6. Принципы построении сетей отс

В книге [4] подробно рассмотрена организация сетей оперативно — технологической связи (ОТС) на железнодорожном транспорте. Отличительными особенностями магистральных, дорожных и отделенческих ОТС являются линейное расположение абонентских пунктов вдоль железных дорог при среднем расстоянии между ними 5 - 10км; значительная протяженность обслуживаемых участков; оперативно-служебный характер каждого вида связи, особое назначение и самостоятельная область применения; односторонний способ ведения переговоров; распределения нагрузки между пунктами, так как наибольшее количество переговоров абоненты линейных пунктов ведут с руководителями, находящимися в центрах управления на дорожных, отделенческих и участковых станциях, а число переговоров внутри участка между абонентами линейных пунктов сравнительно невелико. Эти особенности определили необходимость организации каждого вида ОТС по выделенному каналу. При организации связи наиболее дорогостоящими являются линейные сооружения. Так как ОТС применяется на всей сети железных дорог, то выбор наиболее рациональной и экономичной структуры сетей ОТС имеет существенное значение.

Сети с индивидуальными и групповыми каналами. Если при линейном расположении пунктов (рис. 5,а) организовать связь распорядительной станции (РС), где находится ответственный руководитель (диспетчер), с подчинённым ему персоналом на станциях вдоль участка железной дороги по индивидуальным каналам (двухпроводная цепь показана в однолинейном изображении), то общая протяжённость сети составит:

L₁ = 0,5n(n-1)l (1)

где n — количество станций сети;

l — среднее расстояние между пунктами, км.

При такой структуре использование индивидуальных каналов низкое, так как нагрузка на такие каналы невелика. Например, в каналах ПС и ЛПС исходящая нагрузка от линейной станции к распорядительной не превышает, соответственно, 0,05 и 0,01 Эрл, а от одной линейной станции к другой в среднем составляет 0,001 Эрл (1 эрланг (1 Эрл) — соответствует непрерывному использованию одного стандартного канала тональной частоты в течение 1 часа. То есть если абонент проговорил с другим абонентом в течение одного часа, то на телекоммуникационном оборудовании была создана нагрузка в один Эрланг).

Рис.5

В каналах ПДС, СДС, ЭДС исходящая нагрузка от одной линейной станции к другой

составляет ещё меньшую величину.

Низкая нагрузка, необходимость заводить все виды связи практически на каждую линейную станцию, ведение индивидуальных, групповых и циркулярных (общих) разговоров, служебный характер переговоров привели к построению ОТС с использованием групповых каналов (5,б), в которые параллельно включаются аппараты абонентов линейных станций. В этом случае протяжённость сети составляет:

L₂ = (n – 1)l (2)

Уменьшение протяжённости сети, а следовательно, и затрат на линейные сооружения согласно формулам (1 ) и (2) составит r = L₁/L₂ = n/2 (при 30 станциях в 15 раз). Таким образом, организация группового канала технологической связи значительно уменьшает затраты на реализацию конкретного вида ОТС.

Применение групповых каналов повышает использование линейных сооружений, так как каждым каналом пользуются абоненты п линейных станций, а не одна. Групповой принцип подключения к каналу абонентских установок на линейных станциях облегчает организацию связи совещаний. Таким образом, использование группового канала по сравнению с индивидуальными более эффективно. Следует отметить, что что при применении групп каналов отсутствует секретность связи, так как пользователи могут прослушивать разговоры других абонентов, включённых в этот же канал. Однако, в силу того, что по каналам ОТС ведутся служебные переговоры, этим недостатком пренебрегают. Для того, чтобы абоненты не мешали друг другу, телефонные аппараты подключаются к групповому каналу только в момент ведения переговоров. В свою очередь переговоры могут осуществляться только с разрешения и под контролем руководителя (диспетчера) или оператора, который устанавливает соединение.

Для раздельного вызова промежуточных пунктов, включённых в групповой канал, применяют кодированный вызывной сигнал. Для того, чтобы можно было вызвать каждого абонента индивидуально, промежуточный пункт линейной станции должен иметь приёмник избирательного вызова, срабатывающий при поступлении кодированного сигнала с индивидуальными отличительными признаками. Согласно технологии ведения переговоров по групповым каналам наряду с индивидуальным вызовом требуется посылать от распорядительной станции одновременно вызов группе промежуточных пунктов (групповой) или всем пунктам, включённым в канал (циркулярный).

Система телефонной связи, обеспечивающая посылку индивидуального, группового и циркулярного вызовов, называется избирательной.

В один групповой канал обычно требуется включать до 20-30 промежуточных пунктов. Если предположить, что их входное сопротивление Z_вх мало, то затухание группового канала в целом увеличится, и качество передачи речи будет низким. Поэтому телефонные аппараты избирательной связи должны иметь высокое входное сопротивление, превышающее модуль волнового сопротивления цепи не менее, чем в 10 раз, во избежание шунтирования, при снятой трубке, одним аппаратом других. К особенностям связи по групповому каналу относится также односторонний (полудуплексный) способ ведения переговоров, который предусматривает включение переговорных устройств на распорядительных и промежуточных станциях по переменной схеме. Всё это потребовало разработки особых принципов построения сетей технологической связи и специального оборудования для различных видов ОТС.

Сети станционной ОТС строятся по радиальному принципу. У руководителей технологического процесса устанавливаются коммутаторы оперативной технологической связи (КТС), а у абонентов — телефонные аппараты с центральной батареей (рис.5,в), на котором двухпроводная цепь связи показана в однолинейном изображении.

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 ЭЦ можно объединять в одном кабеле и при каких условиях?

5. Каковы особенности кабельных линий на перегонах на автобло­кировке с централизованным размещением аппаратуры?

6. Поясните понятия сети с индивидуальными и групповыми каналами.

7. Объясните, почему групповой канал более эффективен чем индивидуальный?

Раздел 3.

Общие понятия о направляющих системах электросвязи

ЛЕКЦИЯ 4. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

Для передачи информации электрическими сигналами (за исключением радиорелейной и спутниковой связи) применяют направляющие системы, канализующие электромагнитную энергию в заданном направлении. Направляющие системы представляют собой непрерывные, однородные устройства предназначенные для передачи электромагнитной энергии в заданном направлении.

Распространение поля в заданном направлении обеспечивается наличием границ между средами, имеющими различные свойства (проводник и диэлектрик, два диэлектрика с различными параметрами). Такими направляющими системами являются цепи воздушных и кабельных линий, металлические и диэлектрические волноводы и т.п. Направляющей системой является также любая линия передачи в энергетических системах.

При рассмотрении процесса передачи электромагнитной энергии по различным направляющим системам их принято разбивать на две основные группы. К первой группе относят направляющие системы, подчиняющиеся рассматриваемым в теории цепей уравнениям линии. Поэтому 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 электродинамическими методами. К числу таковых принадлежат различные виды металлических и диэлектрических волноводов.

На рис.1 показана первая группа направляющих систем, объединённых общим признаком: они состоят не менее чем из двух проводников, имеющих разные потенциалы и образующих цепь электрического тока. Проводники, образующие цепь, играют, в сущности, лишь роль направляющих поверхностей, которые определяют направление распространения волны в диэлектрике и ограничивают рассеяние электромагнитной энергии в окружающее пространство.

Симметричная цепь (СЦ)

Рис.1

является наиболее распространённой на воздушных и кабельных линиях. Симметричная цепь по определению должна быть образована из проводников, имеющих одинаковую конструкцию (форму), электрические характеристики и геометрические размеры. Если заменить один её провод землёй, экраном или оболочкой, то она превращается в несимметричную, так называемую однопроводную цепь (ОЦ).

Если провод однопроводной цепи и поверхность земли заменить металлическими лентами, то получится полосковая (несимметричная) линия (ПЛ). Для уменьшения внешних электромагнитных 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 электромагнитное поле будет сосредоточено в основном между лентами. Но симметричность 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 играет и роль экрана. Внешнее электромагнитное поле такой цепи, в отличие 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 для экономии металла организуют искусственные (наложенные) цепи, в которых два провода симметричной цепи с помощью трансформатора со средней точкой используют в качестве одного провода (рис. 2,а). Таким образом, по четырём проводам организуют три независимые двухпроводные цепи. Аналогично на симметричную двухпроводную цепь накладывается «однопроводная» несимметричная (рис. 2,б).

Рис. 2

Ко второй группе относятся направляющие системы, содержащие всего один конструктивный направляющий элемент (рис. 3). Это металлические волноводы МВ, представляющие собой металлическую трубу круглого, прямоугольного или эллиптического сечения, в которой распространяется электромагнитная волна, а также диэлектрические волноводы ДВ, устроенные в виде стержней различных сечений из высокочастотного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε >1, благодаря чему токи смещения в стержнях больше, чем в окружающем воздухе, и энергия распространяющейся вдоль него электромагнитной волны концентрируется и движется в основном в массе диэлектрика.

И звестны также магнитоэлектрические волноводы, изготовляемые из диэлектрика, у которого ε >1 и магнитная проницаемость μ > 1. Линия поверхностей волны (ЛПВ) – это металлический проводник, покрытый слоем такого же диэлектрика, какой используется

Рис.3

для изготовления диэлектрических и магнитодиэлектрических волноводов. Процесс распространения волны в ЛПВ аналогичен процессу в диэлектрическом волноводе, но здесь есть и токи проводимости. К этой же группе относятся различные световоды, в которых распространяются лучи света, т.е. электромагнитные процессы очень высокой частоты.

Первые световоды строились в виде металлической трубы, в которой луч света распространялся вдоль оси с помощью оптических или «газовых» линз или зеркал, расположенных внутри трубы. Такие световоды были дороги, требовали сложной юстировки и были заменены тонкими (доли миллиметра) прозрачными волокнами из специального стекла или пластмассы, обычно покрытыми отражающими оболочками из того же материала, 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.

Ч астотные диапазоны, в которых работают различные направляющие системы, приведены на рис. 4.

Рис. 4

Перечислим основные области применения направляющих систем. Симметричные двухпроводные цепи широко используются на воздушных линиях и кабельных линиях дальней связи, местной общетехнологической связи (абонентские и соединительные линии), станционной распорядительной и стрелочной связи, вторичной коммутации отделенческой оперативно-технологической связи, двухсторонней парковой связи громкоговорящего оповещения, абонентских участков информационно-вычислительных сетей передачи данных, а также в локальных вычислительных сетях. Однопроводные несимметричные цепи на железнодорожном транспорте практически не находят применения, так как очень чувствительны к индуктивным помехам и к токам, блуждающим в земле. Полосковые линии используют в радиотехнических и других СВЧ устройствах; особенно они удобны при монтаже на печатных платах. Коаксиальные цепи обладают сравнительно большей пропускной способностью и могут быть использованы для частичного резервирования волоконно-оптических линий передачи и в сетях кабельного телевидения. 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 информации как на дальние расстояния, так и на короткие, например, в локальных вычислительных сетях.

В настоящее время наибольшее применение при изготовлении кабелей нашли симметричная цепь и оптическое волокно. Причём преимущественно применяются однородные кабели, содержащие или симметричные цепи или оптические волокна. На ряде железнодорожных участков проложены комбинированные кабели для технологической связи

и устройств СЦБ, содержащие как симметричные цепи так и оптические волокна. Последние предназначены для организации каналов технологической связи и линейных цепей автоблокировки на сети железных дорог Российской Федерации. Они содержат оптические волокна, высокочастотные и низкочастотные четверки (пары). По низкочастотным парам могут работать устройства СЦБ при номинальном напряжении 380 В переменного тока частотой 50 Гц и 700 В постоянного тока. Особенностью конструкций комбинированного кабеля является использование водо-блокирующих материалов в виде лент и корделя для обеспечения продольной водонепроницаемости кабеля. Поэтому этот кабель не требует постановки под избыточное воздушное давление при его эксплуатации.

Комбинированные кабели могут ис­пользоваться при строительстве и реконструк­ции устройств связи и СЦБ на малодеятельных участках дорог с воздушными линиями связи и сигнальными проводами, подвешенными на вы­соковольтных линиях автоблокировки.

Для участ­ков с тепловозной тягой и электротягой постоянного тока разработаны модификации кабелей с экра­ном из алюмополиэтиленовой ленты типа МКПВБЭпП, а для участков с электротягой переменного тока с алюминиевой обо­лочкой типа МКПВБАШп. В маркировке комбинированных кабелей буквами Эп обозначен экран из алюмополиэтиленовой ленты, а буквами ВБ – обозначен водо-блокирующий материал.

Конструкция кабелей марки МКПВБЭпП - 2х4х1,05+9х2хО,7/ОКЗ 2х4-0,36/0,22 по­казана на рис.5.

Рис.5

1-контрольная жила; 2-лента из водо-блокирующего материала; 3-поясная изоляция; 4-экран из алюмополиэтиленовой ленты (или алюминие­вая оболочка); 5-оболочка из полиэтилена; 6-алюмополиэтиленовая лента (алюминиевая оболочка); 7-контактная проволока; 8-модули-заполнители из полиэтилена; 9-.централь­ный силовой элемент из стеклопластика; 10-оптические модули; 11-трубка из поли­этилена; 12, 13, 16-кордели из водо-блокирующего материала; 14-изолированные жилы вы­сокочастотных четверок; 15-высокочастотная четверка; 17-звездная четверка вспомогатель­ных жил; 18-изолированная жила вспомога­тельных пар (четверок); 19-вспомогательная пара, скрученная из двух изолированных жил.

Оптический элемент сердечника кабеля представляет собой пучок, скрученных вокруг силового элемента, оптических модулей и корделей-заполнителей. Оптический элемент размещается в трубке из полиэти­лена. Межмодульное пространство заполнено гидрофобным заполнителем, который не выте­кает из сердечника оптического элемента до температуры 50°С.

Стандартная комплектация кабеля содержит два оптических модуля: один - красного цвета, другой - зеленого. Оптический модуль представляет собой трубку из полибутилентерефталата, внутри которого расположены четыре оптических волокна, имеющих оранжевый, белый, синий и зеленый цвет. Сочетание цветов оптических волокон одинаковое во всех моду­лях. Номинальный наружный диаметр опти­ческого модуля ~ 2,0 мм.

Оптические волокна удовлетворяют требованиям рекомендации G.652 Международного союза электросвязи (МСЭ). Оптические волокна имеют следующие параметры:

• коэффициент затухания - не более 0,36 дБ/км на длине волны 1310 им и не более 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм;

• хроматическая дисперсия не более 3,5 пс/нм в диапазоне волн 1285-1330 нм и не более 18 пс/нм в диапазоне длин волн 1525-1375 нм.

В оптическом элементе, по требованию заказчика, может быть увеличено число оптических волокон с 8 до 20, за счет использования 3-х дополнитель­ных оптических модулей, вместо корделей-заполнителей.

Высокочастотные четверки скручены из че­тырех изолированных жил с пленкопористой изоляцией разного цвета вокруг корделя-заполнителя из водо-блокирующего материала (ВБМ). Сердечник кабеля может содержать 1, 2 или 3 высокочастот­ные четверки. В четверке две жилы, расположенные по ди­агонали, образуют рабочую пару. Изоляция жил первой пары каждой четверки - красного и белого цветов, второй - синего и зеленого. Но­минальный диаметр неизолированных токопроводящих жил - 1,05 мм, изолированных - 3,7 мм.

Низкочастотные четверки скручены из че­тырех изолированных жил, имеющих сплошную полиэти­леновую изоляцию.

В табл.1 приведены варианты комплектации сердечника комбинированного кабеля.

В четверке две жилы, расположенные по диагонали, образуют вспомогательную пару. Изоляция жил первой пары каждой четверки имеет красный и белый цвет. Второй – синий и зеленый.

Таблица 1.

Наименование и число элементов сердечника комбинированного кабеля
Оптических модулей	ВЧ четверок	НЧ четверок	Одиночных НЧ пар	Общее число НЧ пар
2, 3, 4, 5	0	12	1	25
	0	12	0	24
	1	8	1	17
	1	8	0	16
	2	4	1	9
	2	4	0	8
	2	3	0	6
	3	0	0	0

Одиночная пара скручена из двух изолирующих жил со сплошной полиэтиленовой изоляцией красного и белого цвета. Токопроводящие жилы низкочастотных пар имеют номинальный диаметр 0,7 мм, а изолированные жилы - 1,6 мм.

Сердечник кабелей скручивают из вышеуказанных элементов.

Кабели типа МКПВБЭпП и МКПВБЭпБбЩп имеют экран из алюмополиэтиленовой ленты с алюминиевым слоем номинально толщиной не менее 0,1 мм. Под экраном проложена луженая медная контактная проволока с минимальным диаметром 0,4 мм.

Кабели марок МКПВБАШп и МКПВБАБпШп имеют сварную алюминиевую оболочку толщиной не менее 1,1 мм.

При нарушении целостности наружных по­кровов и попадании влаги в сердечник кабеля ленты и кордели из водо-блокирующих материа­лов увеличиваются в объеме в 3~4 раза и обра­зуют пробку, которая препятствует дальнейше­му проникновению воды в кабель.

Для контроля целостности наружных покро­вов и отсутствия воды в сердечнике в конструк­цию кабеля введена неизолированная жила. Це­лостность наружных покровов, а также расстояние до места их повреждения оценивают по величине сопротивления изоляции между кон­трольной жилой и экраном.

Для мон­тажа комбинированного кабеля разработана муфта для соеди­нения и ответвления кабелей в месте стыка строительных длин и врезная муфта для ответвления в любом месте строительной длины кабеля.

Контрольные вопросы

1. Что такое направляющие системы?

2. Назовите разновидности направляющих систем, их рабочие диапа­зоны частот и области применения?

3.На какие группы делятся направляющие системы электросвязи?

4. Какие направляющие системы называются цепями связи?

5. Что заставляет электромагнитную волну двигаться вдоль направляющей системы?

6. Какие направляющие системы относятся к открытым?

7. Назовите направляющие системы, которые нашли наибольшее применение на железнодорожном транспорте?

Раздел 4

Основы электродинамики направляющих систем передачи

ЛЕКЦИЯ 5. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ