцией 2 закрепляется в штыре, рис 12.36 другой — в гнезде пу- тем сжатия концов трубок из стали, надетых на пластмассовую обо- лочку. Штыревая часть имеет с обеих сторон конические каналы, обеспечивающие соосность световодов. При выполнении операции соединения наружные сопрягаемые поверхности 3 тесно соприкаса- ются друг с другом и фиксируются между собой гайкой с накаткой. Наиболее характерная конструкция механического сростка приведена на рис. 12.37. В сростке соединяемые во- локна 1, 2 вводятся в пластмассовую втулку 4 и свободное пространство за- полняется клеющей жидкостью 3, ока- зывающей скрепляющее и иммерсионное Рис. 12.37 действие (уменьшение потерь на отражение от торцов). Снаружи сросток герметично закрывается и механически защищается полумуфтами 5. 6. При монтаже ОК в целом должны обеспечиваться влагостойкость, надежные механические характеристики на разрыв и смятие и ста- бильность характеристик сростка при длительной эксплуатации в подземных условиях. Существуют различные методы монтажа ОК. При каркасном монтаже (рис. 12.38) используется металлический каркас 1 (рис. 12.38,а) с числом продольных стержней равным числу сращи- Рис. 12.38 393
ваемых волокон 2, которые сращи- вают одним из вышеуказанных спо- собов. Сростки 3 размещают на эбо- нитовых пластинках (рис. 12.38,6} таким образом, чтобы сросток не ис- пытывал продольных воздействий на разрыв. Поверх каркаса накладыва- ют несколько слоев полиэтиленовой ленты, а затем надевают термоуса- живаемую муфту 4 с подклеивающим слоем (рис. 12.38, в), при воздей- ствии положительной температуры муфта плотно обжимает сросток. Смонтированный кабель с силовыми элементами показан на рис. 12.39, где 1 — соединение волокон, 2 — кольцо, 3 — кабель, 4 — гидроизоляция, 5 — соединение силовых элементов, 6 оптическое во- локно, 7 —укрепление силовых элементов, 8 — соединительная муф- та. Силовые элементы соединяются напрямую и принимают на себя ра- стягивающую нагрузку, а волокна укладываются в муфте петлей, и сростки не испытывают растяжения. Волокна соединяются одним из ранее списанных способов. Муфта состоит из двух частей и гидроизо- лируется посередине и в конусах. 12.6. Техническое обслуживание и ремонт кабельных линий передачи Текущее обслуживание. Для обеспечения нормальной и бесперебой- ной работы электрических и подземных оптических, в том числе в тру- бопроводах, кабельных линий и сетей связи на дистанциях сигнализа- ции и связи орг авизуют бригады кабельщиков, кабельные околотки и цехи в зависимости от оснащенности и наличия кабельного хозяйства на дис- танции в составе, соответствующем утвержденным техническим нормам. Работники кабельного цеха наблюдают за техническим состоянием кабельных линий и сетей; ремонтируют кабели, оконечные и промежу- точные устройства, подземные колодцы, коробки и каналы кабельной канализации; подготавливают кабельное хозяйство к зиме, а также уст- раняют повреждения в кабелях. При проведении плановых и конт- рольных электрических измерений всех видов кабеля на дистанциях, имеющих большие кабельные сети, назначают электромеханика или 394
старшего электромеханика, а там, где имеются контрольно-измеритель- ные пункты (КИП), эти измерения выполняют работники измеритель- ной группы КИПа. Плановые измерения дают возможность выявить состояние кабелей и являются основным материалом для составления плана ремонтных работ. Для поддержания кабеля в исправном состоянии проводят профи- лактические мероприятия, текущий и капитальный ремонты. Профилактические мероприятия. Профилактика проводится в те- чение всего года. В нее входят: регулярный осмотр кабельных трасс, всех кабельных устройств и устранение обнаруженных дефектов; от- вод поверхностных вод, заливающих участок трассы; выправление и укрепление покосившихся контрольных точек и замерных столбиков; выравнивание рельефа кабельной трассы путем подсыпки и утрамбов- ки грунта в местах его осадки; внешний осмотр противокоррозионных установок; осмотр кабельных ящиков, шкафов и будок; регулировка искровых промежутков на цоколях разрядников и каскадной защиты. Во время проверки кабелей в кабельных колодцах обращают внима- ние на места выхода кабеля из канала и поворот его в сторону. Кабель в этих местах должен находиться в свободном состоянии без натяжения. Далее проверяют, на всех ли местах под кабелем имеются свинцовые подкладки на консолях, недостающие подкладки устанавливают. В распределительных шкафах, кабельных киосках и ящиках проверя- ют крепление боксов, плинтов и кабелей, подходящих к боксам. Особое внимание обращают на состояние кроссировочных проводов и их креп- ление. Тщательно проверяют пайку жил кабеля к штифтам бокса. При окислении и позеленении пайки эти жилы немедленно перепаивают. Текущий ремонт. Выполнение работ, не требующих значительных зат- рат рабочей силы и материалов, входит в текущий ремонт. В состав этого вида работ входят углубление и планировка трассы кабеля; окраска замер- ных столбиков, контрольных точек, каркасов боксов, кабельных шкафов и ящиков, согласовывающих и защитных устройств; замена, поднятие или опускание люков на кабельных колодцах; восстановление поврежденной штукатурки в колодце; очищение колодцев от мусора; окрашивание крон- штейнов, консолей, люков, внутренних поверхностей крышек. При текущем ремонте перекладывают кабель в колодцах и тонне- лях; устраняют омическую асимметрию отдельных пар; заменяют при- 395
шедшие в неудовлетворительное состояние свинцовые муфты и пер- чатки кабеля; углубляют кабели на берегах рек и оврагов; укрепляют грунт на спусках оврагов, расчищают кустарники в охранной зоне трассы кабеля; проверяют состояние кабельных переходов на мостах и плоти- нах и устраняют обнаруженные мелкие недостатки; перемонтируют муфты; вставляют небольшие куски кабеля, восстанавливают перепай- ку между свинцовыми оболочками кабеля. Текущий ремонт кабельных сооружений осуществляют в течение всего года, причем наружные работы выполняют преимущественно ле- том, а работы внутри помещений — зимой. Капитальный ремонт. Такой ремонт выполняют по заранее состав- ленным проектам и сметам. В сметы включают замену отдельных уча- стков магистральных кабелей с пониженным сопротивлением изоля- ции жил и не поддающихся восстановлению. Работы по капитальному ремонту подготавливают заблаговременно. В план капитального ремонта включают ремонтные работы сетей местной связи по станциям, замену кабелей с пониженной изоляцией; вставляют отдельные куски кабеля и заменяют воздушные линии телефонной связи кабелем. На дистанциях, имеющих телефонную канализацию, переустраива- ют пришедшие в ветхость кабельные колодцы, восстанавливают повреж- денные каналы и дополнительно укладывают каналы из асбестоцемен- тных труб. Планом капитального ремонта предусматривают углубление ка- бельной траншеи на отдельных участках, устанавливают кабель под воздушное давление, проводят работы по защите от электрической и почвенной коррозии с включением дренажей, заменяют замерные столбики, ремонтируют или заменяют неисправные боксы, гидро- изолируют колодцы и т. д. Ремонтные работы выполняют, как правило, поточным способом. Для отдельных видов работ колонну разбивают на группы (бригады), специализированные по видам работ. По окончании ремонтных работ отремонтированный участок кабельной линии принимает специально назначаемая комиссия. Эксплуатация кабельных линий и сетей в зимних условиях. Для обеспечения безаварийной работы кабельных линий и сетей в зимних условиях до наступления холодов проводят ряд профилактических ме- роприятий и подготовительных работ. 396
В первую очередь осматривают кабельные линии, сети и кабельные вставки, выявляют наиболее слабые и уязвимые места и устраняют обна- руженные дефекты. Для установления состояния действующего кабеля проводят электрические измерения кабельных цепей. Тщательно проверя- ют состояние оконечных кабельных устройств (оконечных муфт, боксов, кабельных ящиков, бутлегов и т.п.), плотность прилегания дверц кабель- ных ящиков, так как при наличии щелей зимой в кабельный ящик может попасть снег. Осматривают кабельные опоры, подпоры и оттяжки. Если кабели местной телефонной связи проложены в кабельной канализации, то перед наступлением холодов их осматривают особенно тщательно. Обращают внимание на то, чтобы в каналах и колодцах канализации не было воды, которая зимой, замерзнув, может сильно сдавить кабель, проложенный в каналах, и повредить его. После осмотра колодцев верх- ние крышки люков замазывают, чтобы предотвратить попадание в ко- лодец воды и грязи во время осенних дождей. К дополнительным работам по текущему обслуживанию кабельных линий и сетей в зимнее время следует отнести: очистку от снега люков кабельных колодцев, распределительных шкафов и другой кабельной ар- матуры, находящейся на открытом воздухе, более тщательное наблюдение затем, чтобы в кабельной массе, которой защищены оконечные муфты, не появились трещины вследствие сильных колебаний температуры окружа- ющего воздуха; сколку льда на подводных кабелях, если вследствие значи- тельного понижения уровня воды кабель вмерз в лед у берегов. На кабельных и воздушных линиях, имеющих вставки подводного кабеля, осматривают состояние этих вставок и выясняют, нет ли опас- ности повреждения подводного кабеля ледоходом. У местных гидрометеорологических станций запрашивают время предполагаемого ледохода и прогноз паводка. Кабельные опоры, кото- рые могут оказаться в зоне разлива, укрепляют. В тех местах, где про- ложен подводный кабель и есть опасность его повреждения, устраива- ют постоянные дежурства работников и специальных бригад, обеспеченных аварийным запасом материалов, лодками и т. д. На уча- стках трассы, где могут произойти оползни и размыв почвы, также при- нимают меры по предупреждению возникновения повреждений — ус- траивают водоотводы и др. Большое значение имеет проведение измерений кабельных цепей на всех кабельных линиях и сетях с наступлением весны, так как они 397
позволяют своевременно обнаруживать места возможных повреждений на кабеле, которые возникли во время зимы, и тем самым предупредить повреждение кабеля. Техническое обслуживание подвешенного на опорах контактной сети и автоблокировки ОК, должно осуществляться в соответствии с прави- лами его эксплуатации. В состав работ, выполняемых дистанциями электроснабжения, дол- жны включаться: периодический осмотр и оценка состояния кронштейнов, поддер- живающих и натяжных зажимов; замена поврежденных кронштейнов, хомутов, поддерживающих и натяжных зажимов и других деталей крепления ОК, проведение анти- коррозийной покраски кронштейнов; Дистанции сигнализации и связи могут устанавливать периодичность работ по техническому обслуживанию ОК, исходя из требований ус- тойчивости работы ВОЛП. Электробезопасность при проведении ука- занных работ обеспечивают дистанции электроснабжения. При осмотре кронштейнов, поддерживающих и анкеровочных за- жимов и узлов их крепления следует определять: состояние сварных и болтовых соединений; неизменность положения анкеровочных зажимов на ОК и отсутствие повреждений на нем; состояние подвески поддерживающих зажимов. В сварных швах не допускаются трещины и разрывы швов. Кронш- тейны с трещинами в сварных швах и с разрывами сварных швов долж- ны заменяться. В болтовых соединениях не допускаются трещины и обрывы бол- тов. Дефектные болты должны заменяться. В анкеровочных зажимах не допускается проскальзывание зажимов вдоль ОК, обрывы проволок в спиралях. Не допускаются также трещины и вмятины в поддержива- ющих зажимах, деформации крепежных деталей. При техническом обслуживании ОК дистанциями электроснаб- жения организации, производившие монтаж, должны передавать ди- станции электроснабжения необходимый запас деталей, узлов и ма- териалов (кронштейны, хомуты, поддерживающие и анкерующие зажимы) в соответствии с утвержденными нормами или по указа- нию МПС РФ. 398
Техническое обслуживание вводов кабеля в дома связи, муфт, аппа- ратуры, обеспечивающее нормальное функционирование волоконно- оптических линий связи, а также ремонт опущенного ОК при повреж- дениях, осуществляют организации, которым передано право их эксплуатации. Перечень работ по техническому обслуживанию ОК и периодичность их выполнения устанавливает эксплуатирующая орга- низация в соответствии с нормативными документами. В случае пла- нового ремонта муфт, отдельных участков ОК и необходимости обес- печения электробезопасности эксплуатирующие организации передают заявки в дистанции электроснабжения на проведение этих работ. На основании заявок дистанции выделяют необходимый персонал для обес- печения безопасного производства работ. Каждое повреждение ОК должно быть учтено, расследовано и проана- лизировано. При этом выявляются причины повреждений, правильность монтажа, условий эксплуатации, и разрабатываются меры по предотвра- щению подобных повреждений. Расследование и учет указанных случаев производит организация, эксплуатирующая ОК. В случае возникновения аварийной ситуации организация, эксплуагирующая ОК, и энергодиспет- чер обязаны проинформировать друг друга и принять операгивные реше- ния о срочном восстановлении связи и ликвидации аварийной ситуации в соответствии с ПТЭ и другими нормативными документами. При необходимости снятия напряжения передается заявка энерго- диспетчеру на выполнение работ со снятием напряжения. Представитель дистанции электроснабжения получает наряд и про- водит на месте работ инструктаж. На месте производства работ бригада определяет участок повреж- дения, его характер и причины. При необходимости ОК снимается с поддерживающих зажимов и опускается на землю, а остальной учас- ток кабеля в обе стороны от места повреждения анкеруется с помощью натяжных зажимов. Подготавливается помещение для проведения мон- тажно-сварочных работ, вырезается поврежденный участок ОК и про- изводится его сращивание со вставкой оптических муфт. Восстановленный ОК анкеруется и укладывается в поддерживаю- щие зажимы. Муфты и запас ОК закрепляются на опорах. По окончании работ дается уведомление диспетчеру, который пода- ет напряжение в контактную сеть. Составляется паспорт восстановлен- ного участка трассы кабеля. 399
12.7. Техника безопасности при выполнении кабельных работ В пределах железнодорожного полотна на перегонах и станциях по условиям техники безопасности траншеи начинают рыть только после получения письменного разрешения. Сначала рабочих знакомят с ка- бельной трассой, подземными сооружениями, с устройствами, встре- чающимися на трассе, ц местами, где работы должны проводить с осо- бой осторожностью. Инструмент должен быть исправным. В населенных пунктах разрытую траншею и котлованы следует ог- раждать щитами, а ночью, помимо этого, — освещать красным фонарем. Разработку траншей вручную в пределах железнодорожного полот- на должны осуществлять только в присутствии прораба, мастера или бригадира после ограждения места работ сигналами; при получении сигнала о приближении поезда необходимо, чтобы все работники были выведены из траншеи в безопасную зону. При работах вблизи путей следует соблюдать особую осторожность и принимать меры к предотвращению обвалов и оползней краев тран- шей. Материалы и инструмент надо располагать на таком расстоянии от путей, чтобы их не мог задеть подвижной состав. Складывать мате- риалы и инструменты на откосе земли со стороны траншеи или котло- вана запрещается. В местах прохода пешеходов через траншеи должны быть уложены мостики с перилами и бортовыми досками. При наличии подземных коммуникаций на трассе кабеля пользоваться ломами, кирками и т. п. при рытье траншей разрешается только на глубину 0,3 м от поверхности земли. Далее все работы должны вестись лопатой. Для устройства колодцев котлованы роют глубиной и шириной в за- висимости от типа колодца. Стенки котлованов в любом грунте подле- жат креплению. Места котлованов ограждают и ночью освещают крас- ным огнем. Запрещается спускаться в вырытый котлован до того, как его стенки будут укреплены щитами, а также опускаться в котлован и вылезать из него по крепящим распорам. Спускаться в колодцы и котлованы глубиной свыше 1 м разрешается только по надежно установленным лестницам. Погрузку и выгрузку барабанов с кабелем массой более 60 кг необ- ходимо выполнять механизированным способом и на ровной местнос- ти. При наличии уклона под щеки барабана укладывают упоры так, что- 400
бы исключить самопроизвольное движение барабана. Погружают ба- рабан с кабелем в кузов автомобиля краном. Влезать в кузов для зак- репления барабана разрешается только тогда, когда барабан будет опу- щен на платформу автомобиля. При перевозке барабанов с кабелем в автомобиле следует сделать дополнительный настил из досок. Нахо- диться сзади накатываемого на автомобиль (в железнодорожный вагон) или спереди спускаемого с автомобиля (вагона) барабана запрещается. При накатке и спуске барабана с кабелем под кузовом автомобиля дол- жны быть установлены опоры. Барабан, нагруженный на автомобиль или другие транспортные сред- ства, следует тщательно закрепить растяжками и специальными баш- маками или отесанными бревнами, подкладываемыми под щеки бара- бана. Скорость передвижения автомобиля должна быть ограничена. Необходимо, чтобы погрузкой, перевозкой и разгрузкой барабанов с кабелем руководил опытный работник в должности не ниже старшего электромеханика. Перед началом прокладки кабеля необходимо прове- рить герметичность оболочки через вентиль, впаянный в конце кабеля. Если кабель прокладывают кабелеукладчиком, то к работе на нем допускаются лица, изучившие технологический процесс укладки кабе- ля и проверенные на знание техники безопасности при работе на кабе- леукладчике. Работы в колодцах кабельной канализации. При протягивании кабеля в канализации запрещается находиться у изгибов троса и прика- саться голыми руками к движущемуся кабелю или тросу. Во время установки на стенки колодца железобетонного перекры- тия (целого или сборного) находиться в колодце запрещается. Спускаться в колодец разрешается после того, как перекрытие будет надежно уста- новлено и займет необходимое положение. Люк на горловине колодца должен быть закрыт временной или постоянной крышкой. При открывании колодца следует соблюдать особую осторожность, чтобы не получилось искры от ударов ломом, молотком и т. д., которые могут вызвать взрыв, если в колодце имеются взрывоопасные газы. При снятии примерзшей крышки люка зимой можно использовать кипяток, горячий песок или негашеную известь. Запрещается приближаться к люку с открытым огнем. Независимо от того, есть в колодце газ или нет, до начала работы необходимо провентилировать колодец, в котором будут проводить ра- 401
боту, и соседние с ним колодцы, по одному с каждой стороны. Венти- лирование подземных устройств кабельной сети перед началом работы и в процессе работы обязательно во всех пунктах, в том числе и в тех, где нет газовых сетей. При вскрытии каналов пользоваться открытым огнем запрещается, так как в каналах может быть газ. Если при открытии колодцев опасные газы не были в них обнаружены, то во время работы следует вентили- ровать их не реже 3...4 раз за смену. Если при открытии колодцев был обнаружен газ, то вентилировать колодцы следует до тех пор, пока не будет установлено, что опасные газы отсутствуют. При работах в колодцах применяют переносные лампы, работаю- щие при напряжении 12 В. Во время прошпарки и пайки кабеля колодцы должны быть обеспе- чены механической приточной вентиляцией. Необходимо, чтобы на каждом работнике, спускающемся в колодец, был надет спасательный пояс с лямками и надежно прикрепленной проч- ной веревкой. Около колодца, в котором выполняют работы, должен находиться дежурный, который обязан следить за состоянием спустив- шихся в колодец работников и за тем, чтобы веревки не запутались, за что-нибудь не зацепились и концы их не упали в колодец. При пользовании электроинструментом должно быть обеспечено его быстрое включение и отключение от электросети. Работа с электроин- струментом на высоте 2,4 м с приставными лестницами запрещается. Напряжение электроинструмента должно быть не выше 220 В в поме- щениях без повышенной опасности; не выше 36 В в помещениях с по- вышенной опасностью и вне помещений. При работе с электродрелью ее корпус должен быть заземлен; пере- ходить с электродрелью на другое место работы можно только после отключения ее от сети. При каждом, даже кратковременном перерыве в работе электродрель должна быть выключена из сети, подводящие про- вода должны быть исправны. К работам с пневматическим инструментом допускаются только те лица, которые прошли специальное обучение. Во время ремонтных работ на силовых кабелях высокого напряжения дополнительно должны соблюдать следующие правила: работу на таких кабелях выполняют не менее двух человек; приступать к работе можно 402
только после того, как с кабеля будет отключено высокое напряжение, а жилы кабеля на обоих концах заземлены и установлены плакаты «Не включать. Работают люди». Если кабель необходимо разрезать ножов- кой, то металлическую часть последней соединяют гибким изолирован- ным проводом с временно устраиваемым в месте работ заземлителем. Электромонтер, разрезающий кабель или вскрывающий чугунную соеди- нительную муфту, должен надеть галоши, резиновые перчатки и предох- ранительные очки, а под ноги подложить доски или резиновый коврик. После снятия крышки муфты электромонтер при помощи индикатора убеждается в отсутствии в жилах кабеля напряжения, соединяет зажимы или гильзы на жилах с землей и только после этого может продолжать работу без диэлектрических перчаток и специальных очков. При вскрытии свинцовых муфт необходимо соблюдать те же предо- сторожности, что и при вскрытии чугунных муфт. Если муфту разреза- ют ножом, то он должен быть заземлен. При снятии заземлений после окончания работ сначала отключают заземляющие провода oi кабель- ных жил, а затем от заземлителей. Подключение кабелей связи к защитным (дренажным) устройствам, а также защитных устройств к источнику блуждающих токов следует выполнять в диэлектрических перчатках. Ремонт дренажных устано- вок и любые другие работы с ними разрешается проводить только пос- ле отключения напряжения и заземления дренажного кабеля со сторо- ны контактной сети электрифицированной железной дороги или трамвая. На катодных установках разрешается работать без отключе- ния напряжения, но в диэлектрических перчатках. Работать на кабеле, расположенном рядом с кабелями, по которым не прекращается подача дистанционного питания, необходимо так, что- бы не повредить их. При работе на магистралях, выполненных по двух- кабельной системе, питание кабеля, на котором будут выполнять рабо- ты, следует отключить. До получения извещения об отключении напряжения питания приступать к работам нельзя. Кабель, остающий- ся под напряжением, в коглованах должен быть присыпан землей, а в колодцах на этот кабель должен быть повешен плакат «Под напряжени- ем! Опасно для жизни!». Любые работы с кабелем, находящимся в зоне опасного влияния кон- тактной сети переменного тока, должны выполнять не менее чем два лица, 403
одно из которых является наблюдающим. Все работы на кабельных лини- ях, связанные с необходимостью или возможностью прикосновения к ка- белям (за исключением бездействующих), следует выполнять в диэлектри- ческих перчатках, галошах или ботах. Прикасаться к броне, оболочке и незаземленным жилам кабеля разрешается только в диэлектрических пер- чатках. При снятии джута, брони и экранирующих покровов с кабеля, а также при размотке кабеля с барабана и его прокладке поверх диэлектри- ческих перчаток следует надевать хлопчатобумажные рукавицы. Кабели и кабельную арматуру необходимо откапывать в диэлектрических перчат- ках с надетыми поверх них хлопчатобумажными рукавицами и в диэлект- рических галошах. Начиная с глубины 0,4 м эту работу можно выполнять только лопатами. У котлована необходимо вывешивать плакат, предупреж- дающий об опасности прикосновения к откопанному кабелю. Перед началом работ по ремонту кабеля на дно котлована укладыва- ют деревянный щит, поверх которого кладут резиновые коврики. Такой же щит с резиновыми ковриками устанавливают у одной из стен котло- вана со стороны рабочего места спайщика. На время работ в котловане должно быть оборудовано временное заземление. Для этого в грунт забивают три стальных стержня (углово- го профиля) или три газовые трубы диаметром не менее 20 мм. Глубина забивки стержней и труб должна быть не менее 1 м, а расстояние меж- ду ними — не менее 1,5 м. Заземлители должны быть электрически соединены между собой изолированным многожильным медным про- водом площадью поперечного сечения не менее 10 мм2. Перед вскры- тием кабеля его броню зачищают и надежно подключают к заземлению медным изолированным многожильным проводом площадью попереч- ного сечения не менее 10 мм2. После заземления и шунтирования оболочек следует проверить от- сутствие индуцированного напряжения на кабеле и только после этого может быть дано указание работать без диэлектрических перчаток. Все работники, занятые в монтаже кабелей, должны иметь монтажный ин- струмент с изолирующими ручками. Техника безопасности при подвеске ОК. Работы по подвеске ОК могут выполнять электромонтеры районов контактной сети или специа- лизированные монтажные организации под наблюдением представителя дистанции электроснабжения, ответственного за электробезопасность в 404
части контактной сети и высоковольтных линий (исключая надзор за элек- троустановками машин и механизмов монтажной организации). Монтаж на опорах контактной сети металлических кронштейнов, подвеску роликов, раскатку диэлектрического трос-лидера на опорах контактной сети с изолированных или заземленных рабочих площадок автомотрис или автодрезины следует производить со снятием напряже- ния с контактной сети и со всех проводов ремонтируемого пути и их заземлением установленным порядком с одновременным закрытием пути для движения всех поездов. В тоннелях и на мостах с ездой понизу работы по установке кронштей- нов, раскаточных роликов, поддерживающих и анкерных зажимов ОК, протяжка трос—лидера также должны производиться со снятием напряже- ния и заземлением и с закрытием движения всех поездов по занятому пути. Если на опоре контактной сети в зоне работ находится поперечный секционный разъединитель, то его шлейф, находящийся под напряже- нием, должен быть отключен от контактной подвески и заземлен. При монтаже металлических кронштейнов, подвеске раскаточных роликов с лестниц или изолированных съемных вышек на опорах с не- изолированными консолями, работы ниже пяты консоли выполняются без снятия напряжения с контактной сети и других проводов с соблю- дением безопасного расстояния 0,8 м от работающих и применяемых ими деталей, инструмента до токоведущих частей. Указанные работы между пятой и верхом опоры контактной сети выполняются со снятием напряжения с контактной сети и всех прово- дов и их заземлением. При изолированных консолях указанные работы независимо от вы- соты подвески ОК на опоре следует выполнять со снятием напряжения и заземлением контактной сети и других проводов. На время монтажных работ на опорах их защитные устройства от коррозии должны быть зашунтированы медной перемычкой сечением не менее 50 мм. На время работ волноводные провода должны заземляться на рельс. Протяжка трос-лидера может осуществляться без снятия напряжения в контактной сети и высоковольтно-сигиельных линиях автоблокировки. При подвеске роликов на опоре каждый из них необходимо снабжать по- водком из диэлектрического шнура, пропитанного водоотталкивающи- 405
ми составами (допускается леска). Тогда протяжка трос—лидера и про- пуск его через ролики последовательно по всему анкерному участку про- изводится электромонтерами с земли. Одним концом поводок привязы- вают к концу троса, и, подтягивая второй конец поводка, трос-лидер пропускают через ролик. При протяжке трос—лидера и ОК без снятия напряжения в контакт- ной сети и без перерыва в движении поездов следует принимать меры по обеспечению безопасного габарита трос-лидера и ОК от движуще- гося подвижного состава или встречающихся различных препятствий. Контрольные вопросы 1. Состав технического проекта магистральных кабельных линий. 2. Как выбирается трасса кабеля? 3. Особенности прокладки кабеля в кабельной канализации. 4. Какие машины и механизм применяются при прокладке подзем- ных кабелей? 5. Назначение постановки кабеля под избыточное газовое давление. 6. Какие методы используются для определения места повреждения оболочки кабеля? 7. Какие виды коррозии существуют? 8. Основные меры защиты подземных кабелей от электрической кор- розии. 9. Состав рабочей документации при проектировании подвесных ОК. 10. Как выбирается трасса для прокладки подземных ОК в грунт и в трубопроводах? 11. Способы протяжки ОК в трубопроводах. 12. Способы монтажа оптических волокон. 13. Что входит в текущее обслуживание кабельных линий? 14. Какие работы выполняются в процессе текущего и капитального ремонта кабельных линий? 15. Какие работы проводятся при техническом обслуживании под- весных ОК? 16. Какие меры по технике безопасности применяются при обслу- живании и ремонте кабельных линий? 17. Какие меры по технике безопасности применяются при подвес- ке ОК? 406
ЛИТЕРАТУРА 1. Каллер М.Я., Соболев Ю.В., Богданов А.Г. Теория линейных элект- рических цепей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. — М.: Транспорт, 1987. — 335 с. 2. Гроднев И.И., Верник С.М., Кочановский Л.Н. Линин связи. — М.: Радио и связь, 1995. — 489 с. 3. Виноградов В.В., Кузьмин В.И., Гончаров А.Я. Линии автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. — М.: Транспорт, 1990. —231 с. 4. Верник С.М., Кашутин А.А. Взаимные влияния между линейными трактами кабельных магистралей. — М.: Связь, 1979. — 119 с. 5. Шварцман В.О. Взаимные влияния в кабелях связи. — М.: Связь, 1966. —431 с. 6. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели. Пер. с англ. — Новосибирск: Издатель, 1997. — 263 с. 7. James J. Refi / Fiber optic cable. Published by abc Teletraning, Jnc., 1991. — 205 c. 8. Временные правила строительства и технического обслуживания ка- бельных линий устройств СЦБ на станциях и перегонах, сооружаемых с применением трубопроводов. — М„ 1998. — 164 с. 9. Асе Э.Е., Гончаров А.Я., Папичев В.В. Монтаж устройств железнодо- рожной автоматики и телемеханики. — М.: Транспорт, 1988. — 446 с. 10. Строительные нормы и правила СНиП II—39-76, с. II // Нормы проекти- рования. — М.: Стройиздаг, 1977. — Гл. 39: Железные дороги колеи 1520 мм. 20 с. 11. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог перемен- ного тока. МПС — М.: Транспорт, 1989. — 134 с. 12. Правила прокладки кабелей в земляном полотне железных дорог. МПС — М.: Транспорт, 1989. — 70 с. 13. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы пере- дачи, аппаратура и элементы, — М.: Солон—Р, 2001, — 232 с. 14. Алиев И.И. Кабельные изделия: Справочник, — М.: РадоСорт, 2001, —224 с. 15. Правила по строительству волоконно-оптических линий железно- дорожной связи с прокладкой кабеля в пластмассовых трубопроводах, — СПб.: Роек, 1999.— 137 с. 16. Асе Э.Е. Кабели и провода для устройства СЦБ и связи. — М.: Транс- порт, 1993. 304 с. 17. Строительство линейных сооружений железнодорожной станции. — М.: Транспорт, 1987. — 334 с. 407
Предметный указатель А Анодная зона 366, 369 Апертура входная угловая 154 — локальная 157 — числовая 154 — эффективная 157 Асимметрия емкостная 338 — поперечная 259, 261, 269 — продольная 259 Б Блуждающие токи 368, 373 В Вдувание кабеля 380 Влияния взаимные 266, 269 — внешние 266, 268 — вследствие конструктивных неоднородностей 317 — вследствие явлени отражений 317 — высоковольтных линий 254, 286 — магнитные 267, 296, 307 — мешающие 268, 290, 295 — опасные 267, 288, 295 — тяговых сетей переменного гока 255 — тяговых сетей постоянного тока 257 — через третьи цепи 315 — электрические 307 — электромагнитные 268, 308 Волна плоская 16, 21 — цилиндрическая 33 Волноводы 9, 22, 24, 139 Волны бегущие 16, 20 — отраженные 16, 33 — падающие 16, 33 — магнитные 20, 22 — электрические 20, 22 — поперечно-электромагнитные 21 Волокно оптическое одномодовое 142, 148 — многомодовое 142, 145 Выражения аппроксимационные затухания сигнала 43 — фазы 43 Г Гидрофобное наполнение кабеля 111, 120 Етубина проникновения поля 18 —света 152 Грозовые разряды 292 Групповая скорость 172 Групповой показатель преломления 173 д Диаметр оболочки 143, 145 — модового поля 149 — сердцевины 143, 145 Диод светоизлучающий 137 Дисперсия волноводная 171 — материальная 172, 174 — модовая 157, 159, 171 — поляризационная модовая 174 — хроматическая 170 Дренаж электрический 369 Е Единицы затухания 41 3 Закон преломления Снеллиуса 151,155 Затухание переходное 309, 329, 334 Защищенность 310 И Изоляция жил 70 К Кабели высокочастотные симмет- ричные 101, 108 — коаксиальные 116 — контрольные 122 — местной связи 109 — низкочастотные 105 — сигнализации и блокировки 119 408
— силовые 124 — станционные 113 Кабельные вставки 230 — ящики 90, 223 Кабельные линии и сети 237 — совмещенные магистральные линии 237, 241 — сети местной связи 237, 241 — кабельные линии АТ на перегонах 238, 245 — кабельные сети АТ на станци- ях 238, 243 Кабельные системы 128 Катушки дренажные 301 — запирающие 344 Конструкции электрических кабелей 63, 65, 72, 76 Конструкции отпических кабелей — зарубежных 211 — отечественных 198 Контуры противосвязи 336 Коррозия электрическая 367, 369 — межкристалическая 367 — почвенная 366, 371 — статическая 180 Коэффициент акустического воздействия 291 — взаимной емкости 270 — взаимной индуктивности 271 — защитного действия 29 — магнитной связи 262, 269 — распространения вол- ны 42, 57 — сглаживающего действия фильтров 297 — укрутки 51 — чувствительности 260, 341 — экранирования 29 — электрической связи 269 — электромагнитной связи 273, 275, 276, 277 Л Лазер полупроводниковый 138 Линии поверхностной волны 10 Лучи косые 153 — меридиональные 153 М Маркировка кабелей 94, 131, 191 Материалы изоляционные 67 — оболочек и защитных покро- вов кабеля 77, 79 — проводниковые 65 Модуль оптический 141 — Юнга 178 Муфты газонепроницаемые 83 — компенсирующие 378 — прямые 82, 339 — разветвительные 83, 88 Н Нормальный вылет угла 222 Нормы защищенности 311 — мешающих влияний 290 — опасных влияний 289 О Операторы симметрирова- ния 340, 343 Опоры воздушных линий: — кабельные 223, 295 — П-образные 222 — полуанкерные 222 — промежуточные 221 — противоветровые 223 Оптические кабели связи 183 П Параметры цепей волновые 47, 57 — первичные воздушных линий 47 — первичные кабельных линий 51 Полосковые линии 9 Поляризация моды 142, 174 Построение СКС 131 26 Зак. 81 409
Потенциал провода 266 Потери в диэлектрике 68 — на изгибах 169 — поглощение 167 — рассеяние 167 Предохранители 233 Преобразование Далласа 42 Продольная э.д.с. 261 Протекторная защита 371 Профиль градиентный 142, 144 — сегментный 142, 144 — ступенчатый 142, 143 Первичное покрытие 140 Псофометрическое напряжение 291 Р Разрядники 233, 302, 304 Распределение Вейбулла 178 Рассеяние рэлеевское 168 С Сближение 165 Световоды 136, 139 Сердечник кабеля 73, 191 Сеть связи взаимоувязанная 3 Симметрирование высокочастот- ных цепей 337, 342 — низкочастотных цепей 338 Скрутка жил кабеля в груп- пы 72, 332 Согласовывающие устройства 231 Сопротивление цепи волновое 57 — внутреннее провода 30 — входное 264,283,284 Способы симметрирования 336 Т Тракт межпроводный 25, 253 — провод-земля 252, 344 Транспозиция проводов 295 Трансформаторы многообмо- точные 300 — отсасывающие 296 — разделительные 300 — редукционные 300 У Угол падения151 — падения предельный 151, 153 — отражения 151 — преломления 151 Уравнения волновые 13 — Максвелла 12 Ф Фильтры сглаживающие 258, 297 Функции Бесселя 161 — Ганкеля 161 — единичного скачка 42,44 — передаточная 40, 170 X Характеристики амплитудно- частотные 41 — временные 42 — опереаторные 41 — фазочастотные 41 Ч Частота нормированная 165 Ш Шкафы магистральной связи 87, 223 — распределительные 94 ц Цепи наложенные 9, 258 — несимметричные 251, 255 — однопроводные 9, 258, 261 — связи 8 — симметричные 9, 64, 251 — трехфазные 254, 255 — физические 3 Э Электрическое скрещивание 313 Электромагнитное экраниро- вание 28 Эффект близости 27, 36, 51 — поверхностный сильный 27, 31 — поверхностный слабый 27, 33 410
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ..............................................3 Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ...............................8 1.1. Виды направляющих систем.......................8 1.2. Волновые уравнения для гармонических колебаний.........................12 1.3. Плоские волны как простейший случай волнового процесса............15 1.4. Распространение плоских волн в диэлектрике и проводнике..........................16 1.5. Волновые уравнения в цилиндрической системе координат..................19 1.6. Электромагнитные волны в направляющих системах.............................20 1.7. Способы расчета направляющих систем...........23 1.8. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах.............................24 1.9. Внутреннее сопротивление уединенного круглого провода........................30 1.10. Внутреннее сопротивление проводов двухпроводной цепи..................................36 Глава 2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАЧИ ЦЕПЕЙ ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ..........................39 2.1. Характеристики передачи цепей автоматики и связи............................39 2.2. Параметры цепей как характеристики процесса распространения электромагнитной энергии............46 2.3. Первичные параметры цепей воздушных линий.....47 2.4. Первичные параметры цепей симметричных кабелей................................51 2.5. Первичные параметры коаксиальных кабелей......55 2.6. Волновые параметры цепей воздушных и кабельных линий...................57 Глава 3. КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ................................63 3.1. Конструктивные элементы кабелей...............63 26; 411
3.1.1. Общие понятия.............................63 3.1.2. Классификация кабельных линий.............63 3.1.3. Жилы кабелей..............................65 3.1.4. Материалы и виды изоляции ................67 3.1.5. Скрутка жил и построение сердечника кабеля.72 3.1.6. Экраны, оболочки и защитные кабельные покровы................................76 3.1.7. Кабельная арматура, материалы и сооружения.81 3.1.8. Маркировка кабелей связи, автоматики и телемеханики........................94 3.1.9. Особенности кабелей для прокладки в зоне электрифицированных железных дорог........97 3.2. Основные типы электрических кабелей связи и область их применения..............................99 3.2.1. Общие сведения............................99 3.2.2. Кабели дальней связи.....................101 3.2.3. Кабели местных телефонных сетей..........109 3.2.4. Станционные кабели.......................113 3.2.5. Коаксиальные кабели..................... 116 3.2.6. Кабели для сигнализации и блокировки.....119 3.2.7. Контрольные кабели.......................122 3.2.8. Силовые кабели...........................124 Глава4. СТРУКТУРИРОВАННЫЕ КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ (СКС).........................................128 4.1. Основные элементы кабельных систем.............128 4.2. Кабели, применяемые для построения СКС.........131 4.3. Универсальные кабельные системы и применяемые стандарты.............................133 Глава 5. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ............136 5.1. Структурная схема волоконно-оптической линии передачи.................136 5.2. Конструкция и классификация оптических волокон..................................139 5.2.1. Конструкция оптических волокон...........139 5.2.2. Классификация оптических волокон.........142 5.2.3. Разновидности многомодовых волокон и области их использования......................145 5.2.4. Разновидности одномодовых волокон и области их использования......................147 412
5.3. Распределение света по оптическому волокну......150 5.3.1. Лучевой подход............................151 5.3.2. Волновой анализ распространения света в волокне.... 159 5.4. Параметры передачи оптических волокон...........167 5.4.1. Затухание световых сигналов...............167 5.4.2. Дисперсия импульсных световых сигналов....170 5.5. Характеристики оптических волокон, определяющие их качество и долговечность............175 5.5.1. Геометрические характеристики.............175 5.5.2. Механическая прочность и срок службы оптических волокон.......................176 5.6. Оптические кабели связи.........................182 5.6.1. Классификация и конструкция оптических кабелей.... 182 5.6.2. Маркировка оптических кабелей............ 191 5.6.3. Конструкция оптических кабелей ...........198 5.6.3.1. Отечественные оптические кабели....198 5.6.3.2. Зарубежные оптические кабели.......211 Глава 6. ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ И АВТОБЛОКИРОВКИ........216 6.1. Классы и типы воздушных линий связи.............216 6.2 Элементы воздушных линий связи...................217 6.3. Арматура и устройство переходов.................226 6.4. Основные сведения о высоковольтно—сигнальных линиях автоблокировки......................................231 Глава 7. КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ, МАГИСТРАЛИ И СЕТИ............237 7.1. Кабельные линии и сети..........................237 7.2. Кабельные магистрали связи......................239 7.3. Кабельные сети связи на станциях................241 7.4. Кабельные сети напольных устройств автоматики и телемеханики на станциях ............................243 7.5. Кабельные линии централизованной автоблокировки на перегонах..........................245 Глава 8. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ИНДУКТИРОВАННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ.....................................248 8.1. Общие определения...............................248 8.2. Характеристики влияющих цепей...................250 8.3. Особенности влияния на одно- и двухпроводные цепи.......................258 8.4. Методика определения индуцированных напряжений и токов опасного и мешающего влияний ....261 413
8.5. Особенности расчетов внешних и взаимных влияний.................................268 8.6. Коэффициенты связи.............................269 Глава 9. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЦЕПИ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И МЕРЫ ЗАЩИТЫ.............................................279 9.1. Влияние внешних электромагнитных полей на цепи автоматики, телемеханики и связи..........279 9.1.1. Классификация источников внешних влияний и их характеристики......279 9.1.2. Особенности расчета влияния на цепи автоматики, телемеханики и связи..............279 9.1.3 Определение индуцированных напряжений и токов............................281 9.1.4. Нормы допустимых опасных и мешающих влияний .. 288 9.1.5. Воздействие атмосферного электричества на линейные сооружения .......................292 9.2. Меры защиты от внешних влияний..............295 9.2.1 Мероприятия, проводимые на влияющих линиях.295 9.2.2. Меры защиты от опасных и мешающих влияний, применяемые на линиях автоматики, телемеханики и связи.......................................297 9.2.3. Особенности защиты линий от влияния радиостанций..................................301 9.2.4. Устройства защиты аппаратуры автоматики, телемеханики и связи от электромагнитных влияний.302 Глава 10. ВЗАИМНЫЕ ВЛИЯНИЯ И ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ ЦЕПЕЙ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.................305 10.1. Общие сведения.............................305 10.2. Определение токов непосредственного влияния при нескрещенных цепях...........................307 10.3. Переходное затухание и защищенность........309 10.4. Изменение влияний при нескрещенных цепях в зависимости от длины линий и частоты тока......311 10.5. Косвенные влияния..........................315 10.6. Влияние между коаксиальными целями.........319 10.7. Влияния между симметричными цепями при передаче импульсов...........................321 414
Глава 11. МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ВЗАИМНЫХ ВЛИЯНИЙ...................326 11.1. Скрещивание цепей воздушных линий...................326 11.1.1. Переходное затухание между скрещенными цепями воздушных линий связи.............329 11.1.2 Эффективность скрещивания в зависимости от шага скрещивания...........................331 11.2. Скрутка кабельных жил..............................332 11.3. Переходное затухание между цепями в кабельных линиях.................................334 11.4 Симметрирование кабелей.............................335 Глава 12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СТРОИТЕЛЬСТВО И ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ И СЕТЕЙ..............................................347 12.1. Проектирование и строительство электрических кабельных линий и сетей..............347 12.1.1. Проектирование электрических кабельных сетей.347 12.1.2. Выбор трассы и прокладка кабеля..............348 12.2. Механизация кабельных работ........................354 12.3. Содержание кабеля под постоянным избыточным газовым давлением.......................361 12.4. Меры защиты подземных кабелей от коррозии..........365 12.4.1. Виды коррозии...............................365 12.4.2. Меры защиты от коррозии.....................368 12.5. Строительство оптических кабельных сетей...........373 12.5.1. Строительство подземных оптических кабелей .373 12.5.2. Выбор трассы и строительство подземных оптических кабелей..................375 12.5.3. Прокладка оптических кабелей................377 12.5.4. Подвеска оптических кабелей.................386 12.5.5. Монтаж волокон оптических кабелей...........389 12.6. Техническое обслуживание и ремонт кабельных линий передачи...........................394 12.7. Техника безопасности при выполнении кабельных работ .... 400 ЛИТЕРАТУРА.................................................407 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ.......................................408 415
Учебное издание Владимир Валианович Виноградов Сергей Егорович Кустышев Вадим Антонович Прокофьев ЛИНИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ Учебник для высших учебных заведений железнодорожного транспорта Редактор — Е.Д. Кунинева Корректор —Л.Е. Лохова Компьютерная верстка — Н.П. Якушина Подписано в печать 23.07.2002 г. Формат 60х88'/|б. Усл.-печ. л. 26.5. Тираж 6000 экз. Заказ 81 Издательство «Маршрут», 107078, Москва, Басманный пер., д. 6 Отпечатано в ООО «Арт-диал» 129110, г. Москва, ул. Б. Переяславская, 46
ISBN 5-89035-075-7
Учебно-методический кабинет МПС России предлагает учебно-программную документацию, учебную, учебно-методическую литературу и компьютерные программы 1. Примерные программы учебных дисциплин для Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 657700 Системы обеспечения движения поездов Специальность 210700 Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте Организация производства и дистанций сигнализации и связи (на магнитном носителе) Теоретические основы автоматики, телемеханики и связи (на магнитном носителе) Линии ж.-д. автоматики, телемеханики и связи (на маг- нитном носителе) 2. Методические рекомендации Организация производственной практики студентов на предприятиях железнодорожного транспорта (методические ре- комендации для студентов и руководителей практики). Части 1,2,3 3. Учебники и учебные пособия Горелов В.Г. Теория передачи сигналов на железнодорож- ном транспорте, 1999. — 416 с. Лецкий Э.К. Информационные технологии на железнодо- рожном транспорте, 2001. — 678 с. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Тео- рия дискретных устройств железнодорожной автоматики, те- лемеханики и связи, 2001. — 312 с.
Яковлев В.В., Корниенко АЛ. Информационная безопас- ность и защита информации в корпоративных сетях железно- дорожного транспорта, 2002. — 336 с. Кудряшов В.А., Глушко В.П. Системы передачи дискретной информации, 2001. — 384 с. Кудряшов ВЛ. Открытые информационные системы и сети (альбом), 2001. — 43л. Под редакцией Сапожникова В.В. Системы диспетчерской информации, 2002. — 406 с. Шмытинский В.В., Глушко В.П. Многоканальные системы передачи, 2002. — 558 с. Волков АЛ. Радиопередающие устройства, 2002. —- 352 с. Гавзов Д.В., Дрейман О.К., Кононов ВЛ. Системы диспет- черской централизации, 2002. — 406 с. 4. Компьютерные программы Автоматизированная интерактивная система тестирования АИСТ (дискеты, метод, описание) Заявки, с указанием своего почтового адреса, направляйте в УМК МПС России: 107078, г. Москва, Басманный пер., д.6; тел/факс 262-12-47, 262-81-20 E-mail: marketing_umkmps@mail.ru Internet: www.umkmps.da.ru.