МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИММЕТРИЧНОГО КАБЕЛЯ СВЯЗИ

​АННОТАЦИЯ

Симметричная пара в кабеле связи служит средой для передачи информации по токопроводящие линии. Рассмотрена структура кабеля, расположение внутри жил, передача сигнала по ним и способы измерения электрических параметров кабеля.

Ключевые слова: измерения связи, кабель связи, симметричные пары, измерения в связи, электрические параметры кабеля.

Введение

Электрический кабель связи представляет собой некоторое количество токопроводящих проводников, изолированных друг от друга. Каждая пара проводников образует электрическую цепь, по которой передается информация (телефонный разговор, радиовещание, передача данных и т.д.) в виде электромагнитной энергии. Для предохранения от неблагоприятных факторов проводники заключены в герметичную оболочку. Для передачи сигнала по электромагнитным проводникам распространено использование симметричного кабеля связи. Поэтому актуальной задачей является диагностика состояния кабеля в процессе эксплуатации и при устранении неисправности.

Целью данной статьи является рассмотрение строения симметричного кабеля, принципов передачи сигнала по нему, определение его электрических параметров и способов из измерения.

1. Строение симметричного кабелей связи.

Симметричными называются кабеля, у которых обе жилы физической цепи (пары) являются однотипными, т.е. изготовлены из однородного материала, имеют одинаковый диаметр, тип изоляции и т.д.

Токопроводящие жилы симметричных кабелей изготовляют из круглой медной отожженной проволоки диаметром 0,8—1,4 мм. Так же существуют варианты с алюминиевыми и эмалированными жилами. Данные материалы используются редко, и только в определенных условиях.

В качестве изоляции используют кабельную бумагу, полистирол (стирофлекс), полиэтилен и другие пластмассы (Рис. 1). Во многих кабелях симметричной конструкции для изоляции жил используют композиции из воздуха и твердых изоляционных материалов. Особенно это относится к высокочастотным кабелям.

Рисунок 1. Типы изоляции жил симметричных кабелей:

а - воздушно-бумажная, трубчатая; б — кордельно-бумажная или кордельно-пластмассовая; в — баллонно-кордельная; г — баллонная; д — сплошная.

Изолированные жилы симметричных кабелей скручивают в группы, называемые элементами (Рис. 2). Скручивание создает отдельным жилам рабочей цепи (пары) одинаковые условия относительно взаимных и вешних помех. Кроме того, скручивание ставит жилы и элементы в такое положение, при котором значительно облегчается их взаимное перемещение под оболочкой при изгибах кабеля, что повышает стабильность конструкции. Распространенными являются скрутки: парная, четверочная звездная и двойная парная скрутка.

Рисунок 2. Скрутка жил в группы:

а - парная; б - четверочная звездная; в - двойная парная; г – четырех парная.

Группы, скрученные вместе, образуют сердечник кабеля (Рис. 3). Скрутка сердечника называется простой, если жилы кабеля предварительно не скручены в группы, и сложной, если сердечник состоит из предварительно скрученных четверок и пар. Скрутка сердечника называется однородной, если все группы одинаковы, и неоднородной, если сердечник состоит из разнородных групп.

Рисунок 3. Скрутка сердечника кабеля:

а - сложная, однородная - кабель марки ТЗГ-19х4х0,9; б - сложная, неоднородная -кабель марки ТДСГ-4х2 экр.х1,4 + 15х4х0,9

Для предохранения от проникновения влаги и понижения изоляции жил общую скрутку кабеля заключают в герметичную оболочку из свинца, алюминия, стали или пластмассы. В некоторых конструкциях используют металлопластмассовую оболочку. Толщина оболочек зависит от материала, из которого она сделана, и диаметра кабеля - чем больше диаметр, тем толще оболочка. Кроме того, толщина оболочки зависит от условий прокладки кабеля и типа защитных бронепокровов [7]. Основные конструкции защитных покровов металлических оболочек кабелей связи и области их применения приведены в табл. 1 и показаны в табл. 2. [4, с. 55-58]

Таблица 1.

Типы защитных покровов кабелей связи

Таблица 2.

Конструкции защитных покровов кабелей связи

Для предохранения кабеля от коррозии и механических повреждений поверх оболочек накладывают защитные покровы, которые состоят из влагоизолирующих материалов стальных лент или оцинкованных круглых проволок. Между оболочкой и броней должна быть наложена подброневая подушка, которая состоит из последовательно наложенных на оболочку многослойного битумного состава, между слоями которого находятся пропитанной кабельной пряжи и двух-трех лент кабельной бумаги. Поверх брони накладывают наружный защитный покров, состоящий из следующих последовательно наложенных слоев: битумного состава, пропитанной кабельной пряжи, битумного состава и мелового раствора, предохраняющего ветки кабеля от слипания. [1, с 14-18]. Обычная конструкция симметричного кабеля с кордельно-полистирольной изоляцией МКС-4×4 (Рис. 4) представляет собой медные жилы диаметром 1,2 мм, изолированные разноцветным полистирольным корделем диаметром 0,8 мм и полистирольной лентой толщиной 0,05 мм с перекрытием 25÷30%. Первая пара каждой четверки состоит из жил красного и желтого цветов, вторая пара - из жил синего и зеленого цветов. Центр четверки заполняется стирофлексным корделем диаметром 1,1 мм. Шаги скрутки всех четверок различны, взаимно согласованы и лежат в пределах 125÷275 мм. [4, с 59].

Рисунок 4. Симметричный кабель типа МКСА-4×4:

1-полиэтиленовый шланг; 2-поливинилхлоридная лента; 3-битумный состав; 4-бронепроволока; 5-пряжа; 6-две бронеленты; 7-подушка; 8-подклеивающии слой; 9-алюминиевая оболочка; 10-поясная изоляция; 11-четверка; 12-лента;13-корделъ; 14-жила; 15-заполнитель

2. Передача по симметричному кабелю связи и измеряемые параметры.

Кабель состоит из жил, покрытых оболочкой, передача сигнала по которым происходит через пару симметричных жил, состоящие из двух одинаковых по конструкции и электрическим параметрам изолированных проводников, которые будут представлять из себя замкнутую цепь (Рис. 5). В данном примере образуется замкнутая симметричная цепь, по которой происходит передача сигнала от генератора к приемной части (Пр).

Рисунок 5. Симметричная цепь

Передача по кабелям характеризуется двумя явлениями: распространением энергии вдоль цепи и взаимным переходом энергии между цепями. Процесс распространения энергии вдоль цепи определяется параметрами передачи, а процесс взаимных переходов — параметрами влияния.

1. Параметры передачи делятся на первичные и вторичные:

1.1 К первичным параметрам передачи цепи относится:

1.1.1 R — активное сопротивление;

1.1.2 L — индуктивность;

1.1.3 C — емкость;

1.1.4 G — проводимость изоляции.

1.2 Ко вторичным параметрам передачи цепи относится:

1.2.1 α — коэффициент затухания;

1.2.2 β — коэффициент фазы;

1.2.3 Z_в — волновое сопротивление;

1.2.4 γ — коэффициент распространения электромагнитной энергии;

1.2.5 υ — скорость распространения электромагнитной энергии.

2. Параметры влияния делятся на первичные и вторичные:

2.1 Первичные параметры влияния цепи определяются:

2.2.1 Электрической связью: К₁₂=g+iωk (g - активная составляющая электрической связи; iωk - емкостная связь между двумя или более цепями.);

2.2.2 Магнитной связью M₁₂=r+iωm (r - активная составляющая связи; iωm - индуктивная составляющая связи между двумя или более цепями);

2.2. Вторичные параметры влияния цепи определяются:

2.2.1 А₀ — переходное затухание на ближнем конце;

2.2.2 A_l — переходное затухание на дальнем конце;

2.2.3 А_з — защищенность.

На Рис. 6 представлена эквивалентная схема участка кабельной цепи, состоящая из двух симметричных жил, по которым происходит передача. Первичные параметры цепи R и L образуют суммарное сопротивление Z=R+iωL, а G и C - суммарную проводимость Y=G+ iωC [2].

Рисунок 6. Эквивалентная схема участка кабельной цепи

Характеристики кабеля связи, в теории, на всем протяжении имеет строго одинаковые значения. Этим обеспечивается симметрия и перехода энергии между соседними цепями не происходит, таким образом линия защищена от шумов и влияний. В практической части условия далеки от идеала, по производственно-эксплуатационным факторам, в которых создается и используется кабель связи. Итоговые параметры отличаются от расчетных и требуют практических способов измерения, которые повлияют на решения по симметрированию линии передачи [3].

3. Измерения электрических характеристик

Электрические измерения кабелей проводят для приведения электрических характеристик вновь прокладываемых кабельных линий связи к установленным нормам, контроля за качеством монтажных работ, а также для оценки электрического состояния кабельной линии связи в процессе эксплуатации. Объем электрических измерений, последовательность их выполнения и состав измерительной аппаратуры определяются в зависимости от типа кабеля, планирования работ и итоговой цели измерения.

Для работ по измерениям показателей симметричных кабелей используют измерительные приборы обеспечивающие измерения переменным и постоянным током, а также позволяющие производить исследования линии импульсным методом.

Постоянным током измеряют сопротивление изоляции оболочка (далее экран) — броня (далее земля) в кабелях со шланговыми изолирующими покровами и сопротивление изоляции проводников, сопротивление цепи, омическую асимметрию цепи, рабочую емкость цепи (рабочая емкость могут также измеряться переменным током).

Переменным током измеряют собственное затухание цепи, входное сопротивление цепи, переходное затухание на ближнем конце, защищенность на дальнем конце, емкостную связь и емкостную асимметрию.

При импульсном методе измерений происходит исследование состояния среды неоднородности сопротивления жил кабеля, при помощи подачи в линию кратковременного импульса, принятие обратно отраженного сигнала и отображение распределения по времени прохождения до неоднородностей.

4. Измерение электрического сопротивления изоляции

Измерение сопротивления изоляции между жилами, а также между жилами и «землей» может производиться методом сравнения или методом непосредственного отсчета с использованием мостовой схемы. Схема измерения R_из методом сравнения приведена на Рис. 7.

После подключения к зажимам прибора (Л₁ и З) и измеряемой линии («жила - жила» или «жила – земля (оболочка, экрана)») проводят два измерения. Ключи (Кл₁ и Кл₂) устанавливаются в положение 1. На гальванометре (Г) определяют ток I₀ протекающий через образцовый (эталонный) резистор R_об. После этого происходит переключение ключа (Кл₂) в положение 2 для измерения тока I_из, протекающего через сопротивление изоляции R_из (т.е. через измеряемое сопротивление). Учитывая, что напряжение измерительной батареи при обоих измерениях было одинаковым, можно считать, что (I₀/I_из) = (R_из/R_об.), отсюда R_из = R_об. I₀ /I_из.

Рисунок 7. Схема измерения сопротивления изоляции методом сравнения

Схема измерения сопротивления изоляции мостовым методом показана на Рис. 8. Сопротивление изоляции в кабельных линиях измеряют между каждым проводом и остальными, соединенными с «землей» (оболочкой, экраном) или между отдельными проводами. Результаты измерений производится непосредственно по шкале прибора (отклонение стрелки гальванометра «Г»).

Рисунок 8. Схема измерения сопротивления изоляции мостовым методом

5. Измерение электрического сопротивления цепи

Сопротивление цепи с проводами одинакового диаметра и материала измеряют по схеме, приведенной на Рис. 9. Для измерения используют мост постоянного тока. Сопротивление R₃ уравновешивает мост переменным так, чтобы в диагонали моста не было тока; стрелка гальванометра «Г» при этом отклоняться не должна. При отсутствии тока в гальванометре (R₁/R₂) = (R₃/R_х), откуда

R_х=R₃R₂/R₁,

где R_х — сопротивление измеряемой цепи плюс сопротивление измерительных проводов, Ом; R₂/R₁ отношение сопротивлений постоянных плеч моста; R₃ — сопротивление переменного плеча моста, отсчитываемое по показаниям курбеля прибора, Ом; R_х - сопротивление измерительных проводов.

Рисунок 9. Схема измерения электрического сопротивления цепи мостовым методом

Измеренную величину приводят к температуре +20° С по формуле

R₂₀ = R_t/1 + a (t-20),

где R₂₀ - сопротивление цепи постоянному току, приведенное к 20° С, Ом; R_t - измеренная величина сопротивления при температуре t, °С; а - температурный коэффициент, равный для меди 0,004, для алюминия 0,0042.

Километрическое сопротивление цепи (т. е. сопротивление двух проводов кабельной линии длиной 1 км) определяется по формуле

R_км = R₂₀/l,

где R₂₀ - сопротивление, приведенное к температуре 20°С; l — длина измеренной линии, км [1, с 182-184].

6. Измерение разности электрического сопротивления проводов (омической асимметрии) цепи

Схема измерения показана на Рис. 10. Омическая асимметрия цепи постоянному току представляет собой разность сопротивлений жил, составляющих одну цепь:

△r = R_а-R_б,

где R_а — сопротивление жилы а; R_б — сопротивление жилы б.

Асимметрию цепи измеряют с помощью моста постоянного тока с постоянным отношением плеч. Сопротивления постоянных плеч моста R₁ и R₂ должны быть равными. Изменяют величину переменного сопротивления R₀ тех пор, пока мост не уравновесится. Величину асимметрии цепи прочитывают на курбеле переменного сопротивления (в Омах). В качестве вспомогательного провода используют одну из жил кабеля или землю (при использовании "земли” следует учитывать также возможное влияние блуждающих токов).

Рисунок 10. Схема измерения омической асимметрии цепи

7. Измерение рабочей емкости цепи

Рабочая емкость цепи может быть измерена: мостовым, баллистическим и методом сравнения.

Электрическая емкость цепи может быть измерена мостом переменного тока по схеме, приведенной на Рис. 11. С помощью переменного плеча R₀ уравновешивается мост. Точная настройка моста достигается с помощью подстроечного переменного резистора R₂. Емкость цепи определяют по формуле:

C_р = R₀ C₀/R₁,

где R₀ — переменное плечо (магазин сопротивлений) моста, Ом; R₁ - образцовое сопротивление моста, Ом; C₀ - образцовая емкость, нФ. Измерения на усилительных участках производят на частоте 10 Гц.

Рисунок 11. Схема измерения емкости цепи мостом переменного тока

Схема измерения рабочей емкости цепи баллистическим методом приведена на Рис. 12. Величину измеряемой рабочей емкости цепи С_р отсчитывают по максимальному отклонению стрелки гальванометра «Г».

Рисунок 12. Схема измерения рабочей емкости цепи баллистическим методом

Схема измерения рабочей емкости цепи методом сравнения показана на Рис. 13. Для определения емкости проводят два измерения. Сравнение величин, полученных при первом и втором измерениях, позволяет определить рабочую емкость цепи С_р по формуле

С_р = (а₂n₂)/(а₁n₁),

где а₁, а₂ - углы отклонения стрелки гальванометра при первом и втором измерениях; n_1, n₂ - коэффициенты шунтирования при первом и втором измерениях [1, с 185-187].

Рисунок 13. Схема измерения рабочей емкости цепи методом сравнения

В определенных случая меряют емкостную асимметрию. Определяется емкость разных пар или сравнения показаний каждой жилы с экраном кабеля. Полученные значения рассчитываются по формуле:

A_c=|С_а-С_б|,

где A_c - aсимметрия емкостная, С_а - ёмкость жилы "а" к экрану или емкости одной пары, С_б - ёмкость жилы "б" к экрану или емкости другой пары [6].

8. Измерение переходного затухания между цепями и защищенности цепей

Для измерения переходного затухания и защищенности между цепями применяют метод сравнения и метод разности уровней Схемы измерения переходного затухания на ближнем и защищенности на дальнем концах методом сравнения приведены на Рис. 14. Процесс измерений заключается в сравнении уровня, полученного на выходе из магазина затухания М3, с уровнем в начале или конце цепи, подверженной влиянию.

Рисунок 14. Схема измерения методом сравнения переходного затухания на ближнем конце

При измерениях по схеме, приведенной на Рис. 14, а, величину переходного затухания на ближнем конце определяют по формуле

A₀ = A_изм – 10 lg (Z₁ / Z₂),

где - Z₁ номинальное значение волнового сопротивления влияющей цепи, Ом; Z₂ - то же, цепи, подверженной влиянию; A_изм — величина, отсчитанная непосредственно на магазине затуханий, дБ.

При измерении переходного затухания между одинаковыми цепями на ближнем конце методом сравнения (Рис. 14) измеряемую величину отсчитывают непосредственно на магазине затухания, т. е. A₀ = A_изм. При измерении защищенности цепи на дальнем конце по схеме, приведенной на Рис. 15, при влиянии между одинаковыми цепями и при одинаковых направлениях передачи измеренную величину отсчитывают непосредственно на магазине затухания, т. е. A_з = A_изм.

Рисунок 15. Схема измерения методом сравнения защищенности на дальнем конце

9. Измерение собственного затухания

Основным методом измерения собственного затухания цепей является метод сравнения, применение которого возможно только при наличии двух одинаковых цепей, позволяющих образовать однородную петлю. Схема измерения собственного затухания методом сравнения приведена на Рис. 16

Рисунок 16. Схема измерения собственного затухания методом сравнения

При измерениях сравнивают уровни напряжения в конце петли и на выходе магазина затухания М3, регулируя величину затухания на выходе М3 до получения одинаковых показаний индикатора «И» в обоих положениях переключателя «П». Показание магазина затуханий дает величину затухания двух цепей. Величина затухания цепи равна половине измеренной величины: а = а_изм/2.

Собственное затухание цепи методом сравнения измеряют после измерения переходного затухания. Если переходное затухание на ближнем конце между цепями, из которых образована измерительная петля, соизмеримо по величине с затуханием данной петли (отличается меньше чем на 25 дБ), то для измерения затухания этот метод не применяют, В этом случае для измерения собственного затухания цепей применяют метод разности уровней (Рис. 17).

Рисунок 17. Схема измерения собственного затухания методом разности уровней

В пунктах А и Б, т. е. в начале и конце измеряемой линии, включают приборы для измерения уровней передачи У₁ и У₂. На входе линии в пункте А включают генератор, уровень передачи которого поддерживают постоянным и равным 10—20 дБ. В пункте Б линию нагружают сопротивлением R_н. При данной частоте определяют уровни Р₁ и приема Р₂ соответственно в пунктах А и Б. Величину затухания цепи определяют по формуле

а = Р₁ – Р₂

Километрическое затухание цепи, дБ/км, равно

а_км = а/l

где l - длина измеренной линии, км.

Измеренное значение собственного затухания цепи приводят к температуре +20° С по формуле

где а₁ - измеренное затухание при температуре t; α — температурный коэффициент затухания [1, с. 188-192].

10. Исследование кабельной линий импульсным методом

При импульсном методе измерений определение расстояния до места повреждения цепи производится по времени прохождения до него и обратно посланного в линию кратковременного импульса. Такой «зондирующий» импульс, проходя по линии и встретившись с некоторой ее неоднородностью, вызвавшей какое-то изменение местного входного сопротивления цепи (считая от данной точки в сторону конца линии), обязательно отразится. Величина напряжения отраженного импульса U₀ при отсутствии в линии потерь определится из формулы

где U_п - амплитуда напряжения посланного импульса; Z_н - входное сопротивление линии в месте нарушения однородности; Z_c - характеристическое сопротивление цепи;  - коэффициент отражения.

Рисунок 15. Характерные случаи отраженных импульсов на экране импульсного прибора: а) Z_н = Z_с; б) Z_н > Z_с; в) Z_н < Z_с

Три случая фиксации отраженных импульсов (Рис. 15). На экране прибора, отображается посланный импульс с амплитудой U_п. Если цепь однородна и нагрузка ее Z_н равна характеристическому сопротивлению цепи Z_c, то импульс, пройдя по цепи, полностью поглотится нагрузкой и отраженного импульса не возникнет (Рис. 16, а). Если Z_н > Z_с энергия импульса не будет полностью поглощена нагрузкой и появится отраженный импульс с амплитудой U₀, зависящей от коэффициента отражения. Импульс, распространяясь вдоль линии, придет к ее началу через некоторый промежуток времени, определяемый скоростью и распространения электромагнитной волны вдоль линии и расстоянием l_х до места неоднородности. Знак отраженного импульса при Z_н > Z_с совпадает со знаком посланного импульса (Рис. 16, б). Если Z_н < Z_с, то аналогично образовавшийся отраженный импульс придет к началу линии с другим знаком (Рис. 16, в). Расстояние до места неоднородности, определяется по времени Δt развертки от начала посылки зондирующего импульса (его переднего фронта) до появления (переднего фронта) отраженного импульса. Зная скорость распространения импульсов (электромагнитной волны) в среде линии υ, определяется расстояние до места неоднородности из формулы:

Импульсный метод, в отличие от всех других методов определения состояние кабельной линии, позволяет проводить измерения при наличии в цепи нескольких неоднородностей. При посылке в линию зондирующего импульса достаточно большой амплитуды первая встреченная неоднородность вызовет появление отраженного импульса, зондирующий же импульс, хотя и ослабленный, пройдет дальше, при наличии второй неоднородности появится еще один отраженный импульс, для третьей неоднородности— третий и т. д. Таким образом, изображение, полученное на экране, сможет дать импульсную характеристику (картограмму) линии, где по оси x будут отложены в том или ином масштабе расстояния от измерительной станции до мест неоднородности, по оси y — импульсные отклонения луча, величина которых определится, с одной стороны, коэффициентом отражения в той или иной точке линии, с другой - затуханием, претерпеваемым сначала зондирующим импульсом при прохождении его до места неоднородности, а затем отраженным импульсом при возвращении его к началу линии [5].

Вывод:

Рассмотрены структура и эквивалентная схема кабеля связи. Описаны параметры передачи и параметры взаимного влияния, характеризующие распространение сигнала по кабелю связи. Каждый из обилия данных параметров может служить как по отдельности, так и совместно, причиной отклонения качества сигнала от нормируемых значений. Данный факт свидетельствует о трудоемкости определения причины неисправности и необходимости понимания выбора методов диагностики. Данные методы лежат в основе промышленных приборов для диагностики состояния кабельной продукции, которые применяются в рамках технических мероприятий при вводе и обслуживании в процессе эксплуатации кабеля связи.

Список литературы:

1. Барон Д.А. «Магистральные и внутризоновые кабельные линии связи. Линейные сооружения» Издательство: Москва, Радио и связь, 1988;
2. Барон Д.А., Гершман Б.И., Гроднев И.И. «Справочник строителя кабельных сооружений связи» Издательство: Москва, Cвязь, 3-е изд. - 1979 - с. 35–36;
3. Гершман Б.И., Стукалин Ю.А. «Электроизмерения междугородных кабелей связи» Издательство: Москва, Радио и связь, 1984 - с. 73;
4. Султанов А.Х., Тлявлин А.З. Основы линий связи. Ч. 1: Учебное пособие. Уфимский государственный авиационный технический университет. Уфа, 2000;
5. Шумилин Н.П. «Специальные изменения в проводной связи» Издательство: Москва, Cвязь. 1974 - с. 91–95;
6. Электронный ресурс: «Измерения, технологии и поиск повреждений в кабелях связи», статья «Асимметрия» http://izmer-ls.ru/assim.html (дата обращения: 18.10.2024);
7. ГОСТ 7006-72 «Покровы защитные кабелей». Конструкция и типы, технические требования и методы испытаний.