Взаимное влияние в линиях связи

 

Переход энергии с одной цепи на другую обусловлен электромагнитным вза­имо­дей­стви­ем между ними и может быть условно представлен в виде суммарного действия элек­три­ческого и магнитного полей.

 

Схема электрического влияния.

Допустим по цепи 1-2, протекает переменный ток. На проводах этой цепи образуются заряды +Q₁ и -Q₂. Эти заряды создают электрическое поле, в связи с тем, что расстояние между жилами 1, 2, 3 и 4 будет различно. В цепи 3-4 образуется разность потенциалов, ко­торая яв­ля­ет­ся причиной возникновения тока помехи, рас­про­стра­няющегося вдоль этой це­пи. Влияние, обу­слов­лен­ное действием электрического поля, называется электрическим. Наряду с электрическим, од­новременно действует магнитное влияние.

 

Схема магнитного влияния.

При прохождении тока по влияющей цепи 1-2 вокруг проводов этой цепи образуется маг­нитное поле, си­ло­вые линии которого воздействуют на провода 3-4, на­во­дя в ней эдс, которая создает в цепи 3-4 ток по­ме­хи. Влияние, обусловленное действием магнитного по­ля, называется магнитным. Цепь являющаяся ис­точ­ни­ком элек­тро­маг­нит­ного поля на­зы­ва­ет­ся влияющей, а цепь в которой возникают токи и напряжение помехи – под­вер­жен­ной влиянию.

 

 

Первичные параметры влияния

Количественной характеристикой электромагнитного влияния являются электрические и магнитные связи.

,

 - наведенный ток в цепи, подверженной влиянию;

 - разность потенциалов во влияющей цепи;

g - активная составляющая электрической связи между цепями;

k – емкостная связь между цепями.

 

Магнитная связь:

- эдс, наведенная в цепи, подверженной влиянию;

 - ток, протекающий во влияющей цепи;

  - активная составляющая магнитной связи между цепями;

 - магнитная связь между цепями.

 

При учете совместного действия электрической и магнитной связи возникает не­об­хо­ди­мос­ть приведения значения этих связей к одинаковой размерности. Учитывая что:

,  можно записать:

, ;

, .

Чтобы понять причины появления и физическую сущность электрической и магнитной связи рассмотрим эквивалентные схемы связи между цепями одной четверки.

 

Мостовая схема электрической связи

 

Уравнение симметрии моста:

 – уравнение баланса моста;

, т.е. между цепями не будет влияния если:

.

Существующая в реальных условиях асимметрия моста является причиной воз­ни­кно­ве­ния мешающих влияний между цепями и называется емкостной связью.

Активная составляющая электрической связи обусловлена асимметрией потерь энергии в диэлектрике.

, ,  и – эквивалентные потери энергии в диэлектрике окружающем жилы.

 

Индуктивную связь также можно представить в виде моста частичных индуктивностей, имеющих трансформаторную связь.

 

Условие симметрии моста:

Коэффициент индуктивной связи характеризует асим­мет­рию моста и мешающее вли­яние, т.е. степень пе­ре­хода из первой цепи во вторую. Активная сос­тав­ля­ющая маг­нит­ной связи R обусловлена вихревыми то­ка­ми, которые обуславливают дополнительные потери в цепи передачи.

Асимметрия потерь характеризуется связью r:

 и вызвано несимметричностью рас­по­ложения жил одной цепи от­но­си­тель­но жил другой цепи и металлических оболочек кабеля. Применение жил различного диаметра и элек­три­чес­ких свойств, приводит к асимметрии потерь на вихревые токи и все это приводит к расстройке моста связи: , ,  и .

Величины r_, g. k и m называют первичными параметрами влияния.

Вторичные параметры влияния

Основной мерой оценки свойств воздушных и кабельных линий связи по взаимному влиянию между цепями и пригодности цепей для высокочастотной передачи является переходное затухание.

.

Величины с индексом 1 относятся к выходу генератора влияющей цепи, а с индексом 2 – к помехе в цепи подверженной влиянию.

 

Нарисуем схему влияния между цепями:

Влияние, проявляющееся на ближнем конце, называется переходное влияние на ближнем конце:

.

 

Влияние на противоположном конце называется переходным влиянием на дальнем конце:

.

 

Aз – (защищенность) разность уровней полезного сигнала в рассматриваемой точке и помехи.

.

Защищенность оценивают на дальнем конце второй цепи, и она может быть выражена через уровень сигнала и помехи:

,

, (),

.

Определение полного тока влияния

Основные уравнения влияния между цепями

Основная модель влияния может быть представлена в виде электрической схемы.

Цепи расположены неравномерно: Z₁₀=Z_1l=Z_в1, Z₂₀=Z_{2 l}=Z₂. Определим токи, возникающие на ближних и дальних концах второй цепи за счет электромагнитного влияния на отрезке dx. Из уравнения однородной линии напряжения и токи в любой точке первой цепи, рас­по­ло­женной на расстоянии x будут равны:

,

.

Эдс, которая наведется во второй цепи, на отрезке dx за счет магнитной связи между цепями:

.

Ток, который возникает во второй, цепи за счет магнитной связи на отрезке dx (по закону Ома):

.

При наличии магнитной связи и переходе тока во вторую цепь, считается, что в эту цепь как бы включается эквивалентный генератор, мощность которого равна половине мощности генератора первой цепи.

Ток, который возникает на отрезке dx за счет электрической связи:

.

Ток разветвляется на 2 равные части, так как нагрузка на входе и выходе согласована Z₂₀=Z_{2 l}=Z_в2. Тогда на ближнем конце:

.

На дальнем конце:

.

Общий ток, который поступает на ближний конец с отрезка dx:

,

γ – коэффициент распространения во второй цепи;

x – расстояние которое пройдет ток d I₂₀;

Общий ток, который поступит на дальний конец с отрезка dx:

/

Подставим значения токов:

,

.

N – комплексная электромагнитная связь на ближнем конце;

F – комплексная электромагнитная связь на дальнем конце.

N>F, так как токи влияния на ближнем конце складываются, а на дальнем – вычитаются.

Полный ток влияния на линии длиной l на ближнем конце:

.

На дальнем конце:

.

 

 

Вторичные параметры влияния между цепями ВЛС (Воздушные Линии Связи)

Переходное затухание на ближнем конце:

; ;

, .

Подставим I₂₀:

Переходное затухание на дальнем конце:

Подставим значение I_2l:

.

Защищенность

Если цепи имеют одинаковые параметры (сталь-сталь), то можно считать что:

, тогда:

                                (1)

Поскольку существующие неоднородности стремятся к нулю ():

                          (2)

                                             (3)

 

Для ВЛС, цепей с одинаковыми параметрами защищенность определяется по этим формулам.

 

 

Определение переходного затухания между цепями КЛС

КЛС состоят из отрезков кабелей, называемых строительными длинами, пос­тав­ля­емых с заводов. В пределах строительной длины кабель однороден и для оценки вли­яния годятся формулы (1), (2) и (3). Токи влияния, поступающие с разных строительных длин, будут случайными по фазе, так как жилы кабелей скручены. Поэтому при расчете затухания применяется геометрический закон.

,

.

 

 - ток влияния с i-ой строительной длины

 - так как чем больший путь проходит ток, тем он слабее.

Допустим, линия имеет n – строительных длин; S – строительная длина;

 – одинаковые параметры.

 - ток влияния с первой строительной длины;

;

;

;

.

 - ток влияния с одной строительной длины. , l = n S.

Сумма ряда геометрической прогрессии:

. С учетом всего вышеперечисленного:

 

.

Переходное затухание на ближнем конце:

,

.

Переходное затухание одной строительной длины приводится в паспорте кабеля. На дальнем конце:

На дальний конец все токи приходят с одинаковыми фазами и амплитудами, если цепи имеют одинаковые параметры. Тогда ток влияния на дальнем конце:

Переходное затухание на дальнем конце:

,

 - переходное затухание на дальнем конце строительной длины.

 Защищенность:

Зависимость переходного затухания от длины линии и частоты для КЛС:

,

,

, .

С увеличением частоты элек­три­чес­кое и магнитное поле изменяется интенсивнее, при этом в цепи под­вер­жен­ной влиянию возникает более интенсивная индуцирующаяся помеха. С увеличением частоты  и  увеличиваются, что при­во­дит к уве­ли­че­нию N и F (N и F  – элек­тро­маг­нит­ные связи на ближнем и дальнем концах), что в свою очередь приводит к уменьшению  и . Но  так как электрическая и магнитная связь на ближ­нем конце суммируется, а на дальнем – вычитается.

Защищенность:

С увеличением длины l, A₀ в начале уменьшается, а затем – стабилизируется, т.к. начиная с определенной длины, токи помех не учитываются из-за того, что с отдаленных участков приходят очень слабыми.

А_з видно из формулы и физический смысл говорит о том, что чем длиннее участок взаимодействия цепи, тем меньше защищенность.

Здесь до некоторой длины линии большее значение имеет А_з, которое уменьшается с увеличением длины, поэтому А_з сначала уменьшается, а затем увеличивается за счет значительного роста l.

Указанные закономерности справедливы для кабельных и во­здушных линий. Но в ВЛС коэффициент фазы токов помех зависит от длины линии и частоты передаваемого тока. Рассмотрим зависимость переходного затухания от длины линии на ближнем конце.

, , ,

,

.

 

Проанализируем функцию.

1) l=0, , ;

2) l=λ/4, , ;

3) l=λ/2, , .

 

С увеличением длины l амплитуда колебаний  будет уменьшаться и на длинных линиях  будет равно . Таким образом, при постоянной частоте (),  будет меняться волнообразно относительно значения .

 - квазипериодическая кривая.

 

 

Рассмотрим зависимость от частоты:

С увеличением частоты А₁ – уменьшается. Критическая час­тота (f_кр) – частота на которой наблюдаются мак­симумы или минимумы.

 - коэффициент гармоники.

Если k – четная – то наблюдается максимум.

Если k – нечетная – то наблюдается минимум.

 - скорость распространения энергии.

 Первый минимум  наблюдался на длине , что соответствует частоте .

 

, когда  для нечетных гармоник, а

, когда , для четных гармоник.

На значения  и , эти резонансные явления не сказываются, так как токи влияния, поступающие на дальний конец с любого участка цепи, проходят одинаковый путь и имеют одинаковую амплитуду и фазу.

 

 

Косвенные влияния между цепями

Косвенные влияния между цепями возникают за счет отражений при несогласованных нагрузках, отражения от конструктивных неоднородностей цепи по длине линии, а также из-за наличия соседних (третьих) цепей.

Это влияние проявляется в виде тока помех на ближнем и дальнем концах.

 

 

Конструктивные неоднородности кабельной линии

Конструктивные неоднородности кабельной линии возникают из-за неравномерности наложения изоляции, неточности в кабельной скрутке, технологического раз­бро­са параметров строительных длин.

Эти помехи являются источниками энергии, переходящей на соседние цепи и источниками дополнительного влияния между линиями (влияние через третьи цепи, неработающие цепи, искусственные экраны, металлическая оболочка кабеля).

Общий результирующий ток.

 - за счет косвенных влияний фазы отдельных составляющие токов помех неизвестны, поэтому токи помех суммируются по квадратичному закону.

I_{отр ­} – ток помех за счет отражений из-за несогласованной нагрузки;

I_кн – ток помех за счет конструктивных неоднородностей;

I­_{тц ­}– ток помех за счет третьих цепей.

По этому закону суммируются непосредственные и косвенные влияния.

 

 

Нормирование переходных затуханий

Для ВЛС на всю магистраль независимо от ее протяженности:

= 50.4 дБ (цветных цепей);

= 47 дБ (стальных цепей).

Защищенность на длину усилительного участка:

;

- число усилительных участков.

Переходное затухание на ближнем конце:

 - коэффициент отражения;

3.5 – учитывает все виды косвенных потерь.

,

.

 

Для кабельных линий КЛС:

Для высоких частот (ВЧ):

= 74 дБ;      =61дБ;       = +

Для низких частот (НЧ):

= 61 дБ (двухпроводная);

= 65 дБ (четырехпроводная);

.

Для обеспечения нормы переходного затухания парал­лель­ных цепей симметричного кабеля применяют двухкабельную магистраль, т.е. прокладывают 2 кабеля параллельно и по всем цепям одного кабеля ведется передача в прямом направлении, а по всем цепям другого – в обратном.

Требуемая величина переходного затухания на ближнем конце между цепями разного направления передачи, при расположении их в разных кабелях, достигается за счет экранирующего действия оболочек кабеля.

Переходное затухание между коаксиальными парами внутри одного кабеля достаточно велико. По коаксиальным парам сложно осуществить передачу без взаимных влияний. Поэтому коаксиальные магистрали строятся однокабельными.

 

 

Электрическое скрещивание

Электрическое скрещивание - процесс естественного скрещивания за счет изменения фазы тока цепи.

На участке линии длиной l (при условии βl =π) ток меняет свой знак на про­ти­во­по­лож­ный и двигается в обратном направлении, по сравнению с током на ближнем участке. Это происходит на участке линии длиной l = λ/4, т.к. ток помехи проходят половину пути по влияющей цепи и половину по цепи подверженной влиянию, т.е. ток помехи с каждого участка линии диной l = λ/4, меняет фазу тока на 180°. Рассмотрим это на примере.

Физическое скрещивание – фактическое скрещивание проводов, осуществляемое на линии связи. Шаг физического скрещивания определяется расстоянием между двумя соседними точками скрещивания, рассмотрим принцип скрещивания.

 

1 вариант. Обе цепи не скрещены.

I_а > I_б - так как находится ближе к первой цепи. Результирующий ток, проходящий через нагрузки на концах второй цепи:

 

 

2 вариант. Вторая цепь скрещена.

Ток влияния одного участка компенсируется током влияния другого участка, что аналогично изменению знака элек­три­ческой связи.

 

3 вариант. Первая цепь скрещена.

Число участков, на ко­то­рые делят цепи должно быть четным иначе останется не­ком­пен­си­ро­ванный участок называемый неуравновешенной длиной. Практически полной компенсации токов с участков не происходит, так как токи с участков проходят неодинаковый путь и отличаются по амплитуде и фазе.

 

4 вариант. Скрещиваются обе цепи.

Сравнивая полученное выражение с выражением для нескрещенных цепей, можно отметить, что скрещивание в одной точке - бесполезно.

Если на линии производится скрещивание с шагом равным шагу электрического скре­щивания, то элек­три­ческое скре­щи­ва­ние компенсируется и влияющий ток будет больше чем без скрещивания. Поэтому во всех случаях необходимо, чтобы шаг физического скре­щивания был меньше шага электрического скрещивания. Если шаг физического скре­щивания равен шагу электрического скрещивания и равен , от­ри­ца­тель­ный эффект от скрещивания может быть так велик, что большая часть энергии перейдет на соседнюю цепь. Явление поглощения соседней цепью называется абсорбцией.

Защита цепей воздушных линии связи от взаимных влияний

Для воздушных линий на воздушных линиях осуществляют скрещивание цепей, т.е. через определенные интервалы линии меняют расположение проводов цепи. При скре­щи­вании цепей емкостная K и индуктивная M связи, оставаясь неизменными по величине меняют свой знак на противоположный. Скрещивание выполняется в процессе стро­итель­ства линии. На воздушной линии подвешивается несколько цепей, поэтому скрещивание удобно устраивать отдельными участками – секциями на которых, за­кан­чи­ва­ется схема скрещивания всех цепей и отсутствует неуравновешенная длина линии.

Секции составляют из 2­­­ⁿ элементов, где n – целое положительное число. Длина элемента – отрезок линии, равный, в основном, двум иногда трем или одному пролетам. Чем больше элементов в секции, тем больше можно получить различных схем скрещивания число которых: (2ⁿ – 1).

Практически, применяют секции из 8-ми, 16-ти, 64-х и 128-ми реже 256-ти элементов. Секции из 128-и и 256-ти элементов называют основными, остальные – укороченными.

В первую очередь размещают основные секции, так как они позволяют получить лучшую взаимозащищенность для большего числа цепей. Укороченные секции применяют если основных секций недостаточно. Скрещивание цепей через равные промежутки обо­зна­ча­ют одноцифровыми индексами:

1 – скрещивание осуществляется через один элемент;

2 – скрещивание осуществляется через 2 элемента и т.д.

Эти индексы и схемы называют основными. Схемы, обозначенные двумя и более ин­дек­сами, получают наложением основных схем. В результате четное число скрещиваний в одной точке компенсируется. Например:

                  

 

Увеличение переходного затухания на ближнем конце между скрещенными цепями зависит от схемы взаимной защищенности, которая определяется скрещиванием цепей несовпадающих друг на друга схем. Например, если одна цепь скрещивается по индексу 1–4, а другая по индексу 1–8, то, наложив одну схему на другую, получим схему вза­им­ной защищенности, которая имеет индекс 4–8, следовательно, чтобы установить схему взаимной защищенности между любыми цепями надо исключить одинаковые индексы из схемы скрещивания обеих цепей. Оставшиеся индексы определяют схему взаимной защищенности.

Для кабельных линий связи

Основным способом защиты кабелей от взаимных влияний является: скрутка, экра­ни­ро­ва­ние и симметрирование цепей. Скрутка цепей в группы и повивы осу­щест­вля­ет­ся в процессе изготовления кабеля. Экранирование также осуществляется при изготовлении кабеля. Симметрирование осуществляется в процессе строительства и монтажа ка­бель­ной линии.

 

Симметрирование кабельных линий связи

На практике используют следующие методы симметрирования: метод скрещивания, конденсаторный метод и метод концентрированного включения контуров противосвязи.

В кабелях со звездной скруткой линии наибольшее значение имеет влияние между цепями внутри четверок. Влияние между цепями смежных четверок меньше из-за раз­лич­ных шагов их скрутки, но при большой длине кабеля эти влияния могут превысить до­пол­нительное. Влияния уменьшают путем смешивания четверок. Процесс заклю­чается в том, что на протяжении кабельной линии четверки меняют местами друг от друга, то удаляя то сближая. В железнодорожных кабелях преимущественно применяют сим­мет­ри­ро­вание внутри четверок. Перед началом симметрирования цепи к ней должны быть подключены все ответвления от магистрального кабеля, идущие к устройствам автоматики и связи.

Низкочастотные цепи симметричных кабелей, в отличие от высокочастотных кабелей, имеют более высокое значение волнового сопротивления.  Поэтому при передаче по этим линиям сигналов одинаковой мощности напряжение в низкочастотных окажется меньше, а ток – больше чем в высокочастотных кабелях. Следовательно, влияние в низ­ко­час­тот­ных кабелях обусловлено  больше электрическими связями, чем магнитными.

Низ­кочастотные цепи магистральных железнодорожных кабелей необходимо сим­мет­ри­ровать в тех же муфтах, что и высокочастотные. При совпадении мест рас­по­ло­же­ния усилительных пунктов низкочастотных и высокочастотных цепей, низкочастотные цепи следует симметрировать одновременно с высокочастотными, а при несовпадении уси­ли­тельных пунктов следует сначала симметрировать высокочастотные, а затем низ­ко­час­тот­ные.

Для симметрирования четверки сначала измеряют емкостные связи в соединяемых строительных длинах кабеля.

, , , , ,

Приближенно, без учета влияния соседних четверок можно записать коэффициент емкостной связи:

 - емкостная связь между основными цепями;

 - емкостная связь между 1-ой основной цепью и фантомной;

 - емкостная связь между 2-ой основной цепью и фантомной.

Коэффициенты емкостной асимметрии:

 - коэффициент емкостной асимметрии 1-ой емкостной цепи относительно оболочки кабеля;

  - коэффициент емкостной асимметрии 2-ой емкостной цепи относительно земли или оболочки кабеля;

 - емкостная асимметрия фантомной цепи относительно земли или оболочки кабеля.

 

Симметрирование скрещиванием

Так как кабельные конструктивные неоднородности носят случайный характер, то электромагнитные связи по длине распространяются по случайному закону. Это вы­зы­вает необходимость подбора схем скрещивания жил для каждого конкретного случая.

Поскольку вариантов соединения жил – 2, а цепей – три, то существует 2³ = 8 способов соединения жил в четверки. Схема соединения жил заключается в виде оператора скрещивания: первый знак оператора относится к первой основной цепи; второй – ко второй, третий – к фантомной цепи.

Точка означает соединение напрямую крестик – соединение со скрещиванием.

 

 

Операторы скрещивания и соответствующие им схемы

№	Оператор	Схема		№	Оператор	Схема
		Ст. А	Ст. Б			Ст. А	Ст. Б
1	•••			5	••×
2	ו•			6	ו×
3	•×•			7	•××
4	×ו			8	×××

 

 

Конденсаторное симметрирование

Основано на компенсации только электрических связей путем включения кон­ден­са­то­ров между жилами соседних цепей. Применяется в основном в низкочастотных кабелях, в которых электрические связи являются определяющими. Заключаются в том, что в промежуточной муфте, соединяющей 2 участка кабельной линии, между жилами включают конденсатор.

Емкость должна быть такой, чтобы выполнялось следующее равенство:

.

В случае равенства сумм осуществляется равновесие моста и емкостная связь равна нулю.

 

 

Концентрированное симметрирование контуров противосвязи

Основано на компенсации электромагнитной связи, путем включения между жилами взаимовлияющих цепей контуров противосвязи. Применяется в основном для повышения частотных характеристик кабеля. Этот метод заключается в том, что токи помех, вызываемые электромагнитными связями между цепями, компенсируются токами влияния противосвязи, создаваемыми с помощью контуров, вклю­ча­емых между жилами цепей.

 

Схема включения контуров противосвязи

на дальнем конце                    на ближнем конце

   

 

Рассмотрим эффективность конденсаторного симметрирования на ближнем и дальнем концах.

 и  - сосредоточенные электромагнитные связи, соответственно на ближнем и дальнем концах, включенные на расстоянии x от начала линии. Определяют реальные электромагнитные связи, по длине характеристики.

 и  - противосвязи на дальнем и ближнем концах, включенные на расстоянии а от начала линии.

Запишем условие компенсации на дальнем конце:

.

если , то условие компенсации: .

Это условие выполняется независимо от включения контура противосвязи. Из рисунка видно, что токи  и  проходят одинаковые пути, поэтому достаточно только подобрать элементы контуров противовязи так, чтобы они воспроизводили частотную характеристику действующей между цепями электромагнитной связи и тем самым обеспечивали высокую компенсацию в высоком диапазоне частоты.

.

Условие компенсации на ближнем конце:

.

Отсюда видно, что достичь компенсации мешающих токов на ближнем конце, можно только путем включения контура противосвязи в месте расположения электромагнитной связи, т.е. при выполнении условия x=a. Но так как электромагнитные связи в действительности носят распределенный характер, то для получения компенсации нужно включить большое число контуров противосвязи, что практически неприемлемо.

Кроме того, коэффициент распространения  (главным образом коэффициент фазы β) зависит от частоты, поэтому добиться высокой компенсации  можно только на одной частоте. На других частотах включенный контур может даже увеличить взаимное влияние.

В этой схеме  и  проходят разные пути, претерпевают разные амплитудные и фазовые изменения и поэтому: .

По этой причине концентрированное симметрирование на ближнем конце не выполняется.