Практическое занятие №7

Определение первичных параметров передачи симметричных кабелей связи

1 Цель работы

Изучение конструктивных элементов симметричных кабелей связи и их электрических первичных параметров.

2 Теоретическая часть

Основным элементом магистрального симметричного кабеля являются жилы, т. е. проводники из меди или алюминия, изолированные каждый с помощью кабельной бумаги, полиэтилена, поливинилхлорида и т. д.Жилы чаще всего скручиваются парами, в зависимости от назначения кабеля.

Все жилы образуют сердечник кабеля, который покрывается так называемой поясной изоляцией, защищающей сердечник от повреждений при наложении оболочки и повышающий изоляцию жил от оболочки. Поверх поясной изоляции накладывается герметическая оболочка из металла или пластмассы, защищающая кабель от проникновения влаги. Оболочки выполняются из свинца, алюминия, стали, пластмассы и накладываются на сердечник кабеля в виде трубки. Ввиду большой подверженности электрической коррозии алюминиевые и стальные оболочки покрываются шлангом из пластической массы с предварительным наложением битума.

Для защиты сердечника кабеля от внешнего влияния полей, поверх изоляции накладывается экран, обычно из алюминиевой ленты.

Если кабель необходимо защищать от механических повреждений, поверх оболочки накладывают защитные броневые покровы из стальных лент или проволок. Чтобы при наложении брони не повредить оболочку, устраивают так называемую подушку из пропитанного битумом джута, кабельной бумаги или пластмассы. Поверх брони накладывают наружный покров из джута, пропитанного битумом, или в виде пластмассового шланга или лент, защищающих броню от коррозии. В ряде случаев на сердечнике кабеля или на отдельных группах жил создают экран, защищающий цепи от внешних и взаимных электромагнитных влияний. Обычно его выполняют из металлической фольги или металлизированной бумаги.

Рассмотрим элементы конструкции кабеля подробнее.

Токопроводящая жила – элемент сердечника кабеля – предназначена для прохождения электрического тока при передаче сигналов связи. Используют медные или алюминиевые жилы сплошного сечения цилиндрической формы, которые нуждаются в изоляции. Наиболее распространенные виды изоляции жил симметричных кабелей связи: воздушно-бумажная, трубчато-бумажная, пористо-бумажная, кордельно-бумажная (кордель – жгут из бумажных лент или нить из пластмассы), кордельно-пластмассовая, балонно-кордельная, баллонная, сплошная,

Изолированные жилы скручивают в группы. Скручивание создает определенным жилам рабочей цепи (пары) одинаковые условия относительно взаимных и внешних помех. Наиболее распространены следующие виды скруток:

• парная, состоит из двух изолированных жил, образующих одну рабочую цепь,

• четверочная ( звездная) , состоит из четырех жил,

– двойная парная, в которой жилы, образующие рабочую пару, скручивают между собой, а две такие пары – скручивают в четверку. Направление скрутки жил в парах противоположно направлению скрутки четверки.

– двойная звездная, в которой предварительно скрученные четыре пары свивают по способу звезды в четверку, образуя восьмерку.

Для образования сердечника кабеля группы (пары или четверки) скручивают в общий сердечник кабеля повивной или пучковой скруткой. При повивной скрутке группы располагают концентрическими слоями (повивами) вокруг центрального повива., состоящего из 1 – 5 групп. Пучковую скрутку используют в кабелях местной (городской) связи. Группы сначала скручивают в пучки. Применяют два вида пучков: элементарные, из 10 пар ( или 5 четверок) и главные, содержащие 50 или 100 пар ( 25 и 50 четверок).

По наружным и броневым покровам кабели связи разделяют на голые, не имеющие брони (в марке кабеля буква Г), с ленточной броней (Б), с броней из плоских проволок (П) и из круглых проволок (К).

По оболочкам – на кабели с алюминиевой оболочкой (А), со стальной (С), с полиэтиленовой (П), с поливинилхлоридной (В). Свинцовая оболочка не маркируется.

По изоляции жил – со стирофлексной изоляцией (С), полиэтиленовой (П).

По назначению симметричные кабели связи обозначаются: высокочастотные дальней связи – МК, низкочастотные дальней связи – ТЗ, кабели местной связи – Т. Если на группы ( четверки) накладывается экран, в марку кабеля вводят букву «Э». Кроме этого в марках кабелей связи указываются количество пар, четверок и диаметр жил.

МКСБ – магистральный кабель со стирофлексной изоляцией в свинцовой оболочке (свинцовая оболочка не маркируется) и ленточной броней.

МКСАШп – в алюминиевой оболочке без брони , покрыт шлангом,

МКСАБп – в алюминиевой оболочке с броней,

МКССШп – в стальной гофрированной оболочке.

Электрические свойства линий связи и качество передачи по ним характеризуются первичными параметрами передачи: активным сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью С, проводимостью изоляции G. Эти параметры не зависят от напряжения и передаваемого тока, а определяются лишь конструкцией линии, используемыми материалами и частотой тока.

По физической природе параметры линии аналогичны параметрам электрических контуров, составленных из элементов R, L, C. Разница лишь в том, что в контурах эти параметры являются сосредоточенными, а в линиях связи они равномерно распределены по всей длине. Принято определять параметры линий связи на 1 км длины.

Параметры R и L характеризуют процессы в металлических частях линии (проводники, экраны, оболочки), параметры G и C – процессы в диэлектрике (изоляция кабеля, изоляторы воздушных линий).

При прохождении сигналов по линии уменьшаются напряжение и ток, так что мощность сигнала, проходящего в конец линии, существенно меньше начальной. При этом потери энергии на линии обуславливают параметры R и G: первый – потери на тепло в проводниках и других металлических частях (экран, оболочка, броня), второй – потери в изоляции.

Активное сопротивление цепи R складывается из сопротивления проводников самой цепи и дополнительного сопротивления, обусловленного потерями в окружающих металлических частях кабеля (соседние проводники, экран, оболочка, броня). При расчете активного сопротивления суммируются сопротивление цепи постоянному току (R₀ ) и переменному току (R_~): R = R₀+ R_~

Сопротивление цепи зависит от материала, диаметра, длины проводников и наличия окружающих металлических масс и измеряется в омах на километр (Ом/км).

Индуктивность цепи L обусловлена появлением электродвижущей силы ЭДС при изменении магнитного потока. При этом индуцированная ЭДС может быть вызвана как изменением магнитного потока в соседней цепи, так и – в собственной цепи (самоиндукция). Индуцированная ЭДС, взаимодействуя с основным потоком, передаваемым по цепи, создает дополнительное сопротивление, называемое индуктивным сопротивлением. Индуктивность определяется отношением магнитного потока к току:

L = Ф/I.

Индуктивность цепи складывается из внутренней индуктивности самих проводников и внешней индуктивности, обусловленной внешним магнитным потоком, и зависит от материала, размеров проводников и расстояния между ними. С ростом частоты передаваемого тока уменьшается внутренняя индуктивность, а внешняя остается постоянной. Индуктивность измеряется в миллигенри на километр (мГн/км).

Емкость цепи С – аналогична емкости конденсатора, у которого обкладками служат поверхности проводников, а диэлектриком – изоляционный материал. Емкость выражается отношением количества электричества к напряжению: С = Q/U.

Емкость зависит от диаметра проводников. Расстояния между ними, свойств изоляционного материала и близости соседних металлических масс. Емкость практически постоянна в очень широком диапазоне частот. Емкость измеряется в нанофарадах на км (нФ/км).

Проводимость изоляции G характеризует качество изоляции проводников цепи. Под проводимостью изоляции понимается явление частичной электропроводимости изоляционных материалов, в результате чего часть передаваемой по цепи энергии рассеивается в диэлектрике, т. е. происходит утечка тока.

G = G₀ + G_~ .

Проводимость изоляции постоянному току обратно пропорциональна величине сопротивления изоляции

G₀=1/ R_из.

Проводимость изоляции переменному току растет с увеличением частоты и существенно зависит от качества диэлектрика – тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ), т. е. G_~ = ωC tg δ.

G= 1/R_и3 + ωСtg δ.

Обычно G₀=1/ R_из – мала, т. к. сопротивление изоляции нормируется 1000 – 10000 МОм·км.

Проводимость изоляции измеряется в сименсах на километр (См/км).

Следует иметь в виду, что первичные характеристики передачи зависят от диаметра и материала проводников, расстояния между ними, типа изоляции, частоты и температуры, поэтому они различны для разных типов линий (воздушные линии, симметричный кабель, коаксиальный кабель).

Активное сопротивление

, Ом/км,

где χ – коэффициент скрутки цепей =1,02, Р = 5 – звездная скрутка;

R₀ – сопротивление постоянному току;

R₀ = ρ·4000/ πd² , ρ=0,0175 ом*мм/ м – удельная проводимость медного провода;

d = 2r , r – радиус провода (см. табл.);

а–расстояние между проводниками

а = 1,41α₁;

α₁ = d +2*δ +3*∆

δ = 0,8 мм

∆ = 0,045 мм

F(x), G(x), H(x) – см. табл.( коэфф-ты, зависящие от частоты)

Индуктивность определяется по формуле:

Q(x) – см. табл., µ =1 – магнитная проницаемость.

Емкость

ε – электрическая проницаемость =1,3,

ψ – поправочный коэффициент, характеризующий близость металлических проводников,

ψ = (d₃ +d₁ +d)² – a² / (d₃ +d₁ +d)² + a² ,

d₃ = 2.41*d₁,

d₁ = d + 2δ +3∆ , d₃ – звездная скрутка.

Проводимость изоляции G характеризует качество изоляции проводников цепи.

G = ωC tg δ , См/км (сименс на километр),

tg δ = 7, ω = 2πf, f = 100 кГц.