Лекция 17. переходное затухание между цепями в кабельных линиях

Определение величины токов влияния на ближний и дальний концы кабельной линии

Кабельные линии монтируют из отдельных отрезков кабеля (строительных длин), поставляемых заводами со скрученными (скре­щенными) жилами цепей, и поэтому фазы токов влияний, поступа­ющих к ближнему и дальнему концам кабельной линии, неизвест­ны. При определении полного тока влияний применяют квадратич­ный закон сложения токов отдельных строительных длин. Рассматриваемая ситуация отличается от случая влияний между цепями воздушных линий, где фазы токов поступающие с отдельных участков взаимовлияющих цепей на ближний (дальний) конец, известны, т.к. схемы скрещивания цепей монтируются в процессе строительства воздушной линии.

Допустим, что имеется кабельная линия из n отрезков кабеля длиной S с цепями, имеющими одинаковые параметры. Для опреде­ления переходного затухания на ближнем конце предположим, что электромагнитные связи между цепями постоянны по всей длине и ток влияния первой строительной длины , тогда ток влияния со второй строительной длины будет и т. д., и с последней строительной длины .

Полный ток влияния на ближнем конце

.

В этом случае отношение токов

Приравняв , для переходного затухания получим

,

где - переходное затухание на ближнем конце строительной длины, оп­ределяемое обычно измерениями.

Все токи влияния на дальний конец проходят через отдельные строительные длины и пути их от начала влияющей цепи до конца цепи, подверженной влиянию, одинаковы. По­этому при суммировании их по квадратичному закону все слагае­мые под квадратным корнем получаются одинаковыми, и полный ток

.

Переходя к отношению токов и логарифмируя, получим

,

где - переходное затухание на дальнем конце строительной длины, определяемое измерениями, .

Защищенность на дальнем конце

.

Строительные длины кабелей в процессе монтажных работ сое­диняют между собой; они образуют кабельную линию.

Симметрирование кабелей

Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики (в пределах, допустимых техническими условиями), и от того, как они будут соединены, зависит защищенность их от взаимных влияний и влияний внешних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с симметричными кабелями проводят симметрирование - комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний.

Способы симметрирования. Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в низкочастотных (до 4 кГц) кабелях преобладают электрические связи, а в высокочастотных - электромагнитные комплексные связи. Исходя из этого в НЧ кабелях достаточно проводить симметрирование емкостных связей; в ВЧ кабелях необходимо симметрировать все составляющие (активные и реактивные) электрических и магнитных связей. Для симметрирования НЧ кабелей применяют метод скрещивания жил и конденсаторный метод. Симметрирование ВЧ кабелей производят методами скрещивания жил и концентрированного симметрирования контурами противосвязи.

Сущность симметрирования скрещиванием жил заключается в компенсации электромагнитных связей между цепями на одном участке кабельной линии связями другого участка. Компенсация объясняется тем, что при скрещивании связи изменяют свой знак .

При симметрировании конденсаторным методом последние устанавливают в промежуточной муфте, соединяющей два участка кабельной линии, и включают между жилами цепей. Емкость их выбирают такой, чтобы сумма частичных емкостей С₁₃+С₂₄ (рис.1) была близка к сумме С₁₄+С₂₃ . В случае равенства сумм достигается равновесие электрического моста, и емкостная связь равна нулю.

Рис. 1

Концентрированное симметрирование контурами противосвязи заключается в том, что токи помех, вызываемые электромагнитными связями между цепями, компенсируются токами влияния противоположной фазы, создаваемыми с помощью контуров, включаемых между жилами взаимовлияющих цепей.

На рис.2 приведена схема включения контура противосвязи F_п , а естественная распределенная связь показана в виде эквивалентной связи F. Поскольку токи влияния I и I_п на дальний конец различных участков сближения цепей имеют одинаковую фазу, то для компенсации этих токов достаточно с помощью контура создать такой же ток, но противоположной фазы. При практическом симметрировании сложность заключается в реализации требуемой частотной зависимости контура противосвязи, воспроизводящего частотную зависимость естественной электромагнитной связи, которая носит комплексный характер, и в необходимости учета эффекта перестановки.

Рис. 2

Выполнение симметрирования значительно упрощается при использовании комплекта приборов для визуального измерения комплексных связей по активной и реактивной составляющим, а также переходных затуханий по модулю и фазе вместо приборов для измерения частотных характеристик переходного затухания на ближнем конце и защищенности на дальнем конце.

На ближний конец цепи токи влияния с различных участков приходят с разными фазами, и компенсировать их токами противосвязи сложно, так как контуры противосвязи необходимо подключать в местах воздействия электромагнитной связи. Учитывая, что в действительности электромагнитные связи имеют распределенный характер, то для получения компенсации нужно между цепями подключать большое число контуров противосвязи, что практически неприемлемо. Поэтому концентрированное симметрирование контурами противосвязи применяют только для уменьшения влияния на дальний конец. Влияние на ближний конец уменьшают скрещиванием.

Методика симметрирования высокочастотных и низкочастотных цепей различна. Высокочастотные цепи имеют большое затухание на высоких частотах, и токи влияния на ближний конец участков, расположенных на расстоянии, соответствующем затуханию 10-11 дБ (на верхних частотах передаваемого спектра), незначительны. Это позволяет производить симметрирование на всем усилительном участке. Низкочастотные цепи имеют значительно меньшее затухание, и , снижая влияние на дальний конец, можно увеличить влияние на ближний конец и наоборот. Низкочастотные кабели симметрируют небольшими участками, называемыми шагами симметрирования: участки кабельной линии, состоящие из нескольких строительных длин общей протяженностью до 4 км. Обычно длину шага симметрирования низкочастотных кабелей принимают равной 2 км.

В железнодорожных кабелях дальней связи имеются высоко- и низкочастотные четверки. При симметрировании таких кабелей приходится применять оба метода.

3. Симметрирование низкочастотных цепей. В кабелях со звездной скруткой жил наибольшие влияния имеют место между цепями внутри четверок. Влияние между цепями смежных четверок меньше из-за различных шагов их скрутки. Однако при большой длине кабеля это влияние может превысить допустимое. Влияние уменьшают смешиванием четверок, которое заключается в том, что на протяжении кабельной линии четверки меняются местами, то удаляясь друг от друга, то сближаясь. В железнодорожных кабелях применяют преимущественно симметрирование внутри четверок. Перед началом симметрирования цепи к ней должны быть подключены все ответвления от магистрального кабеля к устройствам автоматики и связи.

Низкочастотные цепи симметричных кабелей в отличие от высокочастотных имеют более высокие значения волнового сопротивления. Поэтому при передаче по этим цепям сигналов одинаковой мощности напряжение в низкочастотных цепях окажется больше, а ток меньше, чем в высокочастотных и, следовательно, влияния между низкочастотными цепями в большей степени обусловливаются электрическими связями, чем магнитными. Низкочастотные цепи магистральных железнодорожных кабелей необходимо симметрировать в тех же муфтах, что и высокочастотные. При совпадении мест расположения усилительных пунктов НЧ и ВЧ цепей низкочастотные цепи следует симметрировать одновременно с высокочастотными, а при несовпадении сначала симметрируют высокочастотные цепи, а затем низкочастотные.

Для симметрирования четверок сначала измеряют емкостные связи в соединяемых строительных длинах кабеля: k₁ =(С₁₃+С₂₄)-(С₁₄+С₂₃) между основными цепями в четверке; k₂ =(C₁₃+C₁₄)-(C₂₃+C₂₄) между первой основной и искусственной; k₃ =(C₁₃+C₂₃)-(C₁₄+C₂₄) между второй основной и искусственной. Измеряют также емкостную асимметрию е₁=(C₁₀-C₂₀) первой пары четверки; е₂=(C₃₀-C₄₀) второй пары четверки; е₃=(C₁₀+C₂₀)-(C₃₀+C₄₀) искусственной цепи, где C₁₃, C₂₃, C₁₄, C₂₄ - емкости между жилами цепей; C₁₀, C₂₀, C₃₀, C₄₀ - емкости между жилами и землей (оболочкой) (см. рис.1).

Затем симметрирование выполняют в три этапа: внутри шагов симметрирования; при соединении шагов и на смонтированном усилительном участке.

Симметрирование внутри шагов (первый этап) можно выполнять в одной, трех и семи точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и от концов шага симметрирования (рис.3). Муфты, в которых выполняют симметрирование скрещиванием, называются симметрирующими. Муфты, в которых симметрирование выполняют скрещиванием и конденсаторами, называются конденсаторными. Муфты, в которых симметрирование не выполняют и жилы соединяют напрямую, называют прямыми муфтами и обозначают кружком (см. рис.3).

Рис. 3

При одноточечной схеме сначала монтируют прямые муфты, а затем конденсаторную (К). В случае трехточечной схемы вначале монтируют прямые муфты, затем симметрирующие и только потом конденсаторные. При симметрировании по семиточечной схеме сначала монтируют симметрирующие муфты А, затем Б и последней - конденсаторную муфту К.

Схемы скрещивания жил цепей при соединении четверок в симметрирующих муфтах выбирают по данным измерений емкостных связей и асимметрии. Например, если на одном участке кабельной линии емкостная связь между цепями одной из четверок пФ, а на другом участке емкостная связь между цепями также внутри одной четверки пФ, то при соединении жил обеих четверок без скрещивания результирующая связь пФ. Если жилы одной из цепей скрестить в соединительной муфте, то результирующая связь k₁ =350-300=50 пФ. В случае скрещивания обеих цепей значение результирующей связи не изменится (650 пФ).

Когда имеется искусственная цепь, возможны 8 вариантов скрещивания. Эти комбинации скрещиваний и соответствующие им знаки емкостных связей и асимметрии приведены в табл.1.

Штрихами у букв обозначают участки кабеля. Для удобства введены условные обозначения, называемые операторами. Крест соответствует скрещиванию, а точки - соединению напрямую (цвет в цвет).

При выполнении симметрирования скрещиванием пробуют все возможные схемы и выбирают ту, при которой связи и асимметрия имеют наименьшие значения. Когда нельзя одновременно уменьшить связи и асимметрию, оператор выбирают исходя из задачи уменьшения связей.

Таблица 1

Если скрещиванием не удалось снизить связи и асимметрию до допустимых значений (k₁, k₂, k₃ ≤ 20 пФ; е₁, е₂ ≤ 100 пФ), то применяют симметрирование конденсаторами.

Емкости этих конденсаторов выбирают так. Допустим, измерениями установлено, что k₁= - 30 пФ. Это значит, что в уравнении для k₁ сумма емкостей (С₁₃+С₂₄) меньше (С₁₄+С₂₃) на 30 пФ. Следовательно, для того чтобы получить значение k₁= 0 и не изменить k₂ и k₃ , необходимо включить дополнительные конденсаторы емкостью 15 пФ между жилами 1-3 и 2-4 четверки. Аналогично можно уменьшить связи k₂ и k₃ . Для снижения асимметрии конденсаторы подбирают так же, но включают их между соответствующими жилами и оболочкой (землей).

При соединении шагов между собой (второй этап) симметрирование выполняют способом скрещивания по результатам измерений переходного затухания между цепями на частоте 800 Гц. Выбирают операторы, которые дают наибольшее переходное затухание. Шаги наращивают последовательно, начиная от концов усилительного участка к его середине по измерениям переходного затухания на ближнем и дальнем конце, добиваясь наибольшего их значения. Одновременно выравнивают рабочие емкости и сопротивления жил основных цепей в шаге симметрирования так, чтобы асимметрия не превышала 0,1 Ом.

На участках, где возможны большие внешние влияния, на втором этапе симметрирования проводят дополнительные мероприятия по снижению коэффициента чувствительности цепей к помехам.

Для этого при соединении между собой шагов симметрирования по направлению от конца усилительного участка к его середине по результатам измерения переходного затухания на ближнем конце и напряжений U₁ и U₂ в соединяемых четверках кабеля (рис.4).

Рис. 4

Измерительный генератор G включают в конце наращиваемого шага симметрирования S (точка С). На головной станции (точка А) проводят серию измерений на зажимах нагрузочных сопротивлений кабельных цепей в четверке Каждая группа из двух измерений относится к определенному оператору скрещивания жил четверки в монтируемой муфте. Наименьшему измеренному напряжению будет соответствовать минимальный коэффициент чувствительности цепи.

Приемлемый оператор (схема соединения жил в точке В) выбирают компромиссно на основании результатов сравнения значений переходных затуханий между цепями в кабельной четверке и измеренных напряжений U₁ и U₂. При этом переходные затухания не должны быть менее допустимых, а измеренные напряжения должны быть наименьшими.

На третьем этапе симметрирование на смонтированном усилительном участке выполняют в муфте, расположенной примерно в середине усилительного участка. В этой муфте соединяют жилы в четверке по результатам измерения защищенности на дальнем конце и напряжений U₁ и U₂, выбирают компромиссно самый выгодный оператор. В четверках, не удовлетворяющих нормам переходного затухания и защищенности, включают компенсирующие контуры.

4. Симметрирование высокочастотных цепей.

Для уменьшения трудоемкости и повышения эффективности симметрирования на стадии подготовительных работ проводят группирование строительных длин кабеля по средним значениям рабочей емкости цепей и по величине переходного затухания на ближнем конце. В этом случае из паспортных данных на строительные длины выбирают минимальные значения переходного затухания на ближнем конце между всеми цепями и составляют ведомость укладки этих кабелей на участке. На концах усилительного участка прокладывают кабели с наибольшими значениями переходного затухания, что позволяет исключить или значительно облегчить процесс симметрирования на ближний конец цепи. Для высокочастотных цепей симметрирование выполняют в пределах усилительных участков систем передачи с частотным разделением каналов (цифровые системы обладают большей помехозащищенностью и не требуют симметрирования ВЧ цепей). Симметрирование на дальнем конце усилительного участка выполняют в два этапа: на первом - систематическое скрещивание первой цепи четверки при соединении строительных длин кабеля (оператор соединения в муфте жил кабеля х..); на втором - скрещивание цепей в одной, двух или трех точках (муфтах) (рис.5) с подбором опытным путем наилучшего сочетания операторов скрещивания по результатам измерений защищенности цепей на дальнем конце усилительного участка. Эффективность двухэтапного скрещивания ВЧ цепей зависит от значений так называемого параметра симметрируемости внутричетверочных комбинаций влияния для строительной длины кабеля. Этот параметр определяется минимальным значением A_l , которого можно достигнуть при компенсации непосредственных влияний. Эффективность двухэтапного скрещивания также зависит от диапазона частот и длины усилительного участка.

Рис. 5

Под наилучшим сочетанием операторов скрещивания при трехточечной или двухточечной схемах симметрирования понимают такое, при котором достигается требуемая норма по защищенности A_зl во всем диапазоне частот. Если этого достигнуть невозможно, то выбранные операторы скрещивания должны в первую очередь уничтожить эффект перестановки для возможности использования симметрирования с применением контуров противосвязи. В последнем случае симметрирование ВЧ цепей получается трехэтапным.

Кроме рассмотренных методов уменьшения взаимных влияний между ВЧ цепями, в отдельных случаях могут потребоваться и другие (дополнительные) меры, например по уменьшению влияний с выхода промежуточного усилителя (регенератора) на его вход в комбинированных железнодорожных кабелях связи и компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках меджу соседними обслуживаемыми усилительными пунктами (ОУП-ОУП). Этот метод служит для обеспечения помехозащищенности от взаимных влияний при организации связи по кабелю, предназначенному согласно техническим условиям для работы в более узком диапазоне частот, чем этого требует применяемая аппаратура.

Влияние с выхода промежуточного усилителя на его вход необходимо учитывать на кабельных линиях при наличии низкочастотных цепей, проходящих без разрыва через высокочастотный усилительный пункт (УП). В этом случае имеют место указанные влияния через третьи низкочастотные цепи (рис.6). Устранение этих влияний может быть обеспечено благодаря переходу ВЧ цепей из одного кабеля в другой в каждом усилительном пункте (рис.7). Влияния с выхода на вход ВЧ усилителей через третьи двухпроводные цепи могут быть уменьшены включением в последние низкочастотных фильтров.

Рис. 6	Рис. 7

Для уменьшения этих влияний на воздушных линиях вводы в усилительные пункты устраивают в разных кабелях. Для уменьшения влияния через земляной тракт во все цепи на входе и выходе в усилительные пункты включают запирающие катушки (ЗК) (рис.8). Каждую полуобмотку катушки ЗК включают в один из проводов двухпроводной цепи. В результате магнитные поля токов земляного тракта (имеющих одинаковое направление) складываются, что увеличивает индуктивное сопротивление цепи «провод-земля». Магнитные поля токов, имеющих разные направления в проводах двухпроводной цепи, взаимно компенсируются, и затухание, вносимое запирающей катушкой для передаваемых сигналов, невелико. При вводе в оконечные пункты запирающие катушки включаются только в уплотненные цепи.

Рис. 8

Компенсационный метод ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП. Линейные тракты железнодорожных магистральных кабельных линий находятся в более тяжелых условиях по сравнению с аналогичными линиями Министерства связи. Это объясняется наличием третьих неуплотненных цепей, большим числом кабелей с бумажной изоляцией и алюминиевой оболочкой, трудно симметрируемых в широком диапазоне частот, большим числом отпаев от магистрального кабеля. Поэтому применительно к кабельным магистралям железнодорожного транспорта этот метод ослабления взаимных влияний наиболее применим.

Компенсационный метод имеет большие возможности ослабления взаимных влияний по сравнению с методами симметрирования. Это объясняется, во-первых, тем, что он учитывает наличие эффекта перестановки, который возникает из-за различия постоянных распространения взаимовлияющих цепей (эффект перестановки проявляется в том, что комплексные связи для комбинаций влияния первой цепи на вторую и наоборот различны); во-вторых, применением более широкой элементной базы (кроме резисторов и конденсаторов, применяемых как и в методе симметрирования контурами противосвязи в пределах усилительного участка, используют регулируемые линии задержки и катушки индуктивности, на базе которых создают полосовые фильтры с требуемыми характеристиками). Недостатком рассматриваемого метода является то, что он может быть применен только на магистрали с полностью настроенными линейными трактами, и при его использовании невозможен контроль качества строительства по важнейшему параметру - переходному затуханию и защищенности.

Взаимные влияния на участках ОУП-ОУП подавляются включением в приемном ОУПе контура противосвязи (рис.9). Схему противосвязи подбирают так, чтобы ток компенсации I_к был одинаков по модулю и противоположен по фазе результирующему току помех на входе данного ОУП где - ток помех, наведенный в пределах v -го усилительного участка. Для обеспечения независимости подавления взаимных помех между различными комбинациями влияний (учет эффекта перестановки) используют однонаправленное устройство, которое устанавливают на входе контура противосвязи.

Рис. 9

Подбор элементов контуров противосвязи возможен двумя основными способами - расчетным и аппаратурно-итерационным. Последний применяют на железнодорожных кабельных магистралях, так как он более нагляден и не требует применения специальной аппаратуры. Аппаратурно-итерационный метод синтеза схем противосвязей состоит из трех этапов: первый - измерение годографа комплексных связей на участке ОУП-ОУП, второй - подбор элементов контуров противосвязи на основании данных, полученных на первом этапе; третий - измерение разностного годографа после подключения контура противосвязи между взаимовлияющими цепями и уточнение элементов последнего. Подбор элементов контуров противосвязей заключается в выборе необходимой типовой схемы противосвязи или комбинации их включения. Среднее значение эффективности ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП составляет 10-12 дБ.

Контрольные вопросы

1.Поясните физический смысл симметрирования с применением контуров противосвязи и метода скрещивания.

2.В чем состоят особенности симметрирования низкочастотных (высокочастотных) кабелей связи?

3.В чем заключается особенность симметрирования низкочастотных цепей при воздействии внешних влияний?

4.Поясните преимущества и недостатки компенсационного метода ослабления взаимных влияний на участках ОУП-ОУП .

5.Поясните назначение и принцип действия запирающих катушек.

Раздел 8.

Влияния внешних электромагнитных полей на цепи связи