Анализ скрученных электрических цепей в цифровых электротехнических кабелях

Анализ скрученных электрических цепей в цифровых электротехнических кабелях

К.А. Енютин

Осуществлен анализ основных положений скрутки цепей в цифровых кабелях; показано, что двустороннее влияние кабельных цепей обусловлено взаимным расположением токопроводящих жил, способом их скрутки в кабеле, а также производственными неоднородностями.

The analysis of substantive provisions lay-up chains in digital cables is carried out; it is shown, that interference between cable chains is caused by a relative positioning of current-carrying veins, their way lay-up in a cable, and as industrial discontinuities.

Без четкого понимания вопросов обоснования технологических параметров производства, таких как выбор шагов скрутки групп пар или четверок, конструирование и эксплуатация цифровых кабелей просто невозможна.

Теории скрученных цепей связи посвящено большое количество работ, например, [1 - 3]. Однако новые структуры связи и материалы для создания кабелей, расширение области их применения ставят на повестку дня задачу разработки методики расчета конструкции кабелей и их электрических характеристик с позиции электромагнитной совместимости в условиях цифровой среды передачи информации.

С этой целью рассмотрим основные виды скрутки цепей в цифровых кабелях и оценим обоюдное влияние кабельных цепей и коэффициенты электромагнитной связи, обусловленные взаимным расположением токопроводящих жил.

Как известно, взаимное влияние кабельных цепей обусловлено взаимным расположением то-

копроводящих жил, способом их скрутки в кабеле, а также производственными неоднородностями (различные диаметры жил, неоднородная изоляция и т.д.). Скрутка жил в группы, а групп в общий сердечник кабеля позволяет уменьшить электромагнитные связи между кабельными цепями и их влияние друг на друга [4].

В общем случае в кабельных цепях различают следующие связи: внутригрупповые - связи между цепями одной и той же группы; смежные -связи между цепями различных групп, расположенных в одном пучке; между пучками - связи между цепями групп, расположенных в различных пучках.

Схема расположения влияющей и подверженной влиянию цепей представлена на рис. 1.

Через расстояния между влияющей (жилы 1-2) и подверженной влиянию (жилы 3-4) цепями (рис. 1,а) коэффициенты емкостной КС и индуктивной К связи выражаются следующими соотношениями:

Рис. 1. Схема расположения влияющей и подверженной влиянию цепей:а - парная скрутка; б - четверочная (звездная) скрутка

КЬ = К11о§

КС = К2С12С341о§

где 1Ц - расстояние между цепями с соответствующими индексами //'; К1, К2 - коэффициенты пропорциональности, обусловленные изолирующей средой; С12, С34 - емкости между жилами с соответствующими индексами.

Анализируя (1) и (2) видно, что индуктивная и емкостная связи пропорциональны друг другу. С помощью соответствующего расположения проводов их можно уменьшить.

Условием полного отсутствия индуктивной и емкостной связи является выполнение следующего равенства:

108

Для выполнения этого условия необходимо,

чтобы /14 = ¡13'; ¡23 = 124 или /14 = ¡24; 123 = ¡13.

Достаточно также, чтобы соблюдалось равенство

¡14 ¡23 = ¡131 24.

Это условие автоматически реализуется при звездной скрутке (рис. 1,б), когда влияющая цепь (жилы 1 - 2) и цепь, подверженная влиянию (жилы 3-4), расположены во взаимно перпендикулярных осях.

Поскольку ¡14 = ¡13, то провод 1 влияет с одинаковой силой как на провод 2, так и на провод 4. Следовательно, в проводах 3 и 4 наводятся разнонаправленные токи одинаковой величины, и результирующий ток помех в цепи 3-4 равен нулю. Аналогично не сказывается влияние провода 2 на цепь 3-4, причем это условие справедливо безотносительно к шагам скрутки.

Звездная скрутка жил четверки обеспечивает отсутствие внутригрупповых связей, связей между цепями 1-2 и 3-4. При этой скрутке внутригрупповые связи обуславливаются лишь допусками и неоднородностями производственного характера, а не шагом скрутки четверки.

Связи между звездными четверками, смежные связи, в основном зависят от соотношения шагов скрутки четверок. При парной скрутке расстояния между жилами влияющей и подверженной влиянию цепей непрерывно меняются вдоль кабеля и для достижения минимального влияния требуется специальное согласование шагов скрутки. Все это относится как к влиянию внутри групп, так и между группами.

Возможны два метода согласования шагов и выполнения условия ^4^ = ¡в^ф метод поперечной симметрии и метод продольной симметрии.

На практике метод поперечной симметрии широкого применения не нашел, так как крайне неудобен и непригоден для большого числа цепей.

В общем случае кабельная скрутка принципиально аналогична скрещиванию. Отличие ее состоит лишь в том, что скрещивание осуществляется переменой мест (транспозицией) проводов в точке, а скрутка представляет собой равномерно распределенную транспозицию проводов по длине кабеля.

В многочисленных исследованиях показано, что скрещивание эффективно лишь при специально рассчитанных шагах, разных для различных цепей.

Как правило, скрещивание применяется на воздушных линиях связи и сильном токе, однако его основные законы справедливы и для кабельной скрутки. В принципе каждая кабельная цепь должна скручиваться с различным шагом скрутки h. Под шагом скрутки понимается длина, на которой изолированная жила цепи или группа описывает полный круг по оси скручивания. Чем меньше шаг скрутки, тем ее эффект больше.

Согласование и подбор шагов скрутки различных цепей и кабельных групп производится по участкам, получившим название секций симметрирования (или защиты).

Длина секции защиты ¿3 связана с шагом скрутки соотношением

¿3 = А«’1,

где D - общий наибольший делитель шагов скрутки й1 и й2 цепи 1 и цепи 2 соответственно.

На участке ¿3 совершается полный цикл защиты от помех (симметрирования) между цепями 1 и 2. В пределах этой длины цифрового кабеля ¿3 положение жил в парах по отношению друг к другу, а вместе с тем и расстояние между жилами ¡14, ¡13, ¡23, ¡24 постоянно меняются, причем в конце отрезка кабеля ¿3 получается такое же положение жил, как и в его начале. Так как на втором и последующих отрезках цифрового кабеля длиной ¿3 повторяются все положения жил, то достаточно рассмотреть лишь один цикл защиты.

В идеальном случае для защиты цепей от помех строительная длина кабеля должна содержать целое число секций защиты. Так как в реальности это требование, как правило, не может быть реализовано, то на практике стремятся длину секции защиты ¿3 выбрать как можно меньше. Тогда, разрезав кабель в любом месте, можно получить небольшие неуравновешенные участки. Кроме того, уменьшение длины секции защиты приводит к

уменьшению шагов скрутки кабеля. В электрическом отношении это очень выгодно, поскольку, чем меньше шаг скрутки, тем больше не только эффект скрутки, но и выше помехозащищенность цепей.

Однако, несмотря на очевидные достоинства уменьшения шага скрутки, существуют и серьезные недостатки. Связано это с тем, что с уменьшением шага скрутки объем кабеля возрастает, возрастает и абсолютная длина жил, а следовательно, и себестоимость кабеля.

Как показывает практика, в цифровых кабелях целесообразно выделить несколько возможных диапазонов величин шагов скрутки в зависимости от возможного частотного диапазона применения кабелей (табл. 1) [5].

Таблица 1. Диапазоны шагов скрутки

Шаги скрутки в цифровых кабелях должны быть согласованы между собой. Это особенно важно для соседних групп в пределах одного пучка. Кроме того, согласование шагов скрутки групп имеет большое значение и для остальных групп кабеля, так как за счет индуктивной связи помехи проникают и в отдаленные группы кабеля.

Поскольку емкостная связь отдаленных групп ничтожно мала, влияние емкостного характера существует лишь между близлежащими группами. Емкостные связи двух групп, разделенных между собой третьей, не имеют значения, даже если шаги их скрутки не согласованы между собой. Промежуточные группы кабеля действуют как электростатический экран, принимая на себя электрическое поле помех.

Таким образом, в низкочастотных кабелях, где взаимовлияние между цепями обусловлено практически лишь емкостными связями, можно согласовывать шаги скрутки только у соседних групп кабеля. Поэтому достаточно принять два различных, согласованных между собой шага скрутки й1 и й2 и чередовать их. Если в пучке нечетное число групп, то необходимо иметь еще третий, согласованный шаг скрутки й3.

В высокочастотных (цифровых) кабелях согласованные шаги скрутки должны быть у всех групп элементарного пучка (сердечника). При этом нет необходимости согласовывать шаги скрутки элементарных пучков.

При наличии в кабеле экранированных групп необходимо учитывать, что экран полностью локализует лишь емкостное влияние между цепями. Магнитное поле помех экранирующая оболочка уменьшает лишь частично, поэтому согласование шагов скрутки необходимо осуществлять и для этих групп. Необходимо отметить, что наличие экранированных групп в кабеле ухудшает симметрию цепей по отношению к земле и немного снижает эффект согласования шагов скрутки. Для устранения вредного воздействия экрана экранированные группы необходимо располагать в центре пучков (сердечника).

Для цифровых кабелей расчет и согласование шагов скрутки может быть осуществлен с помощью следующих выражений:

♦ для цепей парной скрутки, расположенных в одном пучке:

hjh2 = (2k ± 1)/4n;

♦ для групп звездной скрутки, расположенных в одном пучке:

h1/h2 = (4k ± 1)/4n.

В этих выражениях h1 и h2 - шаги скруток согласуемых групп; k и n - любые целые числа больше нуля.

Любой из приведенных шагов скрутки обеспечивает определенную помехозащищенность цепей цифрового кабеля, но для уменьшения влияния неуравновешенных длин необходимо выбирать такие шаги скрутки, при которых секция защиты имеет наименьшую длину. Кроме того, желательно чтобы все принятые шаги укладывались в определенный диапазон (см. табл. 1).

В настоящее время для цифровых кабелей наиболее широкое распространение получили два вида скрутки: скрутка в «пару» и скрутка в «четверку». Схематическое изображение элементарных групп с одинаковыми диаметрами токопроводящих жил d0 = const представлено на рис. 2.

В пару скручиваются две изолированные жилы, образующие физическую цепь (рис. 2,а). В четверку скручиваются четыре жилы (звездная скрутка), образующие группу из двух цепей, при этом каждая цепь четверки (рис. 2,6) формируется не из рядом лежащих жил, например 1-3 и 2-4, а из противолежащих жил, т. е. из 1-2 и 3-4.

Диапазон частот, кГц Диапазон шагов скрутки, мм

1...10 150.300

10...100 50.150

100.2 000 30.50

2 000.100 000 10.30

Рис. 2. Схематическое изображение элементарных групп с одинаковыми диаметрами токопроводящих жил: а - пара; б - четверка

Скрутка из четырех жил привела к изменению электрических параметров четверки по сравнению с парой. Увеличилось расстояние ¡ между жилами цепи: при парной скрутке ¡ = d1 (рис. 2,а), при скрутке в четверку ¡ > d1.

Из рис. 2 видно, что ¡ = 2°’^ = 1,414 d1. При одинаковых диаметрах токопроводящих и изолированных жил рабочая емкость кабелей четверочной скрутки будет примерно на 15% меньше, чем при парной [6].

Выражения для определения рабочей емкости будут иметь следующий вид:

♦ для парной скрутки

Сп = £э.п • 10"6[361П^1^о)0,75]_1 [мкФ/км];

♦ для четверочной скрутки

Сч = £э.ч • 10"6[361п(2х1,4Ы1^о)0,65]_1 [мкФ/км],

где £э.п, £э.ч - эквивалентная диэлектрическая

проницаемость изоляции токопроводящих жил для парной и четверочной скрутки соответственно.

Приняв £э.п = £эч, а Сп = 100%, получим, что Сч = 85%. Таким образом, можно сделать следующий вывод, что уменьшение рабочей емкости, а, следовательно, коэффициента затухания четверки на 7-8% по сравнению с парой достигнуто автоматически при сохранении объема проводникового и изоляционного материалов. В результате на 7 - 8% может быть увеличена дальность связи по кабелям.

Данный эффект четверки можно использовать и в другом направлении, т.е. сохранить неизменным по сравнению с парной скруткой значение рабочей емкости, но благодаря этому уменьшить толщину изоляции.

Можно показать, что при равенстве диаметров токопроводящих жил диаметр изолированной

жилы в четверке может быть на 18% меньше, чем в паре.

Таким образом, можно существенно уменьшить толщину изоляции жил в четверке при условии одинаковых электрических параметров кабелей парной и четверочной скрутки.

Одним из основных преимуществ четверочной скрутки по сравнению с парной является возможность уменьшения толщины изоляции, а следовательно, габаритных размеров кабелей, без ухудшения их электрических параметров. Это, в свою очередь, позволяет осуществить следующее:

♦ сократить расходы на покупку изоляционных, экранирующих и защитных материалов, т.е. уменьшить общую стоимость кабелей;

♦ разместить большее число цепей в сердечниках при равенстве наружных диаметров кабелей четверочной и парной скрутки, следовательно, лучше использовать пространства кабельного трубопровода и увеличить максимальное число цепей в кабелях;

♦ уменьшить общую массу кабелей, вследствие чего облегчится и удешевится их транспортировка и прокладка.

Несмотря на отмеченные преимущества четверочной скрутки, ей присущи и существенные недостатки по сравнению с парной скруткой. Наиболее значительный из них - это худшая взаимная помехозащищенность соседних цепей. Для уменьшения взаимных влияний соседние цепи должны иметь различные, согласованные между собой шаги скрутки. При скрутке жил в пары это осуществить легко. В четверке все четыре жилы, а значит, и обе ее цепи скручены с одним общим шагом, следовательно, взаимное влияние между цепями внутри четверки сильнее, чем между соседними парами.

Степень взаимного влияния между цепями четверки определяется другим фактором - степенью геометрической, а следовательно, емкостной симметрии четверки, в первую очередь, равенством расстояний между всеми ее жилами, и характеризуются коэффициентом емкостной связи КС, Ф/км:

Кс = [(С13 + С24) - (С14 + С23)] -10-12,

где С13, С24, С14 и С23 - частичные емкости между жилами четверки (рис. 3), а также емкостной асимметрией жил каждой цепи на землю:

Са1 = С10 + С20;

Са2 = С30 + С40.

Схема частичных емкостей между жилами обеих цепей четверки Су и между жилами и землей Сю представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема частичных емкостей между жилами обеих цепей четверки и жилами и землей

Анализ показывает, что чем меньше различаются частичные емкости, тем меньше коэффициент емкостной связи КС, соответственно меньше Са1 и Са2, следовательно, меньше взаимное влияние между обеими цепями, а значит, выше значение переходного затухания.

Согласно [7, 8] при прочих равных условиях одинаковые диаметры токопроводящих жил и одинаковый материал изоляции всех жил, т.е. одинаковая ее диэлектрическая проницаемость и частичные емкости зависят от расстояния между жилами (между центрами жил). По возможности на протяжении всей длины кабеля эти расстояния в четверке должны быть одинаковыми, однако добиться этого практически весьма не просто. Требуемая степень симметрии в высокочастотных кабелях обеспечивается целым рядом конструктивно-технологических мероприятий, которые усложняют и удорожают производственный процесс.

Примеры переходного затухания а на ближнем и дальнем концах кабелей 150x2x0,64 и 50x2x0,64 с полиэтиленовой изоляцией приведены на рис. 4.

Рис. 4. Переходное затухание кабелей: а - на ближнем конце; б - на дальнем конце

Из представленных зависимостей видно, что наихудшей помехозащищенностью обладают цепи, принадлежащие одной четверке. Переходное затухание между соседними парами примерно на 10% выше. Кроме того, с ростом частоты переходное затухание между цепями четверки уменьшается несколько быстрее.

Еще одним существенным недостатком четверочной скрутки является ухудшение механической и электрической прочности изоляции жил по сравнению с жилами кабельной парной скрутки. Порождает данный недостаток меньшая толщина изоляции, которая, в тоже время считается основным достоинством четверочной скрутки. В более тонкой изоляции явственней проявляется вредное влияние загрязнений, уязвимость к механическим воздействиям.

Кроме представленных недостатков, в четверке эффект близости проявляется сильнее, чем в

паре, поэтому при использовании цифровых систем уплотнения с увеличением частоты активное сопротивление цепей в кабельной четверочной скрутке растет быстрее, чем в кабелях парной скрутки. На частоте 1 МГц это превышение со-Таблица 2. Качественное сравнение характеристик четверочной и парной скрутки

ставляет 13...14%, что, соответственно, обусловливает увеличение коэффициента затухания.

В табл. 2 приведено качественное сравнение четверочной и парной скрутки жил в группы [5].

Наименование сопоставляемых Взаимное соотношение параметров

характеристик Четверочная скрутка Парная скрутка

При одинаковой толщине изоляции: Преимущества Недостатки

♦ рабочая емкость меньше больше

♦ коэффициент затухания на низких частотах меньше больше

При одинаковой рабочей емкости:

♦ толщина изоляции меньше больше

♦ наружный диаметр кабеля меньше больше

♦ масса кабеля меньше больше

♦ стоимость кабеля меньше больше

♦ число цепей в кабеле больше меньше

Взаимная помехозащищенность соседних Недостатки Преимущества

цепей меньше больше

При одинаковой рабочей емкости:

♦ механическая прочность меньше больше

♦ электрическая прочность меньше больше

♦ коэффициент затухания на высоких частотах меньше больше

Трудоемкость монтажа больше меньше

Таким образом, на основании проведенного анализа можно сказать, что в настоящее время в цифровых кабелях следует все же отдать предпочтение парной скрутке жил в группы, нежели четверочной.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гроднев И.И, Сергейчук К.Я. Экранирование аппаратуры и кабелей связи. - М.: Г осударственное изд-во литературы по вопросам связи и радио, 1960.

2. Парфенов Ю.А. Кабели электросвязи. - М.: Эко-Трендз, 2003.

3. Артюшенко В.М., Пожидаев Г.И. Эффективность экранирования скрученной симметричной цепи цифрового кабеля. - Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2006, т.2, №2, с.23 - 26.

4. Гордюхина Н.М., Колли Я.Н., Федорова Е.М. Многопроводные телекоммуникационные кабели (витые пары и экранирование). - Сети и системы связи, 1999, № 2 (36), с. 28 - 34.

5. Власов В.Е., Парфенов Ю.А. Кабели цифровых сетей электросвязи. Конструирование, технологии, применение. - М.: Эко-Трендз, 2005.

6. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи.-М: Эко-Трендз, 1999.

7. ОСТ 45.01-98. Сеть первичная взаимоувязанной сети связи Российской Федерации. Участки кабельные элементарные и секции кабельных линий передачи. Нормы электрические.

8. Рекомендации МСЭ-Т по ТИИ Y-100, Y-110, Y-120.

Поступила 20.09. 2008 г.