Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые сети доступа технологии xDSL
.pdf
– коэффициент эксцентриситета; е – эксцентриситет.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0.1 0.2 0.3 0. 4 0.5 0.6 0.7 0.8 е/rэ
Отношение R
э.е
/R
э
e/rэ
Зависимость сопротивления потерь в защитном экране
R
от величины отношения эксцентриситета к радиусу защит-
э.е
ного экрана е/rэ приведена на рис. 3.13.
Из этой зависимости видно, что небольшое смещение
цепи относительно центра защитного экрана практически не
оказывает влияние на сопротивление потерь. Однако уже при
е = rэ/3 начинается резкое увеличение величины R
. Объясня-
э.е
ется это тем, что чем ближе к экрану располагается токопроводящая цепь, тем большее число магнитных силовых линий
проникает в экран и тем большие потери в нем создаются.
Рис. 3.13. Зависимость сопротивления потерь в защитном экране
от величины отношения эксцентриситета к радиусу защитного
экрана
За счет реакции экрана эффект близости в экранированных цепях значительно меньше, чем в неэкранированных, причем можно подобрать такое соотношение основных размеров
поперечного сечения симметричной экранированной цепи,
при котором потери, обусловленные эффектом близости, будут устранены. Это становится возможным при
2
4(а2r
)(r
э
э
4
– а4)-1 = 1.
111
С точки зрения активных потерь в цепи передачи, оптимальная конструкция цифрового кабеля будет при а/rэ = 0,486.
Приближенно радиус защитного экрана должен быть равен
расстоянию между проводами 2а = rэ.
3.7.2. Индуктивность
Индуктивность экранирующей цепи так же, как и неэкранированной, состоит из наружной межпроводниковой индуктивности, обусловленной внешним полем Lн, и внутренней индуктивности, обусловленной полем вн утри проводов Lв. Кроме
того, в экранированной цепи появляется дополнительная индуктивность, вносимая экраном в цепь передачи Lэ. Влияние
близости проводов на индуктивность не учитывается ввиду
незначительности этого фактора. Эффект близости приводит
к снижению индуктивности цепи. Полная индуктивность симметричной экранированной цепи будет
L = Lн + Lв + Lэ = {4Ln(2a/ro)(r
– 8(µr(2)
0,5
)(|k|rэ)-1(а2r
2
4
)(r
э
э
2
– а2)(r
э
– а4)} ×10-4, Гн/км, (3.28)
2
+ а2)-1 + Q(kro) –
э
где µr – относительная магнитная проницаемость экрана;
Q(kro) – табулированная функция Бесселя.
Анализ выражения (3.28) показывает, что экран значительно изменяет индуктивность цепи. Воздействие экрана на
индуктивность цепи учитывается через параметр (r
+ а2)-1. Для неэкранированной цепи r
2
→ ∞, и этот параметр
э
2
– а2)(r
э
2
+
э
равен единице.
За счет реакции экрана внешняя межпроводниковая индуктивность цепи уменьшается. Связано это с тем, что экран в
силу своей реакции возбуждает отраженное поле, которое по
фазе противоположно направлению основного поля. В результате взаимодействия этих полей амплитуда результирующего
поля, действующего внутри экрана, ослабляется и индуктивность цепи уменьшается.
112
Характер изменения внешней индуктивности цепи за счет
30
40
50
60
70
80
90
100
00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 /r!
"#$%&%&' % '&()*+',&-.+'
dL
, %
a/r
реакции экрана при различных значениях а/rэ приведен на рисунке 3.14.
Рис. 3.14. Зависимость индуктивности экранированной цепи от
величины соотношения а/r
э
Из (3.26) и приведенной зависимости видно, что с уменьшением радиуса защитного экрана межпроводниковая индуктивность существенно уменьшается. Так, в реальных кабельных конструкциях изменение индуктивности составляет
15–20%.
Заметим, что при алюмополимерном защитном экране,
наиболее часто используемом в цифровых кабелях, экранная
индуктивность Lэ имеет относительно небольшое значение.
3.7.3. Электрическая емкость
Одним из главных параметров всех кабелей связи, в том
числе и цифровых, является электрическая емкость симметричной цепи. Она определяет конструкцию кабеля и его вто-
113
ричные параметры передачи – коэффициент затухания и фазы,
волновое сопротивление.
Основной метод расчета рабочей емкости, известный из
электростатики, базируется на и спользовании уравнений Максвелла в потенциальных коэффициентах, связывающих между
собой заряды и потенциалы всех отдельных жил кабеля. Однако для практических расчетов этот метод весьма громоздкий и
трудоемкий, поэтому для инженерных расчетов наиболее приемлемым является выражение [7]:
С = εэ×10-6[36Ln(2а/d)Kуд]-1, мкФ/км, (3.29)
где εэ – эквивалентная диэлектрическая проницаемость
изоляции токопроводящих жил; K
– поправочный коэффи-
уд
циент, характеризующий удаление рассматриваемой цепи от
заземленного экрана.
Значение величины εэ может быть найдено из выражения
ε
= (εдSд + εзSз)(Sд + Sз)-1. (3.30)
э
где εд и εз – соответственно, диэлектрическая проницаемость диэлектрика изоляции жил и заполнителя сердечника
кабеля; Sд и Sз – соответственно, площадь поперечного сечения
диэлектрика и заполнителя.
Для определения εэ пористого (вспененного) диэлектрика
используется выражение:
ε
= εд – 1,3kп
п.д
или
ε
[2εд(1 – kп) + (1 +2kп)][εд(2 + kп) + (1 – kп)]-1,
п.д
д
где kп – степень пористости диэлектрика, или отношение
объемов пузырьков газа и исходного диэлектрика в пористом
материале.
Значение величины Kуд определяется как:
K
= (r
уд
2
– а2)(r
э
2
+ а2)-1. (3.31)
э
Для парной скрутки Kуд = 0,75, для скрутки типа «звезда»
Kуд = 0,65.
114
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 /r !
"#$%&%&'% %$()*+'
d
, %
a/r
Проанализируем зависимость емкости экранированной цепи от различных соотношений параметров кабеля a/rэ
(рис. 3.15).
Рис. 3.15. Зависимость емкости экранированной цепи от величины
соотношения а/r
э
Из рис. 3.15 видно, что с уменьшением радиуса защитного
экрана межпроводниковая емкость значительно возрастает.
Характер изменения емкости кабеля от изменения диаметра токопроводящих жил dж и расстояния между ними а,
приведен на рис. 3.16.
Из рис. 3.16 видно, что с увеличением расстояния между
проводами а емкость кабеля уменьшается. С увеличением диа-
метра токопроводящих жил dж емкость кабеля растет.
115
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
11.5 2 2.5 33.5 4 4.5 /d!
"#$%&'( $ )*+ ,
, -./$#
a/d
Рис. 3.16. Зависимость емкости кабеля от диаметра токопроводя-
щих жил и расстояния между ними
3.7.4. Проводимость
Проводимость изоляции G экранированной цепи – это
электрический параметр линии, характеризующий качество изоляции токопроводящих жил кабеля. Он осуществляет
оценку потери электромагнитной энергии в изоляции жил так
же, как активное сопротивление характеризует потери электромагнитной энергии в металлических частях кабеля:
G = ωСtgδ, (3.32)
где δ – угол (коэффициент) диэлектрических потерь.
3.8. Выводы
1. Расчет и сравнительный анализ процессов экранирования и передачи энергии по электрическим цепям цифровых кабелей, базирующихся на решении основных уравнений
электродинамики, показал, что процесс прохождения электромагнитной энергии через экран аналогичен процессу распространения энергии вдоль электрической цепи с той лишь раз-
116
ницей, что в линиях исследуется энергия передачи, а в экранах
– энергия влияния. При исследовании экранов рассматривается движение энергии не вдоль линии, а перпендикулярно ей,
от источника электромагнитных помех к экрану и далее через
экран в экранированное пространство. Как при распространении электромагнитной энергии вдоль неоднородной линии,
так и при движении в радиальном направлении необходимо
учитывать затухание энергии в металлической толще экрана и
затухание, связанное с отражением на границах диэлектрик–
экран–диэлектрик.
2. Сравнение эффективности экранирования магнитных и
немагнитных защитных экранов цифровых кабелей показало,
что в области низких частот и при постоянном токе магнитные экраны действуют как магнитостатические, по принципу
замыкания магнитного поля в толще экрана. С ростом частоты
возрастает роль вихревых токов, что приводит к вытеснению
магнитного поля из толщи экрана. При этом повышенная магнитопроводимость экрана теряет свое значение. За счет вихревых токов магнитный экран переходит в электромагнитный
режим работы и действует так же, как и немагнитный.
Немагнитные экраны действуют как электромагнитные
во всем диапазоне частот, по принципу возникновения в них
вихревых токов. При постоянном токе они не обладают электромагнитными свойствами. Однако с ростом частоты их экранирующий эффект начинает возрастать, что является очень
важным фактором при разработке и конструкции цифровых
кабелей.
3. В зависимости от напряженности поля источника электромагнитных помех эффективность защитного экрана цифровых кабелей может лежать в пределах 50–100 дБ. Важнейшим
фактором эффективности защитного экрана является выбор
экранирующего материала. Так, на частотах ниже 30 МГц и
особенно ниже нескольких МГц необходимо применять только
магнитные материалы. На частотах ниже 10 кГц – материалы с
117
высокой или очень высокой магнитной проницаемостью. На
частотах выше 30 МГц наиболее целесообразно использовать
защитные экраны, выполненные из меди или алюминия, в том
числе и при защите от Н-составляющих.
4. Расчет эффективности экранирования цифровых кабелей от внешних электромагнитных помех показал, что в
условиях действия внешних источников электромагнитных
помех, например мощных радиостанций, контактных цепей
электрофицированного транспорта, высоковольтных линий
электропередачи и других систем, создающих внешнее мешающее поле, необходимо учитывать экранирующее действие,
обусловленное продольными токами, протекающими в экранирующей оболочке (экране) Ат. Продольные токи, наводимые
токами внешних электромагнитных помех, создают в экранирующей оболочке обратное поле реакции, ослабляющее поле
помех. В случае заземления экранирующей оболочки экранирующий эффект, обусловленный продольными токами, достигает значительной величины.
5. В режиме защиты от внешних помех А
экранирующая
э.вн
оболочка имеет более высокие экранирующие свойства, чем в
режиме защиты от взаимных помех симметричных цепей Аэ.
Превышение составляет 17,4–21,7 дБ во всем диапазоне частот. Оно обусловлено величиной затухания экранирования
продольных токов Ат. На высоких частотах величина Ат определяется лишь внешней индуктивностью цепи оболочка–земля.
С увеличением частоты экранирующие характеристики
А
э.вн и Аэ
возрастают, а значения Ат начинают принимать медленно спадающий характер. Расчеты показывают, что до частоты 15–20 кГц преобладает затухание экранирования за счет
продольных токов Ат, выше этой частоты сказывается эффект
поперечных вихревых токов Аэ.
Зная эффективность экрана от взаимных помех симмет-
ричных цепей, можно определить характеристики этого эк-
118
рана в режиме защиты от внешних помех путем прибавления
величины Ат.
6. Расчет эффективности экранирования составных защитных экранов цифровых кабелей доказал, что главное их
достоинство – высокая экранирующая эффективность и сравнительно малые потери энергии.
Большое влияние на эффективность экранирования оказывает не только порядок расположения слоев и их электрическое сочетание, но и соотношение толщины слоев, и их
место по отношению к влияющей цепи. Например, сочетание
сталь–медь–алюминий дает гораздо меньший эффект, чем
медь–сталь–алюминий. Если внешние слои многослойного экрана выполнены из немагнитных материалов, то потери в нем
относительно невелики.
7. На примере защитного экрана конструкции медь–сталь,
с толщиной слоев по 0,1 мм, проанализированы роль и удельная значимость различных сопряжений в общем экранирующем эффекте многослойного экрана относительно магнитного
поля при частоте 100 кГц.
Наибольший экранирующий эффект создает граница диэлектрик–медь. Затухание отражения на соответствующих границах составило: 32,1 дБ – воздух–медь; 9,6 дБ – воздух–сталь;
19,1 дБ – медь–сталь. Вместе все сопряжение (воздух–медь–
сталь–воздух) дало всего 35,9 дБ.
8. Проведен расчет и анализ эффективности и целесообразности применения диэлектрических прокладок (полиэтиленовых пленок) или воздушных зазоров между металлическими слоями комбинированного защитного экрана цифрового
кабеля.
Применение тонких прокладок, близких по толщине к
металлическим слоям (1 мм), не дает существенного эффекта,
так как разница составила всего 2,1 дБ. Прокладка толщиной
10 мм приводит к увеличению экранного затухания на 6,5 дБ.
Однако применение толстой прокладки между металлически-
119
ми слоями нецелесообразно, так как это приводит к увеличению габаритов экрана и к расходу материалов на его изготовление и, следовательно, к увеличению его массы и стоимости.
9. Расчет и оптимизация конструкции многослойных комбинированных защитных экранов цифровых кабелей показал,
что в области относительно низких частот 10–20 кГц, где преобладает фактор затухания отражения, толстые стальные экраны использовать нецелесообразно.
С ростом частоты увеличивается удельная роль затухания
поглощения, экранирующий эффект стали становится больше,
чем меди. В этом случае наиболее целесообразно увеличение
толщины стального слоя.
В области относительно высоких частот, около 1 МГц , когда затухание поглощения в стали начинает преобладать над
затуханием отражения на границе диэлектрик–медь, более
эффективным становится применение однородного стального
экрана.
10. Осуществлен расчет первичных параметров симметричных экранированных цепей. Получены зависимости первичных параметров симметричных экранированных цепей от
их геометрических размеров.
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]