Лабораторная работа № 4 взаимное влияние между цепями связи. Определение влияний и способы их уменьшения

Цель работы - исследование параметров взаимно­го влияния между симметричными цепями связи и зависимости их значений от частоты тока и длины цепей. В рамках поставленной цели следует решить следующие задачи: приобрести навыки симметрирования низкочастотных цепей кабельных линий связи; изучить основные измерительные схемы; получить опыт работы с универсальным кабельным прибором типа Гамма DSL; оценить результаты измерений помехозащищённости цепей в исследуемом диапазоне частот.

1. Подготовка к выполнению работы:

1. Изучить по литературе [1] и настоящим методическим указа­ниям:

-виды и назначение железнодорожных цепей связи;

-причины, вызывающие влияние между цепями, первичные и вторичные параметры влияния и их нормирование;

-методы и способы уменьшения взаимных и внешних влияний;

2. Изучить способы оценки величины взаимных влияний между цепями;

3. Уяснить закономерности изменения величины переходных затуханий на ближнем и дальнем концах цепи, подверженной влиянию, в зависимости от частоты тока и длины взаимовлияющих цепей;

4. Ознакомиться с приборами для измерения первичных и вторичных параметров влияния типа ИЕА-2, ТТ-3151 и Гамма DSL.

2. Основные теоретические положения

При изучении теоретического материала, связанного с данным разделом дисциплины, следует обратить внимание на то, что качество и дальность связи определяются не столько потерями (затуханием) энергии вдоль цепи, сколько помехами из-за взаимных влияний между цепями. Взаимные влияния проявляются в виде переходного разговора, который снижает разборчивость речи. Причиной взаимных влияний между цепями являются смещения жил от первоначального положения в процессе изготовления и прокладки кабеля, а также неодинаковость геометрических размеров жил и электрических параметров изоляции жил. Действие этих факторов проявляется через электромагнитное взаимодействие между цепями. При этом единое электромагнитное поле условно представляют в виде суммы двух независимых полей: электрического и магнитного.

1. ВИДЫ ЦЕПЕЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ

Для передачи информации электрическими сигналами кроме радиолиний применяют направляющие системы, канализирующие электромагнитную энергию в заданном направлении. К цепям связи относятся те направляющие системы, для которых справедливы уравнения линии.

В свою очередь цепи автоматики, телемеханики и связи (АТиС) можно разделить на два вида: симметричные и несимметричные.

К симметричным цепям (рис. 1) относятся цепи, состоящие из двух одинаковых жил, например, жил 1-2 или 3-4 (основные цепи), и искусственные цепи, каждый провод которых состоит не из одной, а из двух жил. На рис.1 первый провод искусственной цепи состоит из параллельно подключенных жил 1 и 2, второй – жил 3 и 4.

Рис. 1. Симметричные цепи

К несимметричным цепям относятся электрические цепи, состо­ящие из проводников с разными конструктивными или электрическими свойствами. К ним относятся однопроводные цепи (жила-оболочка), коаксиальные цепи, а также цепи автоматики и телемеханики, исполь­зующие в прямом и обратном проводах разное число жил, например: прямой провод состоит из одной жилы, обратный - из двух (рис. 2).

Рис. 2. Несимметричные цепи:

а – две жилы – оболочка; б – коаксиальная пара;

в – разное число жил в прямом и обратном проводах

Симметричные цепи в низкочастотном диапазоне меньше подвержены влиянию внешних электромагнитных полей и соседних це­пей по сравнению с несимметричными, поэтому они получили наиболее широкое распространение для передачи сигналов автоматики, телемеханики и технологической низкочастотной связи. Современная технология изготовления кабеля позволяет выдерживать высокую точность при производстве элементов кабельной кон­струкции, поэтому отличие электрических параметров жил друг от дру­га на частоте 1000 Гц, как правило, не превышает 1%. Несимметрич­ные цепи имеют ограниченное применение также из-за большой чувствительности к воздействию внешних электромагнитных полей. В основ­ном несимметричные цепи используются в системах автоматики и телемеханики с повышенным напряжением и током полезных сигналов при частотах не выше 150 Гц.

2. ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЛИЯНИЯ

Первичные параметры влияния. Обычно в кабельных линиях авто­матики, телемеханики и связи имеется несколько цепей. Взаимные влияния между симметричными цепями обусловлены взаимодействием электромагнитных полей этих цепей, которое для удобства можно представить в виде суммарного воздействия электрического и маг­нитного полей. Влияние от электрического поля называют электрическим, от магнитного поля - магнитным. Величину электромагнитного влияния можно определить экспериментально, а в простейших случаях - путем расчета.

Экспериментальные методы раздельного определения влияний между электрически короткими цепями ос­нованы на измерении токов и напряжений во влияющей цепи и цепи, подверженной влиянию в соответствующих режимах: когда влияющая цепь работает в режиме холостого хода, между цепями существует в основном электрическое поле, когда в режиме короткого замыкания - магнитное. Количественными характеристиками электрического и маг­нитного влияний является соответственно электрические и магнитные связи.

Составляющие электрической связи Y₁₂ определяются отношением комплексной амплитуды тока помехи в цепи, подверженной влиянию, к комплексной амплитуде напряжения во влияющей цепи :

(1)

где g – активная составляющая электрической связи, обусловленная неодинаковостью диэлектрических потерь в изоляции взаимовлияющих цепей;

k – ёмкостная асимметрия между взаимовлияющими цепями, обусловленная неодинаковостью частичных ёмкостей между проводами влияющей и подверженной влиянию цепей;

iωk – реактивная составляющая электрической связи (ёмкостная связь)

Составляющие магнитной связи Z₁₂ определяются отношени­ем комплексной амплитуды ЭДС помех в цепи, подверженной влиянию, к току во влияющей цепи :

(2)

где - активная составляющая магнитной связи, обусловленная неодинаковостью потерь в металле;

- индуктивная асимметрия между взаимовлияющими цепями, обусловленная неодинаковостью частичных индуктивностей между жилами влияющей и подверженной влиянию цепей;

jωm– реактивная составляющая магнитной связи (индуктивная связь).

Величины g, k, r, m, отнесённые к единице длины электрически коротких взаимовлияющих цепей называются первичными параметрами влияния.

На ближнем конце цепи, подверженной влиянию (там, где включён генератор во влияющей цепи), действует сумма электрической и магнитной связей, а на дальнем конце – их разность. Для расчёта величины коэффициентов электромагнитной связи (учитывают результирующее влияние через электрическое и магнитное поля) необходимо все его составляющие представить в одинаковой размерности (единицах), поэтому электромагнитные связи при влиянии на ближний (N₁₂) и дальний (F₁₂) концы, записанные в безразмерных единицах, будут определяться выражениями:

; (3)

; (4)

где Z_В – волновое сопротивление цепи.

Соотношение между активными и реактивными составляющими электрических и магнитных связей зависит от конструкции кабеля и частоты тока.

В области тональных частот (0,3-3,4 кГц) преобладает ёмкостная связь, а три другие составляющие электромагнитной связи настолько малы, что ими можно пренебречь. В области частот выше 12 кГц необходимо учитывать все четыре составляющие связей. Количественное соотношение активных и реактивных составляющих соответствующих связей в среднем равно

; (5)

; (6)

Между величинами индуктивных и ёмкостных коэффициентов асимметрии существует корреляция, определяемая выражением

. (7)

Величина ёмкостной асимметрии k нормируется в технических условиях на строительную длину кабелей связи. Поэтому по известной величине k можно определить m, а следовательно с учётом выражений (5), (6) можно рассчитать активные составляющие соответствующих связей.

Подставляя значения Y₁₂, Z₁₂ из (1), (2) в (3), (4) и учитывая, что , получим формулы для расчёта значения модуля коэффициентов электромагнитных связей

; (8)

. (9)

Коэффициенты электромагнитной связи удобно использовать при конструировании кабелей связи и теоретическом анализе величины взаимных влияний между цепями.

Электрические и магнитные связи можно рассматривать в качестве таких ёмкостей c₁₂ и проводимостей изоляции g₁₂, а также таких взаимных индуктивностей m₁₂ и сопротивлений r₁₂, которые будучи включены между взаимовлияющими цепями, создают такой же переход энергии с одной цепи на другую, как и при фактически имеющем место электромагнитном влиянии. Следовательно, процесс взаимного влияния цепей в количественном отношении полностью характеризуется четырьмя величинами: k₁₂, g₁₂, m₁₂, r₁₂. Эквивалентная схема действия электрических и магнитных связей приведена на рис. 3. По аналогии с первичными параметрами цепи C, R, L, G, характеризующими процессы распространения электромагнитной энергии вдоль цепи, величины k₁₂, g₁₂, m₁₂, r₁₂ получили название первичных параметров влияния между двумя рассматриваемыми цепями.

Рис. 3. Эквивалентная схема электрических и магнитных связей

Ещё раз отметим, что понятие о первичных параметрах влияния справедливо лишь для электрически коротких взаимовлияющих цепей, в которых можно не считаться с изменением амплитуды и фазы тока на длине линии ( ).

При фиксированной мощности сигнала величина электрического влияния зависит от напряжения во влияющей цепи, а величина магнитного влияния – от тока в ней. Поэтому чем больше волновое сопротивление цепи, тем сильнее сказывается действие электрических связей и слабее - действие магнитных связей.

При передаче по цепям сигналов в тональном диапазоне частот (0,3…3,4 кГц) величина тока помехи практически определяется ве­личиной ёмкостной асимметрии. Рассмотрим для примера схему влияний между цепями внутри четверки. На рис. 4 показана влияющая цепь 1(жи­лы 1-2) и цепь, подверженная влиянию, 2 (жилы 3-4). Частичные ёмкости между жилами C₁₃, C₂₃, C₁₄, C₂₄ образуют так называемую мостовую схему. Если указанные частичные ёмкости будут равны, то мост уравновешен, и ток электрического влияния в цепи отсутствует.

Рис. 4. Частичные ёмкости между жилами четвёрки и каждой жилы относительно заземлённой оболочки кабеля

Практически всегда и поэтому имеют место взаимные влияния между цепями. Величину коэффициента ёмкостной асимметрии между основными взаимовлияющими цепями обозначают К₁ и определяют как:

_. (10)

Коэффициент ёмкостной асимметрии К₁ можно рассматривать как эквивалентную ёмкость, которая будучи включена между взаимовлияющими цепями, создаёт такой же переход энергии с одной цепи на другую, как и при фактически имеющем место электромагнитном влиянии. Условно эту ёмкость можно представить в виде конденсатора, включённого между проводами двух взаимовлияющих цепей. В отечественной технической литературе ёмкостную асимметрию между взаимовлияющими цепями для краткости называют ёмкостной связью, а термин ёмкостная асимметрия используется для оценки неодинаковости ёмкости прямой и обратной жилы относительно оболочки кабеля (земли). Отметим, что термин ёмкостная связь более соотносится с реактивной составляющей электрической связи (смотри выражение (1)). С увеличением частоты сопротивление ёмкостной связи уменьшается, а, следовательно, токи ёмкостной связи увеличиваются. Поэтому можно сказать, что с увеличением частоты влияния на ближний и дальний концы возрастают.

Также следует учитывать что, каждая жила кабеля имеет частичную емкость относительно земли (см. рис. 4) и, когда и(или) , в цепях могут появиться индуктированные токи в результате воздействия внешних электромагнитных полей, вызываемых соседними линиями сильного тока. Эти токи будут тем больше, чем больше ёмкостная асимметрия цепи относительно земли. Для первой цепи она определяется коэффициентом ёмкостной асимметрии цепи относительно оболочки (экрана) кабеля:

_; (11)

для второй цепи:

_; (12)

Аналогично вводятся понятия других видов асимметрии: индуктивностей жил (проводов) цепей ; активной составляющей электрической связи ; активной составляющей магнитной связи . Чем меньшие значения имеют эти коэффициенты, тем меньше влияние между кабельными цепями.

При изготовлении кабеля, а также во время строительства, первичные параметры влияния не должны превышать предельно допустимых значений (ПДЗ). В табл.1 приведены ПДЗ параметров влияния в строительных длинах кабелей и смонтированном кабеле магистральной железнодорожной связи.

Таблица 1

Коэффициенты асимметрии	Допустимое значение в строительной длине кабеля		Допустимое значение в шаге симметрирования
	среднее	максимальное	среднее	максимальное
k1, пФ	20	80	10	20
e1, e2, пФ	30	100	30	100

В симметричных высокочастотных кабелях связи вместо коэффициента К₁ нормируется коэффициент ёмкостной асимметрии К₂ между первой основной цепью и искусственной цепью и коэффициент ёмкостной асимметрии К₃ между второй основной цепью и искусственной цепью, которые соответственно равны:

; (13)

_{; (14)}

_{Чем меньше значения имеют эти коэффициенты, тем меньше косвенные влияния в высокочастотном диапазоне. В низкочастотном диапазоне косвенные влияния значительно меньше непосредственных влияний и с ними можно не считаться.}

Первичные параметры взаимных влияний удобно использовать при конструировании кабеля, т. к. имеется наглядная взаимосвязь между геометрическими размерами проводников и расстояний между ними, и величиной первичных параметров взаимных влияний. Однако последние могут быть отнесены только к отрезкам цепи длиной значительно меньше четверти длины волны, что соблюдается для кабельных цепей, используемых в тональном диапазоне частот.

Величина взаимных влияний может быть определена также через понятие вторичных параметров влияния, которые применимы при любой длине и диапазоне передаваемых частот взаимовлияющих цепей.

Вторичные параметры. К вторичным параметрам влияния относится переходное затухание, которое является основным критерием эксплуатационной оценки свойств кабеля связи по взаимному влиянию между цепями.

Различают переходное затухание на ближний конец цепи, подверженной влиянию, A₀, на котором включен генератор влияющей цепи, и на дальний конец цепи A_l, на котором включена нагрузка во влияющей цепи (рис. 5).

Рис. 5 Переходное затухание на ближнем и дальнем концах цепи

Переходное затухание можно выразить через мощности сигнала, измеренные на входе влияющей цепи и на соответствующем конце цепи, подверженной влиянию. Параметры взаимного влияния практически удобнее измерять через отношения амплитуд напряжений, поэтому переходное затухание на ближнем конце цепи рассчитывается по формуле, дБ,

; (15)

на дальнем конце цепи, дБ,

. (16)

Взаимосвязь между величинами первичных и вторичных параметров влияния на строительной длине кабеля (s) определяется следующими соотношениями:

, дБ (17)

, дБ (18)

, дБ (19)

где - защищённость на дальнем конце строительной длины.

Через значения вторичных параметров влияния на строительной длине кабеля и число строительных длин на кабельной линии можно рассчитать вторичные параметры влияния для данной кабельной линии.