3.3. Параметры проводных линий связи

3.3.1. Первичные параметры

Первичными параметрами линий связи являются активное погонное сопротивление R (Ом/км), погонная индуктивность L (Гн/км), погонная емкость С (Ф/км), погонная проводимость G (1/Ом км или Мо/км).

Активное сопротивление определяется как:

R=R₀+R_п.э.+R_бл+R_м ,

где R₀-сопротивление постоянному току,

R_п.э.- сопротивление поверхностного эффекта,

R_бл - сопротивление эффекта близости,

R_м - сопротивление потерь в металле (в соседних кабельных цепях и свинцовой оболочке).

Для воздушных линий учитывается:

R=R₀+R_п.э. ,

т.к. R_бл и R_м - пренебрежимо малы по сравнению с R₀ и R_п.э

Для кабельных линий учитываются все слагаемые.

R₀ зависит от диаметра провода, материала, температуры окружающей среды и способа скрутки жил.

R_п.э - сопротивление переменному току, чем выше его частота, тем выше R_п.э (скин-эффект).

R_бл - эффект близости сказывается тем сильнее, чем больше диаметр провода, магнитная проницаемость и частота тока.

R_бл увеличивается при уменьшении расстояния между проводами. Эффект близости возникает за счет взаимного влияния рядом расположенных токонесущих проводников, т.к. каждый из двух проводов своим магнитным полем создает вихревые токи в соседнем проводе. Взаимодействие вихревых токов с основным током приводит к увеличению плотности тока на обращенных друг к другу поверхностях проводов.

Сопротивление потерь в металле R_м возникает из-за того, что вихревые токи, создаваемые внешним магнитным полем цепи, производят нагрев окружающих металлических частей.

Индуктивность проводов L зависит главным образом от расстояния между проводами и их диаметра (уменьшается с увеличением расстояния и диаметра) и в меньшей мере - от материала провода (у стали больше, чем у меди) и частоты тока (увеличивается при увеличении частоты).

Емкость проводов С зависит от расстояния между проводами (увеличивается при уменьшении расстояния), диаметра провода и от диэлектрика между проводами цепи.

Произведение LC=, где - и - магнитная и диэлектрическая проницаемости. Для воздушной линии LC=1, для кабеля LC=.

Проводимость изоляции G (утечка) зависит от типа изоляции, частоты тока (увеличивается с увеличением частоты) и климатических условий. Для воздушных цепей на увеличение утечки влияет также появление гололеда и инея.

3.3.2. Вторичные параметры

Вторичными параметрами являются волновое сопротивление Z_В и постоянная передачи или коэффициент распространенная . Эти параметры характеризуют условия распространения электромагнитной энергии по линиям связи и зависят только от первичных параметров линии и частоты передаваемого сигнала (или длины волны ).

В линиях небольшой протяженности (l<<) величина тока практически одинакова как в начале, так и в конце цепи. Если длина проводов велика (l >), то линия называется длинной и ток и напряжение в конце линии и в разных её точках отличается от значений в начале линии.

Волновое сопротивление. Сопротивление, которым можно заменить отрезанную часть бесконечно длинной линии так, что при этой замене в любых точках оставшейся части линии значения тока и напряжения будут прежними, называется волновым или характеристическим и обозначается Z_В. В общем случае

.

При частотах больше 10 кГц R и G весьма малы по сравнению с L и C, поэтому можно считать, что .

Для медных воздушных линий связи Z_В600900 Ом, для коаксиальных кабелей: 50, 75, 150 Ом.

Сопротивление, измеряемое в начале линии, называется входным сопротивлением.

Входное сопротивление совпадает с волновым сопротивлением только тогда, когда сопротивление нагрузки Z_Н=Z_В. Только в этом случае будет наилучшая передача электроэнергии, т.е. будет наибольший КПД передачи, установится режим бегущих волн, т.е. будут отсутствовать отражения волн в линии от нагрузки.

Согласованность Z_Н=Z_В имеет большое значение при передаче энергии. Если Z_НZ_В, то в линии возникают отраженные волны, появляются пучности напряжения и тока, энергия в нагрузку идет не полностью, расходуется в кабеле и идет в основном на его нагрев и кабель может выйти из строя, из-за оплавления изоляционных материалов кабеля.

В телемеханических системах при передаче сигналов КПД может быть мал и достигать всего нескольких процентов. Но т.к. приемные устройства очень чувствительны, то возможности передачи определяются не абсолютной величиной сигнала, а отношением сигнала к помехе. Но при Z_НZ_В, в линии возникают отражения импульсных кодовых сигналов, которые накладываются на передаваемую информацию и она искажается.

Постоянная передачи или коэффициент распространения записывается следующим образом:

,

 - коэффициент затухания, характеризующий уменьшение напряжения или тока;

 - коэффициент сдвига фазы, определяющий изменение фазы напряжения или тока.

Затухание электромагнитной энергии в линии, нагруженной на волновое сопротивление, происходит по экспоненциальному закону по амплитуде: напряжение U₁, ток I₁, мощность P₁ в начале линии соответственно всегда больше напряжения U₂, тока I₂ и мощности P₂ в конце линии. Поэтому:

где l – длина линии.

Из этих соотношений вытекает, что

.

Если l=1 км, то величина километрического затухания в линии, согласованной с нагрузкой, определяется:

.

Затухание измеряется в Неперах. Непер - это натуральный логарифм отношения двух напряжений, токов или половина логарифма отношения мощностей на выходе и на входе.

Если линия обладает затуханием в 1 Неп, то это означает, что ток и напряжение в конце линии уменьшаются в е=2,718 раза, а мощность в е²=7,39 раза.

Затухание измеряется также в децибелах:

, дБ.

При этом:

1Неп = 8,686 дБ, 1 дБ = 0,1151 Неп.