1. Общие понятия об организации связи на железнодорожном транспорте и видах НС
1.2. Краткий исторический очерк развития ЛАТС
2. Основы электродинамики направляющих систем
3. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах
3.1. Распространение плоских волн в диэлектрике и проводнике
3.2. Типы и классы электромагнитных волн
3.3. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах
4. Параметры передачи цепей воздушных и кабельных линий
4.2. Первичные параметры цепей воздушных линий
5. Оптимальное соотношение между первичными параметрами кабельных цепей
5.1. Уравнение однородной линии
6. Физические процессы в линиях связи на оптических волокнах
6.1. Волновая и лучевая трактовки световых процессов
6.2. Апертура волоконного световода
6.3. Типы волоконных световодов
6.4. Критическая частота и длина волны волоконного световода
7. Физические процессы в линиях связи на оптических волокнах
7.1. Дисперсия и пропускная способность световодов
7.2. Особенности передачи импульсных сигналов по оптическим кабелям
7.3. Определение длины регенерационных участков цифровых систем передачи
8. Высоковольтно-сигнальные линии авто блокировки
8.1. Назначение высоковольтно-сигнальных линий, их особенности
8.3. Система электропитания автоблокировки
8.4. Плечи и пункты питания высоковольтной цепи автоблокировки, её секционирование
9.1. Общие сведения о кабелях и кабельных линиях
10. Влияние внешних ЭМ полей на цепи АТС
10.1. Проблемы ЭМ совместимости ВВЛ и ЛАТС
10.2. Влияние высоковольтные линии электропередачи энергосистем
10.3. Влияние тяговых сетей электрической железной дороги постоянного тока
10.4. Тяговая сеть электрической железной дороги переменного тока
11. Особенности влияния на однопроводные и двухпроводные цепи
11.3. Методика определения 2-х составляющих при сближении с ЛЭП и тяговыми сетями
12. Определение индуктированных напряжений и токов опасного и мешающего влияний
13. Взаимные влияния между цепями связи, телемеханики и меры защиты
13.2. Первичные параметры влияния на цепи связи в воздушных линиях связи
13.3. Первичные параметры ЭМ влияния между цепями симметричных кабелей связи
14. Основное уравнение влияния между цепями
14.1. Токи электрического влияния ближнем и дальнем концах
14.2. Токи магнитного влияния на ближнем и дальнем концах
14.3. Полный ток электромагнитного влияния на ближнем и дальнем концах
15. Переходное затухание между цепями в кабельных линиях
15.2. Защищённость между цепями
15.3. Зависимость переходного затухания и токов влияния от длины линии и частоты тока
Практическое занятие № 1. Предельно-допустимые значения опасных и мешающих влияний и меры защиты
Практическое занятие № 2. Меры защиты от взаимных влияний
1. Скрещивание цепей воздушных линий
1. Общие понятия об организации связи на железнодорожном транспорте и видах НС
1.1. Введение
Главная задача курса: изучить линейные сооружения ж.д.а., т. и с. и научиться самостоятельно работать с технической литературой.
На лекциях будут прочитаны наиболее трудные вопросы, которые трудны для усвоения или недостаточно полно изложены в литературе.
Вы должны самостоятельно изучить следующие вопросы:
1. Конструкции и свойства
- воздушных линий связи и высоковольтных линий автоблокировки;
- кабельных линий автоматики, телемеханики и связи: кабелей связи ВЧ и НЧ; коаксиальных кабелей; кабелей автоматики, телемеханики и силовых;
- волоконно-оптических кабелей;
- волноводов;
- сверхпроводящих кабелей.
2. Меры защиты от взаимных влияний и влияний внешних ЭМ полей.
3. Защита кабелей от коррозии.
4. Строительство линий.
5. Техническая эксплуатация линейных сооружений.
1.2. Краткий исторический очерк развития ЛАТС
Появление первых воздушных и кабельных линий связи относится к началу и середине XIX столетия и связано с именами многих зарубежных и русских ученых.
Создание в нашей стране первых кабельных линий связано с именем русского ученого П.Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник.
В 1836г. П.Л. Шиллинг применил изолированные провода, проложенные в деревянных желобах. По ним была организована телеграфная связь между крайними зданиями Адмиралтейства в Петербурге. Он же предложил идею подвешивания проводов на столбах, что по-существу явилось изобретением воздушной линии.
В 1841 г. Русский академик Якоби Б.С. построил ряд подземных кабельных линий для организации телеграфной связи между Петербургом и Царским Селом.
В 1851 г. Для устройства телеграфной линии был проложен подземный междугородный кабель, изолированный гуттаперчей, между Москвой и Петербургом.
Однако уровень развития тог времени не позволил создать кабели с достаточно хорошими электрическими свойствами и большим сроком службы и кабельные линии на некоторое время были вытеснены воздушными линиями связи.
В 1854 г. Между Петербургом и Москвой одновременно с постройкой Николаевской (ныне Октябрьской) жел.дорогой была построена первая воздушная линия телеграфной связи.
В 1898 г. После подвески между Петербургом и Москвой двух бронзовых цепей была осуществлена телефонная связь.(l=600 км.).
В 70-ые годы XX столетия создаются высоконадежные оптические кабельные системы связи.
Широкое строительство жел. Дорог началось с 1931 г.. Для электропитания устройств автоматики и телемеханики вдоль жел. дороги строят воздушные высоковольтно-сигнальные линии автоблокировки с трёхфазной силовой цепью напряжения 6 или 10 кВ. На опорах этих линий подвешивают также провода сигнальных цепей. Высоковольтные сигнальные линии дополняются на станциях станционной кабельной сетью. На территории станций прокладывают кабельные сети ЭЦ(электрической централизации) и горочной автоматической централизации. Бурный рост электрификации страны привел к необходимости защиты устройств автоматики, телемеханики и связи от опасных и мешающих влияний линий электропередачи. Теоретические исследования вопросов влияния ЛЭП и защиты устройств а.,т., и с. провели русские ученые П.А. Азбукин, М.И. Михайлов, Н.Н. Миролюбов.
1.3. Организация связи на железнодорожном транспорте
Прежде чем рассмотреть организацию связи на ж.д. дадим основные определения.
Линия связи, совокупность технических средств и физической среды, обеспечивающая распространение сигнала от передатчиков к приемник.
Канал связи, технические устройства и тракт связи, в котором сигналы, содержащие информацию распространяются от передатчика к приёмнику.
Под трактом понимаем физическую среду и часть каналообразующей аппаратуры линии связи. Канал связи более узкое понятие.
Линии связи объединяются в сеть. Сеть состоит из узлов (пунктов коммутации) и линий связи, соединяющих эти узлы между собой. Возможно несколько вариантов построения сети:
- полносвязное (каждый с каждым) (Рис.1 (а));
- узловое (пункты группируются в узлы и последние соединяются между собой) (Рис.(б));
- радиальное (звездообразное), имеется один основной узел с расходящимися линиями по радиусам к другим пунктам (Рис.(в)).
Соединение каждый с каждым наиболее надёжно, но экономически не выгодно. Также невыгодна узловая система. Наиболее дешёвая радиальная система, но она не имеет ни каких путей резервирования. Поэтому считается, что наилучшие результаты дает сочетание радиальной и узловой системы. Именно по этому принципу построена сеть связи на ж.д. транспорте.
Она отражает структуру административного подчинения и поэтому имеет 4-е уровня.
ЦСС центральная станция связи МПС;
ДУ - дорожные узлы связи;
ОУ - отделенческие узлы связи;
УС - участковые станции.
Рис. 2 Уровневый принцип построения связи на ж.д.
Первым верхним уровнем управления является МПС, вторым -управление дороги, третьим отделения дороги и четвертым - станция. В соответствии с такой структурой железные дороги оснащены: магистральной, дорожной, отделенческой и станционной связью(местной).
К магистральной относится связь МПС с управлениями дорог и последних между собой.
Дорожной называется связь управлений дорог с их отделениями, участковыми и сортировочными станциями и между соседними отделениями.
Отделенческие виды связи, называемые также технологическими, предназначены для оперативного управления работой отдельных железнодорожных участков, входящих в отделение. К отделенческим относятся следующие виды связи:
- связь дежурных по станциям и депо на участке в 100 - 200 км. ПДС предназначена только для переговоров диспетчера, руководящего движением поездов на своем участке со станциями и депо;
- поездная межстанционная (МЖС) связывает дежурных по двум соседним станциям и служит для их переговоров по движению поездов на перегоне между этими станциями;
- для переговоров постанционная (ПС) служит для переговоров работников станции по различным хозяйственным вопросам. ПС используется для замены ПДС при повреждении ПДС;
- линейно-путевая (ЛПС) для переговоров ленейных работников дистанции пути между собой и с руководством дистанции;
- перегонная (ПГС) - для включения в нее переносного телефонного аппарата для связи бригады остановившегося на перегоне поезда или ремонтных путевых бригад с ближайшими станциями;
- вагоннодиспетчерская связь (ВДС) предназначена для контроля со стороны вагонного диспетчера за продвижением подвижного состава и состояния погрузочно - разгрузочных работ;
- энергодиспетчерская (ЭДС) для связи энергодиспетчера с тяговыми подстанциями, постами секционирования тяговой сети, электродепо, руководством дистанции тяговой цепи и т.д.;
- служебная диспетчерская связь (СДС) предназначена работников дистанции сигнализации и связи с линейными и станционными электромеханиками;
- билетная диспетчерская связь (БДС) служит для переговоров по продаже билетов на пассажирские поезда;
- информационная связь - для связи между преузловыми станциями и сортировочной станцией, по которой передаются сведения о поездах, подходящих к последней.
Цепи телеуправления и телесигнолизации (ТУ, ТС) предназначены для обеспечения взаимодействия устройств автоматики и телемеханики, таких как диспетчерская централизация, диспетчерский контроль, сигнальные цепи автоблокировки.
Цепи поездной радиосвязи (ПРС) для связи поездной радиостанции на участке с диспетчером.
Связь транспортной милиции (СТМ).
Связь транспортной военизированной охраны (СТВ).
Местная телефонная связь организуется на станциях, узлах, при отделениях, управлениях дорог и МПС. Телефонные станции местной связи имеют соединительные линии с междугородними телефонными станциями. В последнии включаются цепи магистральной, дорожной и некоторые виды отделенческой связи. К местной связи также относятся связь дежурного по станции со стрелочными постами, станционная распорядительная связь и др.
Многие отделенческие виды связи (ПДС, ПС, ЭДС, ВДС, СДС и др.) до сих пор организуются по групповым (коллективным) цепям. Групповыми называются виды связи, в которых несколько телефонных аппаратов (15-20), устанавливаемых у поездного диспетчера, дежурных по станциям, в помещениях работников, обслуживающих участок железнодорожного пути, и т.д.
Станционная связь - предназначена для оперативной работы станции и обеспечения ведения служебных переговоров командиров станции с исполнителями технологического процесса работы станции.
С 1931 г. на отечественных железных дорогах началось внедрение автоматической блокировки и электрической централизации стрелок и сигналов. С этой целью строится густая сеть цепей по которым осуществляется питание этих устройств и управление ими.
Переход на электрическую тягу обусловил строительство тяговых силовых линий.
Все это позволило существенно повысить экономическую эффективность и надежность железнодорожного транспорта, но, однако привело к необходимости решения ряда проблем, в особенности касающихся систем связи.
Все линии тяговых цепей автоматики телемеханики и связи в силу их предназначения строятся вдоль железнодорожного пути. Однако большая протяженность этих линий обусловила их существенное взаимовлияние. Без учета этого влияния эксплуатация линий связи может быть не просто невозможной но и опасной для жизни обслуживающего персонала.
Вот почему оптимальное построение таких линий до сих пор представляет собой научную и техническую задачу и при подготовке инженеров по эксплуатации систем железнодорожного транспорта научные достижения и опыт накопленный в этой области должен изучаться студентами в рамках отдельной дисциплины.
1.4. Разновидности Н.С., используемых для передачи сигналов
Передача информации Электрическими сигналами д. б. осуществлена в заданном направлении. Системы способные передавать электромагнитную энергию в заданном направлении называются направляющими системами.
Распространение ЭМ энергии в заданном направлении основано на использовании границ раздела между средами, имеющими различные свойства (метал - диэлектрик, диэлектрик - воздух и т.д.). Поэтому роль направляющих систем может выполнять как металлическая линия (воздушные, кабельные линии, волновод) так и диэлектрическая линия (диэлектрический волновод, световод) и металлодиэлектрическая линия (линия поверхностной волны).
Волноводные линии представляют собой полые металлические цилиндры круглого или прямоугольного сечения. Рис. 1.
Линии поверхностной волны - одиночный провод, покрытый изоляцией. Провод биметаллический.
Кабельные линии. Для передачи электрических сигналов в линиях связи используют двунаправленные цепи - симметричные и несимметричные (коаксиальные).
Симметричная цепь составляется из двух проводников одинаковой конструкции, обладающих одинаковыми электрическими параметрами и расположенных параллельно друг другу.
В симметричных кабелях (СК) каждый проводник покрывается слоем изоляции. Такой проводник называется жилой кабеля.
Несимметричная цепь образуется из двух проводов, имеющих различную конструкцию и разные электрические параметры. Примером несимметричных кабелей является коаксиальный кабель.
«Axis» - по латыни - концентрический.
Внутренний провод (1) изготавливается в виде сплошного цилиндрического проводника, внешний (2) ¾ в виде полого цилиндра.
В коаксиальных кабелях два проводника, образующего концентрическую цепь, имеют общую изоляцию. Различают внутренний (1) и внешний (2) проводники коаксиальной пары.
Оптический кабель (волоконный световод) ОК представляет собой скрутку из тонких двухслойных волокон круглого сечения из стекол с различными оптическими характеристиками.
Сверхпроводящий кабель СПК имеет коаксиальную конструкцию весьма малых габаритов, помещенную в условия низких отрицательных температур (-269оС).
Диэлектрический волновод ДВ¾ это стержень круглого или прямоугольного сечения, выполненный из высокочастотной пластмассы (полиэтилена, стирофлекса).
Полосковая линия ПЛ состоит из плоских ленточных проводников с расположенной между ними изоляцией. Разновидностью этой линии является ленточный кабель (ЛК), содержащий большое количество проводников, расположенных в одной плоскости.
Радиочастотные кабели РК имеют коаксиальную симметричную или спиральную конструкцию.
РК, ПЛ, ДВ используются в качестве фидеров передачи энергии на короткие расстояния от антенны к аппаратуре.
ЛПВ предназначена для устройства телевизионных ответвлений от магистральных кабелей и радиорелейных линий небольшой протяженности (до 100км).
Общая протяженность железных дорог России на настоящее время составляет около 87 т.км. Из них:
- 22 т.км. - воздушные линии связи (ВЛС);
- 15 т.км. - однокабельные магистральные линии связи;
- 48 т.км. - двухкабельные магистральные линии связи;
- 9 т.км. - радиорелейные линии;
- 1.2 т.км. оптиковолоконные линии связи (ВОЛС).
Очевидно радиорелейные линии не попадают под определение направляющих систем и потому являются предметом изучения других дисциплин. Мы же сосредоточим своё внимание на воздушных кабельных и оптиковолоконных линиях связи.
2. Основы электродинамики направляющих систем
2.1. Исходные уравнения электродинамики
Основные уравнения электродинамики поля, называемые уравнениями Максвелла, обобщают два основных закона электродинамики: закон полного тока и закон электромагнитной индукции.
Закон полного тока устанавливает количественное соотношение между напряженностью магнитного поля H и током 
:
, (2.1)
где j
- объёмная плотность постоянного тока, протекающего в теле;
p - координаты;
n - вектор нормали, задающий положительное направление обхода контура L (как вращение правого винта с направлением движения по вектору);
Согласно данному закону линейный интеграл напряженности магнитного поля по замкнутому кругу равен полному току, проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.
Уравнение (2.1) называется первым уравнением Максвелла.
Закон электромагнитной индукции (Фарадея) устанавливает соотношение между напряженностью электрического поля Е и магнитным потоком 
.Закон электромагнитной индукции гласит, что электродвижущая сила, возникающая в контуре при изменении магнитного потока 
, проходящего сквозь поверхность, ограниченную контуром, равна скорости изменения этого потока с обратным знаком:
(2.2)
Это уравнение называют вторым уравнением Максвеллом.
Уравнение (2.1) и (2.2) представляют собой интегральную запись уравнений Максвелла, чаще пользуются уравнениями в дифференциальной форме. При этом к левой части уравнений применяют известную формулу Стокса:
, 
.
Введём обозначение
,
где 
- где 
- удельная проводимость среды (См/м = 1/(Ом м).
С учетом этого::
(2.3),
, (2.4)
где 
- магнитная проводимость среды (Г/м, 
).
Второе слагаемое в правой части уравнения (2.3) введено Максвеллом для учёта токов смещения в непроводящей среде
,
где 
- диэлектрическая проницаемость среды (Ф/м 
Ф/м).
Понятие (rot) означает, что движение происходит по замкнутой кривой: спирали (
, 
-(набла)).
Заметим, что в интегральной форме направление движения задавало направление вектора нормали n.
Записанные уравнения обладают симметрией в следующем смысле: согласно первому уравнению изменение во времени электрической индукции порождает вихревое магнитное поле, вектор напряженности которого изменяется в пространстве, согласно второму уравнению изменение во времени магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле, изменяющееся в пространстве. Из этого следует возможность существования электромагнитных полей в средах вдали от тел стоками проводимости. Электрические и магнитные поля могут существовать, взаимно порождая друг друга.
Кроме названных уравнений систему дополняют ещё два уравнения:
, 
(2.5),
где 
- плотность электрического заряда,
которые являются вспомогательными. (
)
Из соотношений (2.5) первое означает, что через поверхность, ограничивающую некий объём, линии электрического поля расходятся в окружающее пространство или сходятся в него. Электрическое поле имеет источники и характеризуется плотностью электрического заряда. Второе уравнение выражает принцип непрерывности магнитного поля. Оно показывает, что магнитные линии всегда непрерывны и образуют замкнутые петли. Они нигде не начинаются и не заканчиваются. Магнитное поле не имеет источников.
Для гармонических колебаний:
и 
(2.6)
Тогда основные уравнения запишутся в виде:
(2.7)
.
Комплексная диэлектрическая проницаемость среды.
Первое уравнение может быть записано в виде:
(2.8)
где величину 
называют комплексной диэлектрической проницаемости среды.
Волновые уравнения в векторной форме. Уравнения Максвелла (2.8) образуют систему взаимосвязанных дифференциальных уравнений первого порядка, решение которых с учетом граничных условий в некотором случае весьма затруднительно. Для преодоления указанных трудностей переходят к более простой форме записи уравнений. Для её получения применяют к обеим частям уравнения (2.8) операцию rot. Отсюда, допустим для первого уравнения получают: (учитывая 2.9)
или
,
(Примечание: 
, но
; Следовательно 
К тому же 
.)
Обозначив 
в окончательном виде имеем:
. (2.9)
Величина 
определяется свойствами среды, в которой распространяются электромагнитные колебания и называется коэффициентом распространения среды. В общем случае это величина комплексная. Её действительная часть 
- характеризует процессы затухания в среде распространения и потому называется коэффициентом затухания. Величина 
- характеризует величину набега фазы и потому носит название коэффициент фазы.
Совершенно аналогично может быть получено второе уравнение относительно вектора напряженности электрического поля:
. (2.10)
Полученные уравнения (2.9) и (2.10) дают одинаковый закон изменения 
, 
и являются волновыми уравнениями в векторной форме.
Преимуществом этих уравнений их независимость от системы координат. Так как вектора и взаимосвязаны, то решение задачи распространения электромагнитных колебаний может быть найдено для одного из них, а за тем для другого получено путем учета их взаимосвязанности. (
)
В математике уравнения вида (2.9) и (2.10) получили название уравнений Гельмгольца.
2.2. Плоские волны как простейший случай волнового процесса
Плоской называют такую волну при которой в электромагнитном поле можно провести ряд параллельных плоскостей, перпендикулярных направлению распространения волны так, чтобы векторы напряженности и в каждый момент времени лежали в этих плоскостях и сохраняли как своё значение так и своё направление. Основное свойство плоской волны взаимная перпендикулярность векторов и .
При плоской волне, распространяющейся вдоль оси z, с учетом того, что 
, одно из уравнений например уравнение (2.11) приобретает вид:
. (2.11)
Общее решение уравнения (2.12) зависит только от координаты z, и определяется выражением:
, (2.12)
где 
и 
- постоянные интегрирования.
Оба слагаемые в уравнении (2.12) представляют плоские волны: одну бегущую (падающую волну) в направлении положительной оси z (выражение - 
), другую в обратном направлении - отраженная волна (
). Направление определяется выбором временного множителя 
.
3. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах
3.1. Распространение плоских волн в диэлектрике и проводнике
В один и тот же фиксированный момент времени 
значения фазы 
для плоской волны в точках пространства, расположенных на разных расстояниях 
и 
(например начало и конец направляющей системы) от излучателя, различны. Однако можно выбрать такое время 
для точки с расстоянием и время 
для точки с расстоянием , что фазы будут одинаковыми, т.е.
. Значит 
. Переходя к бесконечно малым приращениям 
и 
, получим общую формулу для определения этой скорости:
. (3.1)
Скорость перемещения фазы поля 
называют фазовой скоростью.
На практике основной интерес представляет знание характеристик поля на очень больших расстояниях от излучателя, таких, что 
. В качестве такой характеристики используют отношение
, (3.2)
имеющее размерность Ом и зависящее от параметров среды, называемое характеристическим сопротивлением среды. В общем случае характеристическое сопротивление величина комплексная: т.е. 
. В частности, для плоской волны 
.
Принято считать среду диэлектриком если 
и проводником при 
.
Исходя из этого для диэлектрика имеем:
, т.е. 
; (3.3)
; 
, 
. (3.4)
Для вакуума:
км/c, т.е 
, где с скорость света.
Ом.
Для проводника имеем:
. Заменяя i на 
получим 
т.е. 
. (3.5)
В таком случае
;(3.6)
. (3.7)
Электромагнитная плоская волна, попадая в метал, быстро затухает. Из уравнения распространения волны (2.13) следует, что процесс затухания определяется выражением 
. Если задаться уменьшением напряжения в 
раз на глубине 
, то эта глубина может быть определена из условия: 
. Откуда при 
имеем 
. (3.8)
Величину принято называть эквивалентной глубиной проникновения поля. Расчетные соотношения глубины проникновения поля для некоторых металлов приведены в таблице:
Заметим что для идеального диэлектрика 
и потому диэлектрик является идеальной средой для распространения поля.
3.2. Типы и классы электромагнитных волн
Характер распространения ЭМ волн в направляющих системах (НС): структура поля и диапазонные свойства систем зависят от класса волны: используемой для канализации энергии.
Существуют следующие классы волн (рис. 3):
T ¾ поперечно-электромагнитная (ТЕМ) (ТЕН);
Е ¾ электрическая или поперечно-магнитная ТН-волна;
Н ¾ магнитная или поперечно-электрическая ТЕ-волна;
ЕН и НЕ ¾ гибридные, смешанные волны.
Рис. 1. Классы и типы волн
Волна Т ¾ основная волна, содержит только поперечные составляющие (электрического Е и магнитного Н полей), продольные составляющие Ея и Ня равны нулю, т.е. силовые линии поля целиком лежат в поперечных плоскостях и в точности повторяют картину силовых линий поля при статическом напряжении и постоянном поле. Волна Т существует лишь в линиях, содержащих не менее двух изолированных проводников, находящимися под разными потенциалами. Этот тип волны используется при передаче энергии в сравнительно ограниченном диапазоне частот по проводящим системам, где определяющими являются токи проводимости Iпр (Например, при передаче по симметричным, коаксиальным цепям и полосковым линиям). Процесс передачи Т-волн связан с потенциальным полем.
Волны Е и Н. Волны высшего порядка. Они содержат, кроме ЭМ полей (Е^ и Н^), по одной продольной составляющей поля. Для волн Е поле Еz
0, для волн Н поле Нz0. Поэтому их силовые линии располагаются как в поперечных, так и в продольных сечениях направляющих систем. Эти волны возбуждаются в весьма высоком диапазоне частот. Здесь определяющими являются токи смещения Iсм. Процесс передачи волн высшего порядка Е и Н связан с вихревым полем.
Волны Е и Н можно передавать по однопроводным НС, например, волноводам. Для этих волн необходима продольная составляющая поля Е или Н, которая задает направление движению энергии вдоль линии. Разность потенциалов создается между полюсами и стенками волновода. Поэтому по волноводу передаются очень короткие волны. Длина волн д.б. такой, чтобы в сечении волновода уложилось целое число полуволн (Рис. 4) или хотя бы одна полуволна.
Гибридные или смешанные волны (ЕН, НЕ) представляют собой нераздельную сумму волн Е и Н и содержит все шесть компонентов поля, в том числе обе продольные составляющие Еz и Нz. К числу смешанных волн относятся волны, передаваемые по световодам и диэлектрическим волноводам.
Смешанные волны разделяются на:
НЕ ¾ с преобладанием в поперечном сечении поля Н;
ЕН ¾ с преобладанием в поперечном сечении поля Е.
Наряду с делением на классы ЭМ волны делятся также по типам. Тип волны, или мода, определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов м минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами n и m.
Индекс n означает, например, в круглых волноводах число полных изменений поля по окружности волновода, а индекс m ¾ число изменений поля по диаметру.
3.3. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах
Потери энергии (затухание ) в направляющих системах. На потери энергии волн в направляющих системах оказывают влияние проводники и диэлектрики, встречающиеся на их пути. Это уменьшение передаваемой энергии оценивается затуханием сигнала через коэффициент
, (3.10) где
- коэффициент учитывающий потери части энергии, расходуемой на нагрев проводов при проникновении ЭМ поля внутрь проводника (за счет искажения линий электрического поля полем соседних проводников), а также потери вблизи лежащих проводниках в которых ЭМ поле вызывает вихревые токи;
- коэффициент, учитывающий диэлектрические потери (если диэлектрик не идеальный, например, как воздух);
- коэффициент учитывающий потери на излучение в свободное пространство.
Поверхностный эффект. В соответствии с выражением, полученным в предыдущей лекции, с ростом частоты переменного тока растет плотность тока у поверхности проводника. Неполное использование сечения проводника приводит к увеличению его сопротивления. Это и есть поверхностный эффект.
Эффект близости. Если проводники находятся достаточно близко, то в результате взаимодействия зарядов и токов этих проводников распределение полей меняется. В двухпроводных цепях переменное магнитное поле проводников вызывает перераспределение плотностей токов в этих проводниках по сечению. В симметричных и коаксиальных цепях эффект близости проявляется также как и поверхностный эффект, вызывая сосредоточение токов на поверхности проводников.
Сверхпроводимость. Ряд металлов (алюминий, цинк, титан, кадмий, ниобий, свинец, висмут и т.д.), а также многие сплавы при температурах близких к нулевым (2-10 К), переходят в сверхпроводящее состояние. Резко падает их сопротивления (более чем в 1011 раз), поверхностный эффект достигает предела: электромагнитное поле не проникает в глубь проводника, ток практически течет по его поверхности и проводник приближается к идеальному. В нем отсутствуют потери.
Эффект сверхпроводимости используют для конструирования кабелей с чрезвычайно малыми потерями в металле и диэлектриках. Сейчас созданы синтетические материалы, проводники и диэлектрики, которые проявляют сверхпроводимость или резкое снижение диэлектрических свойств при температурах лишь на несколько десятков градусов ниже нуля по шкале Цельсия.
Электромагнитное экранирование. В технике передачи электрических сигналов очень важно избежать взаимных влияний между соседними цепями, а также влияние внешних электромагнитных полей, создающих помехи и опасные напряжения. Действенной мерой защитой от влияния переменных электромагнитных полей является электромагнитное экранирование. Оно основано на том, что проникая из диэлектрика в металл, сильно затухает, распространяясь в металле. Экранирующее действие тем сильнее, чем толще экран, чем больше магнитная проницаемость и меньше удельное сопротивление металла, а также частота изменения поля. С удалением экрана от экранируемых цепей эффект экранирования возрастает. Одновременно уменьшаются потери в экране на вихревые токи, т.е. снижается затухание в цепи. Однако увеличение диаметров экранов в кабелях экономически невыгодны, так как приводит к увеличению поперечного сечения кабеля и дополнительному расходу материала.
3.4. Способы расчета направляющих систем
В зависимости от диапазона используемых частот, конструкции направляющей системы, вдоль которой распространяется электромагнитная энергия, можно условно выделить два различных способа расчета: с использованием уравнений поля и уравнений теории цепей.
Хотя способ основанный на использовании уравнений поля является универсальным из-за сложности в явном виде его используют для расчета электромагнитных процессов в области достаточно высоких частот, когда в первом уравнении системы ( ) необходимо учитывать слагаемое 
, характеризующее изменение магнитного поля тока смещения в пространстве. Например, при расчете металлических волноводов (учитывают токи смещения и проводимости) и диэлектрических волноводов (учитывают только токи смещения).
Инженерный расчет с применением уравнений теории цепей более простой по сравнению с прямым решением уравнений Максвелла. Электромагнитное поле в уравнениях линии не фигурирует явно. В место него для каждого поперечного сечения линии передачи в каждый момент времени 
определяют две величины - напряжение 
и ток 
. При этом каждый однородный участок цепи характеризуется четырьмя параметрами: активным сопротивлением 
, индуктивностью 
, ёмкостью 
, и проводимостью изоляции 
, численные значения которых зависят от конфигурации электромагнитного поля, связанного с данной направляющей цепью.
Уравнения теории цепей используют также при расчетах взаимных влияний между цепями и при расчетах воздействий внешних магнитных полей от высоковольтных линий электропередачи на цепи телемеханики и связи.
Однако прежде чем пользоваться методами расчета теории цепей необходимо получить значения параметров входящих в эти уравнения. Для этого также эффективно используют уравнения поля.
4. Параметры передачи цепей воздушных и кабельных линий
4.1. Первичные параметры цепи
Первичными параметрами цепи называются индуктивность, активное сопротивление проводов цепи, емкость между проводами цепи, а также проводимость изоляции между проводами, отнесённые к единице длины линии (километру) и равномерно распределённые по всей длине линии.
Индуктивность проводов L (Гн/км) характеризует способность цепи накапливать энергию в магнитном поле 
, а также определяет связь между током в проводах цепи и сцепленным с ним магнитным потоком: 
.
Емкость C (Ф/км) характеризует способность цепи накапливать энергию в электрическом поле 
, а также определяет связь зарядов в проводах с напряжением между ними: 
.
Сопротивление проводов R (Ом/км) характеризует потерю энергии на тепло в проводах 
и активное падение напряжения на них 
.
Проводимость изоляции G (См/км) величина обратная сопротивлению изоляции, определяет потери энергии 
в диэлектрике, окружающем провода и характеризует ток утечки линии 
.
Эти параметры, являясь достаточно простыми по смыслу, трудно поддаются точному расчету, так как являются распределенными и зависят от множества факторов. Поэтому точный расчет обычно проводят путем решения дифференциальных волновых уравнений в частных производных при существенных ограничениях. Например, полагают при расчете сопротивления проводов, что проводник является абсолютно уединенным и поверхностным эффектом либо пренебрегают, либо полагают его очень сильным (ток течет только по поверхности проводника). Затем в результаты расчетов вносят коррекцию на основе реальных измерений. Такой процесс расчета весьма сложен и не годится для инженерных расчетов. Поэтому в процессе реальных расчетов очень часто используют номограммы, графики и полуэмпирические формулы, полученные заранее.
4.2. Первичные параметры цепей воздушных линий
Определяя первичные параметры двухпроводной цепи, их также относят к 1 км цепи, а цепь считают уединенной. Для двухпроводной цепи с однородными проводами при постоянном токе сопротивление проводов 
равно:
, (4.1)
где 
- удельное сопротивление материала провода, Ом мм2/м;
l - длина провода, м;
S - сечение провода, мм2.
Для 1 км двухпроводной линии с однородным проводом круглого сечения имеем:
, Ом/км. (4.2)
В справочниках значение обычно приводят для температуры 
. Для больших значений температуры сопротивление 
может быть определено по формуле:
, Ом/км (4.3)
где 
- температурный коэффициент материала провода (приводится в справочной литературе);
t - температура при которой определяется сопротивление, 
;
Сопротивление однородных однопроволочных круглых проводов переменному току с учетом поверхностного эффекта в них
, Ом/км. (4.4)
В этом выражении 
- коэффициент, определяемый по таблицам или графикам, где 
(из лекции 2 известно, что 
следовательно 
, 
- радиус поперечного сечения провода).
Рис. 1. График зависимости и 
x - характеризует степень поверхностного эффекта, т.е. глубину проникновения в металл ЭМ волны.
При 
, расчет ведут по формуле 
.
Чтобы оценить характер зависимости 
на рис 2 приведен ход таких зависимостей для некоторых типов проводов.
Рис.2. Зависимость сопротивления кабеля от частоты R(f)
Индуктивность двухпроводной цепи с однородными круглыми проводами определяется по формуле:
, Гн/км, (4.5)
где а - расстояние между осями проводов, м;
d - диаметр провода, м;
- магнитная проницаемость материала проводника;
Q(x) - коэффициент, характеризующий влияние поверхностного эффекта на индуктивность (см. рис. 1 ). При x>10 расчет можно вести по формуле 
.
Для воздушных цепей телемеханики и связи обычно 
м, 
м, что позволяет несколько упростить формулу (4.5)
, Гн/м. (4.6)
В формулах (4.5) и (4.6) первое слагаемое есть внешняя индуктивность, определяемая отношением магнитного потока, окружающего провод, к току в последнем. Для двух проводных воздушных цепей она составляет 
мкГн/км. Второе слагаемое - внутренняя индуктивность, связанная с магнитным потоком, замыкающимся внутри провода. Вследствие поверхностного эффекта переменный ток течет лишь по наружному слою проводника, имеющему форму трубки. Внутри «трубки» магнитные поля токов, текущих по ее диаметрально противоположным стенкам взаимно компенсируются. С ростом частоты толщина стенок «трубки» уменьшается, причем уменьшается и внутренний магнитный поток, а следовательно и внутренняя индуктивность. В результате индуктивность цепи с ростом частоты уменьшается, стремясь к пределу, равному значению внешней индуктивности 
(см. рис. 3 )
Рис. 3. Зависимость индуктивности индуктивности L кабеля от частоты f
Выражение для емкости двухпроводной цепи имеет вид:
, Ф/км. (4.7)
Для воздушной линии относительная диэлектрическая проницаемость 
, 
и для учета влияния изоляторов, соседних проводов и земли вводится коэффициент 1.05. Тогда
, Ф/км. (4.8)
Ввиду того, что диэлектрическое поле уединенного провода круглого сечения не зависит от глубины расположения зарядов в нем, поверхностный эффект не оказывает влияние на емкость и, следовательно, значение емкости не зависит от частоты.
Проводимость изоляции между проводами воздушной цепи зависит от:
- степени загрязненности изоляторов;
- влажности изоляторов;
- наличия и глубины трещин в их глазури, и т.п.
Эти факторы трудно учесть аналитически и поэтому проводимость изоляции определяют по эмпирической формуле:
, См/км, См/км, (4.9)
где 
- проводимость изоляции при постоянном токе, См;
- частота, Гц;
n - коэффициент , учитывающий повышение проводимости изоляции с ростом частоты, эквивалентное увеличению потерь в изоляции, См/(Гц км). Он пропорционален емкости цепи и тангенсу угла потерь изоляции.
Отложения гололеда и изморози на проводах приводит к увеличению С - ёмкости и проводимости изоляции цепи G, т.к. вода имеет большую диэлектрическую проницаемость и высокий коэффициент диэлектрических потерь.
|
Погода |
G0,См/км |
n, См/(км Гц) |
| Сухая Сырая Гололед |
0.001*10-6 0.05*10-6 |
0.05*10-9 0.25*10-9 0.75*10-9 |
4.3. Первичные параметры цепей симметричных кабелей
Отличия первичных параметров цепей симметричных кабелей определяются конструктивными отличиями от воздушных линий. Т.к. расстояние между прямой и обратной жилами кабельной пары соизмеримо с радиусом жилы и с расстоянием до соседних пар, экранов и металлической оболочки кабеля и все они вносят изменения в структуру ЭМ поля пары, то при определении параметров необходимо учесть эффект близости и влияние металлических масс.
Весь пучок жил в кабеле (т.е. в сердечнике кабеля) для придания ему гибкости скручивается, вследствие чего длина жил превышает длину кабеля. Это удлинение учитывается с помощью коэффициента скрутки (или спиральности) 
, значение которого зависит от диаметра повива.
| Диаметр повива, мм | до 30 | 30 - 40 | 40 - 50 | 50 - 60 | 60 - 70 | 70 - 80 |
| Коэффициент |
1.010 | 1.016 | 1.025 | 1.037 | 1.050 | 1.070 |
Сопротивление постоянному току кабельной пары равно:
, Ом/км. (4.10)
Сопротивление кабельной пары при переменном токе
, Ом/км, (4.11)
где 
и 
учитывают увеличение сопротивления за счет
эффекта близости. и обычно определяются по графику (Рис 4 ).
p - характеризует эффект близости с соседними жилами в элементарной группе.
- при парной скрутке;
- при звездной скрутке;
- при двойной парной скрутке.
- дополнительное сопротивление за счет потерь энергии на вихревые токи в жилах соседних четверок и в металлической оболочке кабеля .
Рис.4. Зависимости G(x) H(x), учитывающие эффект близости
Индуктивность двухпроводной кабельной цепи:
, Гн/км. (4.12)
Ёмкость кабельной цепи с учётом влияния соседних жил и оболочки на электрическое поле называется рабочей и определяется как:
, Ф/км, (4.13)
где 
- результирующая диэлектрическая проницаемость изоляции;
- коэффициент, приближенно учитывающий увеличение ёмкости за счет близко расположенных соседних жил оболочки или экрана.
Проводимость изоляции кабелей обычно во много раз меньше, чем у воздушных линий и равна:
, См/км, (4.14)
где С - емкость цепи, Ф/км;
- результирующий тангенс угла потерь комбинированной изоляции.
4.4. Первичные параметры коаксиальных кабелей
Коаксиальные кабели используются при передаче на частотах 60кГц
25мГц, т.е. в условиях сильного поверхностного эффекта. Ток при этом течет по очень тонкому поверхностному слою проводника: наружному у внутреннего проводника и внутреннему у наружного. ЭМ поле сконцентрировано только внутри коаксиальной пары, поэтому в расчетах параметров этих кабелей эффект близости соседних цепей и общей оболочки кабеля не учитывается.
Сопротивление коаксиальной пары переменному току записывают в виде суммы внутреннего и наружного проводников:
, (4.15)
где d - наружный диаметр внутреннего проводника, м;
D - внутренний диаметр наружного проводника, м;
- удельное сопротивление проводников, Ом мм2/м;
- относительная магнитная проницаемость проводника,
если оба проводника медные, то 
,
.
В СИ 
, Ом/км. (4.16)
Внутренняя индуктивность коаксиальных кабелей вследствие сильного поверхностного эффекта пренебрежимо мала. Поэтому 
коаксиального можно считать равной внешней, т.е.
, Гц/км. (4.17)
Она определяется магнитным потоком, заключенным в пространстве между внутренним и внешним проводниками, создаваемым током всего одного внутреннего проводника, и имеет поэтому меньший численный коэффициент, чем у симметричных цепей.
Ёмкость рассчитывается по формуле емкости цилиндрического конденсатора:
, Ф/км. (4.18)
Формула для расчета проводимости изоляции аналогична ранее рассмотренной формуле для симметричных кабельных линий:
, См/км.
В формулах и находят по таблицам либо графически.
5. Оптимальное соотношение между первичными параметрами кабельных цепей
5.1. Уравнение однородной линии
При определённых условиях первичные параметры полностью характеризуют электрические свойства линейных цепей связи. Однако в отличии от сосредоточенных параметров они распределены по всей длине линии.
Рассмотрим однородную цепь связи с первичными параметрами: R, L, C, и G.
Рис.1
В начале цепи имеется генератор с сопротивлением 
, в конце - нагрузка 
. Соответственно 
- напряжение и ток в начале цепи; 
- напряжение и ток в конце цепи.
Выделим на расстоянии x от начала цепи бесконечно малый участок dx. Обозначим ток, протекающий по элементу цепи dx, через I и напряжение между проводами через U. Тогда падение напряжения на участке dx будет равно:
. (5.1)
Утечка тока на участке:
(5.2).
Продифференцируем первое уравнение
(5.3).
Подставив (2) в (3) получим:
(5.4).
Обозначив 
, получим:
. (5.5)
Как известно, решение данного уравнения имеет вид:
. (5.6)
Продифференцировав (6) и подставив результат вместо правой части выражения (1) получим:
. (5.7)
Обозначив 
, получим в окончательном виде:
.
Таким образом имеем систему уравнений из двух неизвестных:
(5.8)
Для нахождения A и B воспользуемся значениями тока и напряжения в начале цепи (при x=0) 
и 
. Тогда уравнения примут вид:
.
Отсюда
; 
. (5.9)
Подставив значения A и B в (8) получим:
. (5.10)
Произведя соответствующие преобразования, имея в виду, что 
и 
, получим значения 
и 
в любой точке цепи x:
. (5.11)
Эти уравнения справедливы при любых нагрузках на концах цепи, однако, передача сигналов с наименьшими потерями достигается при согласованных нагрузках, т.е. 
. При этом уравнения преобразуются к виду:
. (5.12)
5.2. Вторичные параметры цепи
Из приведённых выше формул следует, что распространение энергии по линии, ток и напряжение в любой точке цепи обусловлены в первую очередь параметрами 
и 
.
Сравним выражение (5.12) с выражением (2.13) в лекции 2. По аналогии с (2.13) физический смысл (5.12) плоская волна бегущая по направлению к концу линии. В таком случае здесь также коэффициент распространения, состоящий из действительной и мнимой части, имеющих аналогичный физический смысл. Выше нами определена зависимость характеристического сопротивления от параметров линии
(5.13)
где 
- коэффициент затухания;
β - коэффициент фазы.
Уравнения для токов и напряжений можно представить в следующем виде:
. (5.14)
Модуль этого выражения 
характеризует уменьшение абсолютного значения тока или напряжения при прохождении по линии длиной l. Угол 
характеризует изменение угла фазового набега на этом же участке линии длиной l.
Расчетные формулы для и 
через первичные параметры нетрудно получить из (5.13):
(5.15)
(5.16)
(Выражение (5.16) получаем возведя в квадрат обе половины выражения (5.13) и прировняв действительные части).
Сумма выражений (5.15) и (5.16) даёт выражение для , разность - для :
(5.17);
(5.18).
Следует обратить внимание на размерность (Нп/км; 1Нп=8.686дБ) и (рад/км; 1рад=57.30). (Непер - единица при натуральном логарифме отношения. дБ - десятичный логарифм отношения)
Выражение для также было введено ранее:
. (5.19))
Проанализируем его размерность
. Так как определяется распределёнными параметрами R,G,L и C, то по аналогии с (3.) его следует считать характеристическим (волновым) сопротивлением линии. Действительно для идеальной линии где 
выражение для будет совпадать с выражением для характеристического сопротивления контура 
.
В общем случае характеристическое (волновое) сопротивление является также комплексной величиной и может быть представлено в виде: 
.
Оба характеристическое сопротивление и коэффициент распространения широко используются для оценки эксплуатационно-технических качеств линий связи и называются вторичными параметрами линии.
5.3. Оптимальное соотношение параметров кабельных линий
Как видно вторичные параметры линии существенным образом зависят от частоты сигнала.
1. При постоянном токе: 
; 
; 
; 
.
2. В диапазоне относительно низких (тональных) частот:
, 
.
и - рассчитываются по полным формулам;
, где 
; 
.
3. В диапазоне средних частот вторичные параметры рассчитываются по полным формулам.
4. В диапазоне высоких частот:
, 
.
, 
.
Определим аналитическое выражение для коэффициента затухания для чего преобразуем выражение (5.13) следующим образом(нетрудно убедится, что простая подстановка 
в (5.17) результата не даёт):
, (5.20)
. (5.21)
Так как оба выражения (16) и (17) равноценны, то
. (5.22)
Очевидно действительная часть выражения (5.22) и есть коэффициент затухания. При этом
. (5.23)
Подставив в (5.23) выражение для волнового сопротивления на высоких частотах окончательно получим:
. (5.24)
Причем первый член суммы определяет затухание за счет потерь в проводнике, а второй в диэлектрике.
Одной из актуальных проблем кабельной техники является увеличение дальности связи без дополнительного расхода цветных металлов. Особенно это актуально для протяженных линий и высоких частот передачи. С этой целью идет постоянное совершенствование аппаратуры связи и электрических свойств кабелей связи. Прежде всего для этого необходимо уменьшить коэффициент затухания . Как видим затухание может быть снижено уменьшением R и G, но это крайне затруднительно, т.к. значения этих величин регламентированы допустимым расходом меди (диаметром жилы) и качеством диэлектрика. Уменьшение ёмкости С связано с необходимостью увеличения расстояния между жилами кабеля, т.е. увеличения его габаритов, что также не целесообразно. Остается возможность увеличения индуктивности L. Минимальное значение достигается при таком L, при котором достигается равенство 
. Отсюда
. (5.25)
В кабелях существующих типов R и C превосходят L и G (RC>>LG). Поэтому увеличение индуктивности приводит к уменьшению затухания , но до некоторых частот. С возрастанием частоты увеличивается проводимость изоляции и на определенной частоте наступает равенство 
без искусственного повышения L. Для симметричных кабелей связи эта частота лежит в пределах 
кГц.
5.4. Способы увеличения индуктивности кабельных линий
Увеличить индуктивность кабельных цепей и соответственно снизить их затухание можно следующими спосбами:
- пупенизацией кабеля;
- крарупизацией кабеля;
- биметаллизацией кабеля;
- использованием магнитодиэлектрика.
Крарупизация состоит в навивке на токопроводящую жилу тонкой проволоки или ленты из стали, пермаллоя или другого сплава с большой магнитной проницаемостью.
Биметаллизация состоит в том, что на токопроводящую жилу электролитическим путём наносится тонкий слой железа (
мкм).
В обеих случаях благодаря этому вокруг медной жилы образуется магнитопроводящая среда увеличивающая магнитный поток и соответственно индуктивность кабельной цепи.
Такого же эффекта можно достигнуть, если использовать в качестве слоя диэлектрики, обладающие большой магнитной проницаемостью. В этом случае достигается двойной эффект: изоляция жилы кабеля и увеличения его индуктивности.
Однако наибольшее распространение получил способ пупинезации кабельных цепей. Он состоит в том, что для увеличения индуктивности в кабель через определённые расстояния (шаг пупенизации) включают катушки индуктивности, называемые в честь автора их предложившего (Пупина - американский инженер) пупиновскими. В существующих системах пупенизации кабелей дальней связи: шаг пупенизации 
км, а индуктивность катушек 
мГн.
Звеном пупенизации называют участок линии протяженностью в один шаг S и с одной катушкой, обладающей индуктивностью 
. Пупиновская катушка представляет собой замкнутый сердечник из ферромагнитного материала круглого или овального сечения с обмотками из медной изолированной проволоки (см. Рис. ). Катушка помещается в металлический чехол, служащий ЭМ экраном и защитой от механических повреждений.
Недостаток: пупенизированная линия пропускает с малым затуханием только нижние частоты попадающие в «полосу прзрачности» и задерживает высокие частоты, т.е. ведёт себя как фильтр низких частот.
6. Физические процессы в линия связи на оптических волокнах
6.1. Волновая и лучевая трактовки световых процессов
В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью оптические кабели имеют совершенно другой механизм передачи энергии, а именно посредствам токов смещения как и в радиоканалах. Отличие от радиоканалов состоит в том, что волна распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передаётся по нему в заданном направлении.
Как известно, однако, свет имеет двойственную природу: волновую и лучевую (корпускулярную). Волновая теория света обосновывает, что все свойства света совпадают со свойствами электромагнитных колебаний очень высокой частоты (1014...1015 Гц). Волны подразделяются на классы и типы (рассмотрены в лекции № 3). Тип волны (мода) определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами n и m (
и 
). Индекс n обозначает число полных изменений поля по окружности световода, индекс m - число изменений поля по диаметру (см. рис. 1).
По корпускулярной теории свет - это поток быстро движущихся мелких частиц (корпускул), которые излучаются отдельными порциями (квантами) и образуют луч света.
Таким образом, теория света является синтезом волновых и лучевых его свойств. На рис 2 показана одномодовая и многомодовая схемы передачи. Одномодовой передачи соответствует один луч, а многомодовой - в данном примере три луча.
Передача волны по световоду осуществляется за счёт её отражения от границ сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления (
и 
, причем 
, см. рис.3), т.е. передача происходит волноводным методом.
Рис.3
В волновой трактовке процесс передачи световых сигналов рассматривается как разновидность распространения ЭМ волн. Математические решения получают из электродинамических решений уравнений Максвелла. Решение этих уравнений приводит к цилиндрическим функциям Бесселя 
для сердцевины и Ганкеля 
для оболочки. Эти решения являются наиболее точными, т.к. учитывают модовый состав пропускаемого излучения, Основной вывод который следует из результатов решения: в световодах могут существовать моды соответствующие только целым значениям числовых индексов n и m. Для инженерных расчетов использование решений на основе уравнений Максвелла затруднительно в виду сложности.
6.2. Апертура волоконного световода
Более подходящей в этом смысле является лучевая теория. По законам геометрической оптики на границе сердечник оболочка в общем случае присутствуют падающая волна под углом 
, отраженная 
и преломленная - 
(см. рис. 4,б).
Рис. 4
Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т.е. при волна при определённом угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рис. 4, а). Угол падения , начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, (т.е. 
), называется углом полного внутреннего отражения:
, где (6.1)
, 
и 
- соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость сердечника и оболочки. (Исходим из общей формулы:
, очевидно при 
получим соотношение (6.1))
Апертура волоконного световода - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 5).
Рис. 5
Кроме этого часто используют понятие числовой апертуры (NA), которую определяют по формуле
,
где n0, n1 n2 - показатели преломления наружной среды, сердцевины и оболочки. (если наружная среда - воздух n0=1).
6.3. Типы волоконных световодов
Оптические волокна классифицируются на две группы: одномодовые и многомодовые, причем последние подразделяются на ступенчатые и градиентные.
В одномодовых оптических волокнах диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны, и по нему передается всего один луч - тип волны (мода). В многомодовых оптических волокнах диаметр сердцевины больше, чем длина волны, и по нему распространяется большое число лучей (мод). Практически у одномодовых волокон диаметр сердцевины составляет 
мкм, а у многомодового - 50мкм.
Как видно из рис.6:а,б,в ход лучей у различных оптических волокон различен.
Рис. 6
В ступенчатом многомодовом волокне (а) лучи резко отражаются от от границы сердцевина - оболочка. Причем пути следования различных лучей различны и потому они приходят к концу линии со сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).
В градиентном многомодовом волокне лучи распространяются по волнообразным траекториям и потому они с меньшим разбросом приходит к концу линии.
Наилучшими характеристиками в этом смысле обладает одномодовое волокно, т.к. здесь распространяется всего один луч.
Характер распространения лучей в многомодовом волокне определяется характером изменения коэффициента преломления по сечению волокна. В варианте (а) он резкий (ступенчатый). В варианте (б) плавный, например, по параболическому закону.
6.4. Критическая частота и длина волны волоконного световода
При фиксированном диаметре d световода и различных длинах волн 
характеристикой условий распространения излучения может быть некоторый угол 
, связанный соотношением:
. (6.2)
Как видно из рис.7, чем ближе длина волны к диаметру световода, тем меньше продольная составляющая распространения волны. Предельный случай 
. В соответствии с лучевой теорией при этом вдоль световода нет передачи энергии.
Рис. 7
Имея в виду, что 
и предполагая, что выполняется условие полного внутреннего отражения, т.е. 
можно записать
. (6.3)
Прировняв правые части выражений (6.2) и (6.3) для косинусов получим:
. (6.4)
Критическая длина волны волоконного световода, в таком случае
. (6.5)
Соответственно критическая частота
, (6.6)
где 
- скорость распространения волны в сердечнике световода (сорость света).
Анализируя полученные соотношения, отметим, что чем толще сердечник световода и чем больше различаются и , тем больше критическая длина волны и соответственно ниже критическая частота. (Следует иметь в виду, что соотношения (6.5) и (6.6) получены из упрощенных выражений геометрической оптики и не учитывают возможность передачи по световоду большого числа различных типов волн. Более строгое решение может быть получено только на основе уравнений электродинамики.)
Ещё одной характеристикой световодов служит, так называемая, нормированная частота
, (6.7)
которая является обобщенной характеристикой световода.
Выбирая параметры световода таким образом, чтобы передаваемая частота была близка к критической, можно реализовать одномодовый режим распространения волны 
. Относительно нормированной частоты это условие может быть реализовано при V<2.405.
С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод резко возрастает. Число мод может быть приближенно определено как 
.
Достоинство одномодовой передачи является широкая полоса передаваемых частот (несколько гигагерц). С увеличением числа мод полоса передаваемых частот сужается. Однако одномодовый режим требует применение когерентных источников излучения (лазеров). Для многомодовых систем можно использовать простейшие источники излучения - светодиоды.
6.5. Затухание сигнала в волоконных световодах
Важнейшим параметром волоконного световода являются затухание. Затухание в волоконых световодах обусловлено потерями поглощения 
, рассеяния 
, и дополнительными кабельными потерями 
:
. (6.8)
Затухание в результате поглощения 
связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала световода (
) и определяется по формуле (размерность Нп/км)
, (6.9)
- показатель преломления сердцевины;
- длина волны;
- тангенс угла диэлектрических потерь.
Потери рассеяния обусловлены неоднородностью материала волоконного световода и тепловой флюктуацией показателя преломления. В природе различают два механизма рассеяния Ми - рассеяние на неоднородностях значительно превышающих длину волны излучения и релеевское рассеяние - на неоднородностя соизмеримых с длиной волны излучения. В световдах основным является релеевское рассеяние, потери за счет которого определяются по формуле
, (6.10)
где 
- коэффициент рассеяния, для кварца равный 0.8 (мкм4дБ/км).
Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь присущих волоконным световодам.
Реальные световоды на основе кварцевого стекла имеют ярко выраженую волновую зависимость потерь. Наименьшие потери соответствуют диапазонам волн 0.83мкм, 1.3мкм и 1.5мкм, которые получили названия окон прозрачности. Потери в окнах прозрачности ориентировочно составляют: 0.83мкм - 3 дБ/км; 1.3мкм - 1дБ/км; 1.5мкм - 0.3дБ/км.
Дополнительные кабельные потери обусловлены прежде всего причинами, связанными с технологией производства и эксплуатации волокна. Потери растут за счет скрутки, изгиба, отклонения от прямолинейности, из-за термомеханических воздействий при наложении оболочек и покрытий и др. факторами. Установлено, что дополнительные кабельные потери могут привести к увеличению затухания в два три раза.
Эффективное использование оптического волокна на основе кварцевого стекла ограничивается диапазоном 1.5мкм. Для более длинных волн кварц становится не прозрачным т.к. резко возрастают потери на поглощение. Поэтому для этого диапазона волн необходимо использовать новые материалы. Перспективными считаются фториды, галоиды и халькогениды. Например, в дальнем ИК диапазоне (10.6мкм) использование халькогенидов позволит достичь затухания порядка 
дБ/км, что даст возможность отказаться от ретрансляционных пунктов для линий практически любой длины в земных измерениях.
7. Физические процессы в линиях связи на оптических волокнах
7.1. Дисперсия и пропускная способность световодов
Наряду с затуханием 
важнейшим параметром волоконно-оптических систем переедачи является полоса частот 
, пропускаемая световодом . Она определяет объём информации, который можно передавать по оптическому кабелю. Ограничение применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что принятый импульс размывается. Это искажение прежде всего объясняется различной скоростью распространения в световоде отдельных составляющих светового импульса. Данное явление носит название дисперсии 
. Полоса частот связана с дисперсией соотношением 
. (1)
Дисперсия возникает из-за:
- Некогерентности источника излучения; (Когерентность бывает временная и пространственная- проясняю: генерируется несколько различных типов волн и волн разных частот)
- Сушествования большого количества мод излучения.
Дисперсия вызванная первой причиной называется хроматической (частотной) 
, она состоит из двух составляющих - волноводной (внутримодовой) 
и материальной 
. Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.
Дисперсия вызванная второй причиной, называется модовой (или межмодовой) 
дисперсией. Она обусловлена наличием различных мод, каждая из которых распространяется по своему пути, и следовательно, с различной скоростью.
Дисперсия приводит к уширению импульсов, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечении световода. Результирующая дисперсия рассчитывается по формуле
. (2)
Различные виды дисперсии проявляются по разному в различных видах волоконных световодов.
В ступенчатых многомодовых волоконных световодах 
, поэтому уширение импульса практически определяется модовой дисперсией.
, (3)
где n1 - показатель преломления сердцевины;
с - скорость света;
NA - апертура ОВ, равная обычно 0.14.
В реальных волоконных световодах этого типа 
нс/км.
Градиентные многомодовые оптические волокна с параболическим профилем показателя преломления по сечению сердцевины имеют:
- модовую дисперсию (имеет порядок 
50пс/км)
;(4)
- материальную дисперсию
,(5)
где 
- ширина спектра излучения источника;
- удельная дисперсия материала.
На Рис. 1 представлена удельная дисперсия для кварцевого стекла.
Рис.1. Зависимость М(
) для кварцевого стекла
Модовая и материальная дисперсия для градиентного многомодового волокна имеют один порядок и потому результирующая дисперсия будет
. (6)
Сравнение модовой дисперсии ступенчатого волокна и градиентного показывает, что в любом случае результирующая дисперсия градиентного волокна во много раз меньше, чем ступенчатого.
В одномодовых оптических волокнах модовая дисперсия отсутствует и её результирующее значение определяется только хроматической дисперсией. В диапазоне длин волн 1.33 - 1.6 мкм хроматическая дисперсия достигает очень небольших значений 
.
Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими характеристиками обладают одномодовые световоды. Хорошими показателями обладают градиентные световоды с параболическим изменением показателя преломления. Наиболее сильно проявляется дисперсия у многомодовых ступенчатых световодов.
Таким образом полоса пропускания для оптических кабелей с лазерными источниками составляет:
- для ступенчатых световодов - 30 МГц/км;
- для градиентных световодов - 100
250 МГц/км; - для одномодовых световодов - 0.51ГГц.
Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны:
. (7)
Однако, для световодов с хорошими дисперсионными характеристиками (градиентных и одномодовых)дальность может ограничиваться затуханием.
7.2. Особенности передачи импульсных сигналов по оптическим кабелям
Когерентность источников излучения, используемых в системах передачи информации по оптическим кабелям, относительно невысока, так как, их спектр значительно щире спектра информационных сигналов. Полупроводниковый лазер - 
Гц; светоизлучающий диод - 
. Спектр информационных импульсных сигналов - 
Гц. Следовательно АЧХ световода в рабочем диапазоне частот можно считать с высокой точностью постоянной. Однако наличие дисперсионных искажений приводит к изменению формы импульса, который уширяется на величину 
и принимает форму при достаточно большой длине регенерационного участка форму, близкую к гауссовой.
Принципиальная особенность оптического диапазона состоит в том, что наличие шумов в этом диапазоне не может быть меньше уровня определенного дробовыми шумами. Дробовые шумы или квантовые шумы объясняются дискретной природой света, а именно, случайным характером регистрации моментов прихода квантов. (Напоминает результат падения дроби на поднос). Таким образом чем больше мощность сигнала, тем больше уровень шума, т.е. в отличие от радиодиапазона отношение сигнал/шум состоит не в прямо-пропорциональной зависимости. В силу последнего передача сигналов по оптиковолоконным каналам в аналоговом виде (решается задача идентификации) с высоким качеством задача затруднительная.(Возможно только при очень сильном сигнале) Однако при передаче цифровых сигналов, где решается задача обнаружения, влияние дробовых шумов уже не столь существеено и поэтому в реальных системах в основном применяются цифровые системы.
7.3. Определение длины регенерационных участков цифровых систем передачи
По мере распространения оптического сигнала по линии происходит снижение уровня мощности и увеличения дисперсии его составляющих во времени. Таким образом, длина регенерационного участка 
ограничивается либо ослаблением, либо уширением импульсов в линии.
Первое расчетное соотношение можно получить, если потребовать превышение мощности полезного сигнала минимальной допустимой мощности 
при которой обеспечивается необходимая достоверность передачи сигнала. Т. е.
, (8)
где 
- уровень мощности генератора излучения (дБ);
- потери при вводе и выводе лазерного излучения в волокно (дБ);
- потери соответственно в разъёмных и неразъёмных соединениях (дБ);
- коэффициент затухания оптического волокна (дБ/км);
- строительная длина волоконно-оптического кабеля.
Соотношение (8) позволяет вычислить длину регенерационного участка при условии обеспечения допустимого ослабления
. (9)
Для безискаженного приема ИКМ в условиях дисперсии достаточно выполнить требование
, (10)
где 
- тактовая частота линейного сигнала;
- длительность импульса.
Отсюда длина регенерационного участка
. (11)
Длина регенерационного участка выбирается из условия одновременного выполнения соотношений (61.9) и (61.11). При этом может оказаться, что одно из этих неравенств выполняется с запасом. Тогда возможно ослабление требований на аппаратуру или кабель соответственно по одному или другому параметрам, что возможно удешевит тем самым систему связи.
Предельные значения потерь лучших образцов оптического кабеля, выпускаемых промышленностью:
- неразьёмные соединения - 0.1...0.2 дБ;
- разъёмные соединения - 1...2 дБ;
- потери при выводе излучения из волокна - 2...3 дБ;
- потери при вводе света в волокно - 14..18 дБ (светодиоды);
- потери при вводе света в волокно - 5..10 дБ (лазерные диоды).
7.4. Типы и маркировка оптических кабелей
Российские предприятия освоили и серийно выпускают следующие оптические кабели:
станционные кабели:
ОН;
городские оптические кабели:
ОК - работающие в первом оптическом окне (ОП);
ОКК - работающие во втором оптическом окне;
сельские оптические кабели:
ОКСТС - работающие во втором ОП;
зоновые оптические кабели:
ОЗКГ и ОКЗ для работы во втором ОП;
магистральные оптические кабели:
ОГВКГ - работающие во втором ОП;
ОКЛ - работающие в третьем ОП;
Все линейные кабели выпускают строительной длиной - 2км. Все станционные - 100 м.
Дополнительные буквы в названии:
О - наличие металлической оплетки или полиэтиленовой защитной оболочки;
С - наличие броневого повива из стеклопластиковых стержней;
АК - алюминиевая сварная оболочка и броневой повив из *стальных проволок.
Две первые цифры - диаметр сердечника (50 мкм - многомодовое; 10 мкм - одномодовое волокно).
Последующие две цифры - номер модификации кабеля.
Индексные буквы в обозначении кабеля:
т - трос;
м - морозостойкий.
Пример: ОКСТСПтм 50-02; ОККАК-50-01.
Однако выпускаются кабели с отличиями в маркировке:
для зоновых цепей:
ОЗКГ-1 - 4-ех и 8 - и волоконный;
ОКЗК-1; ОКЗБ-1; ит.д.
для магистральных цепей:
ОКЛ-1; ОКЛБ-1; ОКЛАК-6 и др.
самонесущие кабели:
ОКС-3; ОКС-7; ОКС-9 и др.
Оптические кабели зарубежного производства.
Фирмы выпускающие оптические кабели за рубежом не имеют единой маркировки. Каждая фирма даже в пределах одной страны маркирует ОК по своему.
Ведущие фирмы выпускающие ОК:
ATT, General Cable Company (США);
NOKIA (Финляндия);
HOUMA (Китай);
Cables de communicaciones SA (Испания);
SAMSUNG (Южная Корея);
SEL (Германия);
SET, Les ceble de Lyon (Франция);
Dlex Cables (Австралия);
NTT (Япония);
VOLROLL ISOLA (Швеция)
SIMENS (Германия) и другие.
8. Высоковольтно-сигнальные линии авто блокировки
8.1. Назначение высоковольтно-сигнальных линий, их особенности
Высоковольтная цепь (ВВ) предназначена для энергоснабжения устройств автоматической блокировки на перегонах и других устройств автоматики и телемеханики на тех станциях, которые не имеют источников энергии. В некоторых случаях эта ВВ цепь используется также и для энергоснабжения других линейных потребителей энергии.
Сигнальные провода обеспечивают взаимодействие устройств автоматики и телемеханики, расположенных в разных пунктах вдоль железной дороги.
ВВ цепи автоблокировки, как правило, не имеют разветвлений. По всей их длине через 1 - 2,5 км подключаются устройства, потребляющие (в большинстве своем) мощности по 1,5 кВА - 5 кВА. С точки зрения электроснабжения автоблокировку и другие устройства автоматики и телемеханики относят к наиболее ответственной, 1-ой группе потребителей, т.к. перерыв в подаче энергии к ним вызывает нарушение графика движения поездов. Поэтому осуществляется резервирование на всех уровнях.
Электроснабжение автоблокировки должно быть организовано так, чтобы её действие не прерывалось при большинстве повреждений или ремонте ВВ линии.
Устойчивость работы всех устройств автоматики и телемеханики должна обеспечиваться также ограничением допустимых пределов изменения напряжения в ВВ цепи по её длине и во времени, а также пределов отклонения частоты тока от установленной.
ВВ цепь должна оказывать возможно меньшие и опасные влияния на соседние линии связи. На участках с электротягой переменного тока ВВ цепь и сигнальные провода должны быть в свою очередь защищены от влияния тяговой сети.
Типы ВВСЛАБ, как правило, строятся воздушными. Они делятся на типы, различающиеся длиной пролёта, диаметром опор и другими данными, определяющими прочность линии. Однако, учитывая большую важность ВВСЛАБ и наличие на ней высоковольтной цепи, в отличие от линии связи, не существует воздушных высоковольтно-сигнальных линий облегчённого типа.
|
Тип линии |
толщина стенки льда, м |
длина пролёта, м |
|
Н |
10 |
50 |
|
У |
15 |
40 |
|
ОУ |
20 |
95 |
Провода вв.стальные 6 и 5 мм,
провода сигнальные - 4 мм.
8.2. Разновидности ВВСЛАБ
ВВСЛАБ (рис 1) обычно несёт 3-х фазную ВВ цепь 1 с линейным напряжением 6 или 10 кВ, f=50 Гц и изолированной нейтралью. Ниже ВВ цепи подвешиваются сигнальные провода 2.
Вблизи от сигнальных точек автоблокировки (светофор с комплектом реле, выпрямителей и пр.) на силовых опорах устанавливаются линейные трансформаторы типа ОМ (однофазные с масляным наполнением), снижающие напряжение до 115 или 230 в.
Низкое напряжение подаётся по кабелю к сигнальной точке для питания рельсовых цепей, светофорных ламп и релейных схем. Другие жилы этого кабеля соединяют сигнальные провода с реле сигнальной точки. ВВСЛАБ такого вида распространены на участках с электрической тягой постоянного тока и на участках с тепловозной тягой. На последних они будут строиться и в будущем, однако преимущественно с линейным Uл=10 кВ, обеспечивающим большую технико-экономическую эффективность линии по сравнению с U= 6 кВ.
При больших потребностях в электрической энергии более рациональным вариантом является постройка т.н. 2-х цепной линии, несущей две одинаковые ВВ цепи (рис. 2).Одна из них 1, расположенная со стороны железнодорожного пути, предназначена для электроснабжения автоблокировки, а вторая 3 - с полевой стороны - для питания всех других линейных потребителей (путевых будок, электрического освещения станций, электропитания отдельных устройств связи, электрифицированного инструмента). ВВ цепь 3 является одновременно резервом на случай выхода из строя первой цепи 1. На участках с электрической тягой постоянного тока такая 2-я цепь часто подвешивается на опорах тяговой сети (рис. 3(а)) и также используется для резервирования питания автоблокировки. ВВСЛА при этом строится одноцепной. Для уменьшения стоимости строительства на таких участках иногда вообще не строят самостоятельной линии автоблокировки, подвешивая ВВ цепь на опорах тяговой сети, а сигнальные провода - на нижней траверсе линии связи. Вторая ВВ цепь в этом случае отсутствует, а если участок 2-х путный, то может быть размещена на опорах тяговой сети 2-го пути.
Рис. 3
На электрических железных дорогах переменного тока f = 50 гц и с U = 27,5 кв относительно земли, в проводах соседних воздушных линий индуктируется очень высокое опасное напряжение. Для защиты от них сигнальные провода вместе с проводами связи заключаются в кабель, а на линии автоблокировки остаются только ВВ провода.
Цепи и устройства автоблокировки на таких участках питаются током
f = 75 Гц или 25 Гц, который сравнительно легко может быть отделён от тягового тока f = 50 Гц.
В настоящее время по экономическим соображениям перешли к питанию устройств автоблокировки током f = 25 Гц, который получается с помощью недорогих статических преобразователей ПЧ 50/25 Гц небольшой мощности. Такие преобразователи устанавливаются непосредственно у сигнальных точек автоблокировки и питаются от ВВ цепи током f = 50 Гц, а в случае выхода из строя - от ДПР. ВВ цепь автоблокировки здесь целесообразно подвесить на опорах тяговой сети, чтобы избавиться от необходимости постройки самостоятельной линии.
Однако при наличии цепи ДПР на опорах не хватит места для размещения 3-х фазной цепи.
Подвеска цепи U = 6 - 10 кВ вблизи от тягового провода также невозможна, т.к. этот провод будет индуцировать в проводах цепи напряжения до 12 - 15 кВ. Поэтому в качестве ВВ цепи автоблокировки в данном случае используется однофазная цепь с f = 50 Гц и U = 27,5 кВ (как и в цепи ДПР), состоящая из подвешенного на опорах тяговой сети провода (рис. 4.5) и рельсов в качестве обратного провода. Такую цепь называют ПР (провод - рельсы). Недостатком цепи ПР являются большие колебания напряжения в цепи, вызываемые изменениями нагрузок тяговой сети и цепи ДПР.
8.3. Система электропитания автоблокировки
Различают две системы питания устройств автоблокировки: смешанную и переменного тока.
При смешанной системе питания основные устройства автоблокировки нормально питаются от ВВ линий через выпрямители постоянным током, а в случае прекращения подачи переменного тока получают питание от аккумуляторов, которые имеются у каждой сигнальной точки, и в нормальном режиме питания всё время подзаряжаются от выпрямителей.
Смешанная система питания применяется на участках с тепловозной тягой, на которых в ближайшие годы не предполагается переход к электрической тяге.
При питании по системе переменного тока все цепи и устройства автоблокировки питаются переменным током от ВВ линии и никакого местного резервного источника не имеется.
Такая система питания применяется на участках с электрической тягой или подлежащих электрификации в ближайшем будущем.
8.4. Плечи и пункты питания высоковольтной цепи автоблокировки, её секционирование
Чем короче плечи питания, тем выше надёжность электроснабжения. Длина плеч ограничивается также допустимой потерей напряжения. Эта потеря напряжения могла бы не нормироваться, если бы питание всегда подавалось с одного и того же конца плеча.
Действительно, линейные трансформаторы автоблокировки типа ОМ имеют во вторичной обмотке несколько выводов, позволяющих устанавливать низкое напряжение одинаковым при DU линии в пределах от +5 до -15%. Эти пределы легко было бы и ещё расширить. Однако при переходе на питание от резервного пункта на обмотках трансформаторов с малым числом включённых витков вторичной обмотки окажется пониженное линейное напряжение и, наоборот, повышенное там, где включено большое число витков вторичнойой обмотки.
Поэтому действующими правилами проектирования обычно устанавливается допустимая потеря напряжения на плече питания, определяемая технико-экономической целесообразностью. Так для 3-фазных цепей 6 и 10 кВ, а в настоящее время - 10%.
Протяженность плеч питания не должно превышать при смешанной системе питания 60 - 65 км, а при питании переменным током (U= 6 - 10 кВ) - 40 - 45 км.
В качестве питающих пунктов на участках с тепловозной тягой используются все имеющиеся источники энергии (электростанции, подстанции, ЛЭП), имеющие достаточный запас мощности.
На участках с электрической тягой следует использовать для этой цели прежде всего все тяговые подстанции.
При электрической тяге постоянного тока они располагаются обычно в 20 - 30 км одна от другой, и плечи питания получаются недлинными. На электрических же железных дорогах переменного тока расстояние между подстанциями составляет 40 - 65 км. В случае когда она больше 45 км для ВВ цепей 6 и 10 кВ, тяговые подстанции используются как основные пункты питания, а между ними строятся резервные пункты путём подвода ЛЭП, строительства электрических станций и т.п.
При питании автоблокировки от цепи ПР с U= 27,5 кВ длина плеч, как правило, принимается равной расстоянию между тяговыми подстанциями.
8.5. Секционирование высоковольтной цепи в пределах плеча
Секционирование высоковольтной цепи в пределах плеча питания выполняется в зависимости от наличия или отсутствия резервного питания. Если питание резервировано за счёт местных источников (аккумуляторы при смешанном питании) или имеется 2-я ВВ цепь, используемая как резервная, то разъединители можно ставить только у входных светофоров станций, со стороны перегона. Они позволяют в этом случае снять напряжение с линии в пределах целой станции или целого перегона, причём действие автоблокировки обеспечивается резервным питанием.
При отсутствии резерва на двух - путных участках и однопутных с интенсивным движением (пригородных) целесообразно ставить разъединители чаще: у каждой силовой опоры с обеих её сторон.
Тогда, включив РПП, можно снять напряжение лишь в пределах отрезка линии между двумя силовыми опорами, сохранив действие всех светофоров, или отключить только одну силовую опору для её осмотра или ремонта, а также при повреждении линейного трансформатора типа ОМ.
Меры повышения симметрии трёхфазной высоковольтной цепи. Если бы ВВ цепь была абсолютно симметричной, то суммы её фазовых токов и напряжений были бы равны нулю (рис 5), их внешние электрические и магнитные поля в окружающем пространстве уравновешивали бы друг друга и влияния на соседние цепи связи отсутствовали бы. Однако такого положения практически достигнуть не удаётся, векторная сумма токов или напряжений обычно имеет вид (рис. 6), и результирующий неуравновешенный ток IН или напряжение будет оказывать влияние на цепи связи.
Транспозиция. Для уменьшения влияния на цепи связи неуравновешенного тока IН или напряжения U провода ВВ цепи транспонируются, т.е. через равные расстояния r, называемые шагом транспозиции (рис 7), взаимно меняются местами так, что после трёх шагов, образующих цикл транспозиции, каждый провод возвращается на своё место.
Рис. 7
Рис. 8
Если бы неравные друг другу фазовые токи IФ1, IФ2, IФ3 оставались каждый неизменным на всей длине плеча питания, то достаточно было бы устроить в пределах последнего один цикл транспозиции и неуравновешенные токи трёх шагов образовали бы опять уравновешенную систему (рис. 8). Но т.к. в цепь по всей её длине включаются нагрузки и ток в конце плеча обычно в несколько десятков раз меньше, чем вначале, то для существенного уменьшения влияний длина циклов должна быть настолько малой, чтобы ток в пределах одного цикла можно было приближенно считать неизменным.
Транспозиция проводов также повышает симметрию цепи за счёт выравнивания индуктивностей и ёмкостей проводов относительно земли.
Однако частая транспозиция удорожает линию и снижает её прочность.
В настоящее время для ВВ цепей автоблокировки принята длина цикла 9 или 9,6 км. Если при делении плеча на циклы получается остаток длиной больше шага (3 или 3,2 км), то он делится на 3 равные части и на нём образуется укороченный цикл. Остаток длиной меньше шага не транспозицируется.
Равномерная загрузка фаз. Позволяет в значительной степени уровнять фазовые IФ и UФ. Для этого линейные однофазные трансформаторы, питающие сигнальные точки и др. нагрузки, подключают поочерёдно к фазам 1-2, 2-3, 3-1, затем опять 1-2 и т.д. Если трансформаторы потребляют от линии разные мощности, то следует комбинировать их включение по фазам, добиваясь равномерного отбора мощности от каждой фазы. В пределах плеча питания эти мощности не должны различаться более, чем на 10%.
9. Кабельные линии
9.1. Общие сведения о кабелях и кабельных линиях
Кабелем называется совокупность нескольких проводников, заключённых в общую защитную оболочку.
Изолированные проводника называются жилами кабеля. Жилы кабеля используются для образования электрических цепей, по которым передаются электрические сигналы и осуществляется питание устройств АТиС.
Защитная оболочка из пластмассы или металла предохраняет изоляцию жил от воздействия сырости и влаги.
Для защиты кабеля от механических повреждений поверх оболочки может быть наложен металлический броневой покров.
Повышенная защищённость жил кабеля позволяет прокладывать его в любых условиях - на открытом воздухе, под землёй, под водой. В зависимости от способа прокладки кабели делят на воздушные, подземные и подводные.
На железнодорожном транспорте преимущественное применение находят подземные кабели.
Подводные кабельные линии применяются только в качестве вставок в кабельные воздушные линии связи и высоковольтно-сигнальные линии автоблокировки при пересечении ими водных преград.
Воздушные кабельные линии на железнодорожном транспорте находят весьма ограниченное применение на небольших кабельных сетях местной телефонной связи некоторых железнодорожных станций.
Кабельные заводы поставляют кабель на деревянных кабельных барабанах. Длина кабеля, навитого на барабан, называется строительной длиной. В зависимости от типа и размеров сечения кабеля она изменяется от 125м до 1000м.
При прокладке кабеля приходится соединять между собой строительные длины, подключать жилы кабеля к аппаратуре, укреплять кабель на трассе, делать от него ответвления.
Детали и устройства, которые используются для производства этих работ, называются кабельной арматурой.
В состав кабельной арматуры входят:
- металлические и пластмассовые соединительные муфты для герметического соединения жил и оболочек кабеля;
- кабельные боксы;
- кабельные ящики, служащие для герметичной оконечной разделки кабельных жил;
- разветвительные муфты, позволяющие подключить к кабелю с большим числом жил несколько кабелей с меньшим числом жил;
- стальные оцинкованные скобы для закрепления кабеля на столбе или стене здания и т.д.
- пупиновские катушки и ящики;
- согласующие автотрансформаторы и т.д.
Кабельные ящики устанавливают на столбах - кабельных опорах, кабельные боксы монтируют в кабельных будках и шкафах. Иногда в городах и крупных железнодорожных узлах подземные кабели прокладывают в трубах (канализации) и устраивают колодцы и шахты для монтажа и для наблюдения за кабелем. Все эти устройства называют кабельными сооружениями.
Проложенный кабель в совокупности с арматурой и кабельными сооружениями образует кабельную линию.
Кабельные линии, проложенные в пределах крупных железнодорожных узлов, станций или городов, связанные между собой в определённую систему, называются местными кабельными сетями.
Внутри одного железнодорожного узла может существовать несколько независимых кабельных сетей:
- местная телефонная сеть;
- сеть стрелочных приводов;
- сеть, питающая рельсовые цепи и т.д.
На местных сетях используют кабели - местные телефонные, сигнальные, контрольные и т.д., рассчитанные на передачу сигналов и энергии на сравнительно небольшие расстояния.
Кабельные линии находят всё более широкое применение на железнодорожном транспорте.
Местные сети А.,Т. и С. делаются только кабельными. На участках железной дороги с электротягой переменного тока все виды железнодорожной связи и цепи А и Т осуществляются по кабелям.
Железнодорожные кабельные линии в зависимости от назначения можно разделить на три группы:
- Кабельные линии связи, предназначенные для организации дальней или местной телефонной и телеграфной связи;
- Кабельные линии А. и Т., предназначенные для организации кабельных сетей электрической централизации, станционной блокировки, а также автоматической блокировки на станциях и перегонах;
- Кабельные линии силовые, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии постоянного и переменного тока, питающей разнообразные энергетические установки, устройства связи, автоматики и телемеханики.
9.2. Классификация и маркировка кабелей
Конструкция отдельных элементов кабеля, выбор материалов для их изготовления, ёмкость кабеля (число жил в нём) и его электрические характеристики определяются в зависимости от того, на какой линии данный кабель предполагается использовать.
Соответственно образуются три группы кабелей, различных по конструкции: 1) кабели связи, 2) кабели А. и Т. и 3) силовые кабели.
Внутри каждой группы кабели можно классифицировать:
- по спектрам частот, на которые рассчитаны кабели;
- по видам диэлектриков, используемых для изоляции жил;
- по способам наложения изоляции;
- по материалам, применяемым для оболочек;
- по характеру брони кабеля и т.д.
Марка кабеля. Для упорядочения классификации и облегчения пользования кабелями их маркируют. Марка состоит из нескольких букв - начальных букв тех слов, которые характеризуют основные признаки кабеля. Например:
ТГ - телефонный голый (т.е. без брони поверх оболочки),
СБ - силовой бронированный и т.д.
В конце марки указывается число жил в кабеле и их диаметр.
СБПБ - сигнально-блокировочный, полиэтиленовой оболочки, бронированный.
Например, марка ТГ - 1200х2х0,5 означает: телефонный голый, состоящий из 1200 пар (цепей) с жилами диаметром 0,5 мм.
СБПБ - 3072 или СБВБ - 12
МКБАБ - Магистральный, Кордельно-Бумажная изоляция, Алюминиевая оболочка, Бронированный стальными лентами из низкоуглеродистой стали и защитным внешним слоем.
МКПАБП - 7х4х1,05+5х2х0,7+1х0,7 - в 4 магистральный кабель, КП - кордельно-трубчатый полиэтиленовой изоляцией жил, А - алюминиевой оболочкой, Б - бронированный двуми стальными лентами, П - полиэтиленовое покрытие, 7 четвёрок, d = 1,05 мм, 5 пар d = 0,7 мм и одна контрольная жила.
ТЗПАПБПш - низкочастотный железнодорожный кабель с полиэтиленовой изоляцией, в алюминиевой оболочке, в полиэтиленовых шлангах поверх оболочки и ленточной брони.
МКТ - малогабаритный коаксиальный кабель.
КМ - коаксиальный кабель со средними размерами.
СБПАШП - 14х2 - сигнально-блокировочный кабель, полиэтиленовая изоляция жил, алюминиевая оболочка, полиэтиленовый шланг , 14 пар жил.
СБВБ-12 - 12 жил, d = 1 мм.
МКБАБ 7х4х1,2+6х0,9
МКСАБМШП 4х4 (1х4) (7х4)
МКПАКП 7х4х1,05+5х2х0,7+1х0,7 (2,4,6)
МКПАБ 14х4х1,05+5х2х0,4+1х0,7 (в 4 1,2,3,4 и 5)
9.3. Организация связи на железнодорожном транспорте
В железнодорожном магистральном кабеле необходимо предусмотреть все виды связи. На участках с электротягой переменного тока в этом же кабеле размещают также цепи А. и Т.
Отделенческие связи предназначены для оперативной работы в пределах отделения дороги. Они имеют абонентов на всех раздельных пунктах отделения. Каждая из этих связей занимает в кабеле отдельную двухпроводную или 4-х проводную цепи и осуществляются пока в спектре тональных частот.
Магистральные и дорожные связи работают на большие расстояния. Для снижения стоимости таких дальних связей применяют уплотнение кабельной цепи несколькими одновременными передачами, каждая из которых занимает определённый спектр частот (канал) шириной 3100 Гц.
Чем большим числом каналов уплотняется кабельная цепь, тем шире должен быть общий спектр частот, передаваемый по цепи.
Однако с повышением частоты растёт затухание кабельной цепи и сокращается расстояние, на которое можно вести передачу сигнала без усиления (длина усилительного участка).
Многоканальные связи могут быть организованы по двух- и четырёхпроводной схеме.
При двухпроводной схеме (Рис.1)
Передача в прямом и обратном направлении осуществляется по одной и той же кабельной цепи. При двухпроводной схеме общий спектр частот состоит из двух частей: нижняя часть спектра используется для передачи в одном направлении, верхняя - в другом. (Например, при К-12+12 связи: 72-124 и 8-60 кГц)
При четырёхпроводной схеме (Рис.2)
Рис. 2
Связь в прямом направлении ведётся по одной цепи, а в обратном - по другой. При 4-хпроводной схеме связь в прямом и обратном направлении осуществляется в одной и той же полосе частот (12-252 кГц при 60 каналах ВЧ уплотнения), так что общий диапазон частот оказывается вдвое меньше. Это позволяет работать при меньшем затухании и сокращает количество усилителей на магистрали.
Однако, если по двум соседним цепям в кабеле передаются токи одинаковых частот, они могут оказывать сильное взаимное влияние и снижать тем самым качество передачи.
Это влияние может быть устранено применением двухкабельной системы, при которой цепи прямого и обратного направления размещаются в разных кабелях.
Возможно также разделение цепей прямой и обратной передачи в одном кабеле специальными разделительными экранами, которые исключают влияние одной цепи на другую.
Рис. 3
Некоторые виды связей в магистральном кабеле организуют по так называемым искусственным цепям (Рис.3).
Искусственная цепь накладывается на две кабельные пары, каждая из которых образует, кроме того, самостоятельную цепь. Два провода одной пары служат прямым проводом искусственной цепи, два провода другой пары - её обратным проводом. Эта цепь называется фантомной цепью.
Уплотнение кабельных цепей ВЧ каналами предъявляет особые требования к конструкции кабелей и к свойствам кабельных материалов. Кабель связи должен обладать такими электрическими характеристиками, чтобы передача электрических сигналов могла производиться с возможно меньшим затуханием в возможно более широком спектре частот. Для этого необходимо стремиться к снижению величины километрического затухания a кабельной цепи и к уменьшению его зависимости от частоты.
Чем меньше |a|, тем меньше усилителей требуется на кабельной магистрали, тем ниже её стоимость и меньше расход материалов.
Чем медленнее a увеличивается с частотой, тем большим числом каналов может быть уплотнена кабельная цепь и тем дешевле становится каждый канал связи.
Поэтому в основу разработки конструкции кабеля положен расчёт электрических параметров передачи в заданном спектре частот.
Однако, при выборе конструкций и материалов для изготовления кабеля приходится считаться не только с процессом распространения энергии вдоль кабельной цепи, но и с возможным переходом её с одной цепи на другую.
Чтобы цепи кабеля, расположенные под общей оболочкой, были защищены от взаимных влияний, конструкция кабеля должна обеспечивать достаточно большое затухание энергии между цепями (переходное затухание).
Специальных конструктивных решений требует защита кабельных цепей от влияния внешних ЭМ полей, возбуждаемых установками сильного тока, а особенно тяговыми сетями железных дорог, электрифицированных на переменном токе.
Для организации устойчивой связи по кабельным линиям важно также, чтобы электрические параметры были стабильны как по длине кабеля, так и во времени.
10. Влияние внешних ЭМ полей на цепи АТС
10.1. Проблемы ЭМ совместимости ВВЛ и ЛАТС
Воздушные и кабельные линии АТС прокладываются параллельно железнодорожному полотну в полосе отводами располагаются в непосредственной близости от тяговых сетей электрифицированных железных дорог и высоковольтных линий автоблокировки.
На отдельных участках они могут иметь сближение с ЛЭП. Сближением называется такое расположение линий, когда ЛАТС находятся в зоне ЭМ влияния в.в. линий.
ЭМ поля, возникающие вокруг проводов ЛЭП, индуцируют напряжения и токи в цепях ЛАТС, которые могут нарушить нормальную работу АТС. С другой стороны, сами ЛАТС представляют собой многопроводные системы. состоящие из многих близко расположенных друг к другу цепей. несущих сигналы, соизмеряемые по мощности и спектру частот. ЭМ поля этих цепей накладываются друг на друга. Между цепями происходит обмен энергией.
Влияние ЛЭП на цепи АТС называется внешними влияниями. Влияния между соседними цепями называются взаимными. Внешние влияния рассматриваются как односторонние. Индуктивные влияния, при которых не нарушается нормальная работа устройств АТС, называются допустимыми.
Напряжения и токи, индуктированные в цепях А, Т и С внешним ЭМ полем по силе воздействия разделяются на опасные и мешающие.
Опасные влияния вызывают поражения обслуживающего персонала и абонентов связи, повреждения аппаратуры, пожар в служебных помещениях и т. д.
Мешающие влияния частично или полностью нарушают нормальную работу, устойчивость связи или телемеханики, вызывают шумы и треск в телефонных каналах, приводят к неправильному восприятию сигналов и т. д.
Напряжения и токи, индуктированные соседними цепями АТС (взаимные влияния) создают только мешающие влияния. Обычно опасные влияния имеют место только в цепи провод-земля, а мешающие влияния - в цепи провод-провод.
Проблема совместной работы является общей для всех систем и устройств, связанных с генерацией, передачей, приёмом и обработкой электрических сигналов и называется проблемой ЭМ совместимости.
10.2. Влияние высоковольтные линии электропередачи энергосистем
Линии электропередачи считаются высоковольтными, если напряжение между одним из проводов и землёй больше 250 В.
Высоковольтные ЛЭП, служащие для передачи энергии на большие расстояния, имеют U= 35 
750 кВ ~ тока f = 50 Гц или 800
1000 кВ постоянного тока.
Распределительные ЛЭП электрических сетей строятся только переменного тока и чаще всего с U= 6 или 10 кВ. ЛЭП могут быть воздушными и кабельными.
Преимущественное распространение получили воздушные линии. На одной ЛЭП могут быть подвешены 1 или 2 3-хфазные цепи. Подключаются ЛЭП к линейным обмоткам трансформаторов. Схемы подключения могут быть различны.
Если линейные обмотки трансформаторов соединены в звезду и имеют нейтраль, изолированную от земли, то 3-хфазная, 3-хпроводная ЛЭП, присоединённая к этим трансформаторам, называется линией передачи с изолированной нейтралью.
Если нейтральные точки линейных обмоток трансформаторов соединены с землёй накоротко или через так называемую дугогасящую катушку, то ЛЭП, присоединённую к таким трансформаторам, называют линией передачи соответственно с заземлённой или компенсированной нейтралью.
ЛЭП с изолированной, заземлённой и компенсированной нейтралью называют симметричными системами, если все 3 фазы выполняются у них одинаковыми проводами, а напряжения и токи фазв сумме дают нуль.
ЛЭП, в которых в качестве одного из проводов используется земля, называются несимметричными системами.
К несимметричным В. В. линиям относятся:
- тяговые сети переменного тока U= 27 кВ и f= 50 Гц,
- тяговые сети постоянного тока U= 3300 В.
Рассмотрим случай симметричной ЛЭП с изолированной нейтралью. Если к проводам такой системы подключены симметричные нагрузки и подведено симметричное напряжение, то во всех 3-х проводах напряжения относительно земли (и токи) равны по величине и сдвинуты по фазе на 120о.
Как следует из вектороной диаграммы (рис. 2), на которой точке 0 соответствует потенциалу земли, геометрическая сумма векторов напряжений равна нулю. Поэтому вольтметр, включённый между средней точкой звезды и землёй, покажет нуль.
Электромагнитная энергия в симметричной системе распространяется вдоль проводов параллельными потоками, которые называют междуфазовыми волнами.
В проводах линий, подверженных влиянию, симметричные ЛЭП индуктируют U и I, которые взаимно компенсируют (уравновешивают) друг друга. Их геометрическая сумма не равна нулю только потому, что провода, подверженные влиянию, находятся на разных расстояниях от проводов влияющей ЛЭП (рис 3 ).
Расстояние между ЛЭП и линиями А, Т и С в реальных условиях всегда намного больше, чем расстояния между проводами ЛЭП, и симметричные системы могут вызывать в цепях связи только мешающие магнитные и электрические влияния за счёт фазовых напряжений и токов.
Реальные ЛЭП являются системами частично несимметричными. Это значит, что в нормальном режиме работы такой ЛЭП геометрическая сумма векторов U относительно земли не равна нулю и в системе обнаруживается некоторое остаточное U. Это U , действующее между средней точкой звезды и землёй, образует неуравновешенное электрическое поле и является напряжением земляной волны (рис. 4)
Поэтому практически реальная ЛЭП с изолированной нейтралью может вызывать в соседних цепях АТС мешающие влияния, обусловленные не только фазовыми U и I, но U0 и I0 земляной волны.
Фазовые U и I называют U и I прямой последовательности.
U0 и I0 земляной волны называют U0 и I0 нулевой последовательности.
В случае неисправности, например, при заземлении 1 фазы, ЛЭП с изолированной нейтралью становится несимметричной (рис. 6).
Напряжение земляной волны резко возрастает. Оно становится равным U0= 1,73 UЛ, где UЛ - линейное напряжение ЛЭП.
Такое напряжение U0 в зависимости от условий сближения может вызвать в соседних цепях, подверженных влиянию, повышенные мешающие или даже опасные электрические влияния.
Напряжения и токи ЛЭП, кроме основной гармоники f = 50 Гц, содержат высшие гармоники от 0,1 до 150 кГц и имеют наибольшие амплитуды в спектре тональных частот ( 0 - 4 кГц ).
Гармонический состав U и I ЛЭП зависит от нагрузки. Особенно больших значений достигают гармоники в линиях передачи, питающих установки с ртутными выпрямителями (электротяговые подстанции, преобразовательные подстанции для ЛЭП постоянного тока, мощные радиостанции и т. п.).
Таким образом, в аварийном режиме эти ЛЭП могут оказывать одновременно опасные и мешающие влияния. Опасные влияния вызывает основная гармоника U f = 50 Гц, а мешающие - высшие гармонические.
Для трёхфазной трехпроводной ЛЭП с заземлённой нейтралью справедливо всё, что и для ЛЭП с изолированной нейтралью. Разница заключается в том, что под действием U0 напряжения нулевой последовательности в заземлённой нейтрали линии появляется ток I0 нулевой последовательности, замыкающийся через землю. Этот ток (рис. 7,8) возбуждает неуравновешенное магнитное поле земляной волны.
В нормальном режиме работы ЛЭП с заземлённой нейтралью создаёт в цепях А, Т и С мешающие влияния за счёт U и I0 прямой и нулевой последовательности.
В аварийном режиме (при заземлённой одной фазе) в неисправной фазе возникает большой ток КЗ IКЗ (рис. 8). Ток земляной волны IЗ, являющийся геометрической суммой токов всех фаз линии, резко возрастает. Этот ток подобен току однопроводной линии. В соседних цепях он вызывает опасное магнитное влияние большой мощности, кратковременное, т. к. через 0,15 - 1,2 с после появления КЗ срабатывает автоматическая защита и линия будет выключена.
10.3. Влияние тяговых сетей электрической железной дороги постоянного тока
При электротяге постоянного тока в тяговую сеть подаётся от тяговых подстанций выпрямленный ток U = 3300 В. На дорогах России распространено в основном шестифазное выпрямление. Поэтому выпрямленный ток для режима ХХ тяговой сети получается как результат наложения полусинусоид f = 50 Гц (рис. 9).
Постоянная составляющая IП не оказывает влияния на цепи связи. Индуктивные воздействия создаются только пульсирующим током I0, состоящим из симметрично расположенных верхушек синусоид. Кривая пульсирующего тока может быть разложена на ряд гармоник. 1-ая из них при 6-тифазном выпрямлении тока f = 50 Гц, поступающего из симметричной ЛЭП, будет иметь частоту 300 Гц, остальные - соответственно 600, 900, 1200 Гц и т. д.
Кривая тока тяговой сети под нагрузкой обогащается рядом дополнительных гармоник за счёт несимметрии фазных напряжений ЛЭП, питающих тяговые подстанции; коммутации ртутных выпрямителей на подстанциях; сеточного регулирования напряжения сети и других причин. Эти гармоники имеют частоты, кратные 100 Гц.
В однофазной тяговой сети ЭМ энергия распространяется в виде земляной волны.
Амплитуды гармоник пульсирующего тока малы по сравнению с амплитудой постоянной составляющей. Поэтому тяговые сети постоянного тока оказывают на цепи связи мешающее влияние со значительным преобладанием магнитной составляющей. Однако это мешающее влияние бывает настолько значительным, что цепи А, Т и С не могут работать нормально без установки на тяговых подстанциях специальных защитных устройств. Опасные влияния могут возникнуть при включении и выключении U тяговой сети и при замыкании её на землю.
10.4. Тяговая сеть электрической железной дороги переменного тока
В тяговую сеть подаётся от тяговых подстанций однофазный переменный ток Iм f = 50 Гц.
U = 25 - 27 кВ.
Тяговая сеть переменного тока является несимметричной однофазной линией, в которой распространяются только земляные волны. Индуктивное воздействие земляной волны смягчается экранирующим действием рельсовых ниток. Это экранирующее действие рельсов усиливается ещё тем, что переменное магнитное поле тяговой сети индуктирует токи влияния в рельсовых нитках (рис. 6.17) Iмр. Эта индуктированная составляющая Iмр по направлению совпадает с обратным током в рельсах IР и в отличие от него равномерно распределена по всей длине участка. Поэтому ток, влияющий на цепи связи,
I0 = Iм - ( IР + Iмр), т. е. будет равен току в земле.
Несмотря на экранирующие эффекты и 2-хстороннее питание, тяговые сети переменного тока даже при нормальном режиме работы оказывают на цепи А, Т и С сильное опасное и мешающее влияние, которое ещё больше возрастает при нарушении нормального режима работы тяговой сети.
Пусть имеем 3 ТП, питающие тяговую сеть (рис. 11). В случае аварии или профилактического ремонта может быть временно отключена одна из подстанций (на схеме закрашена), питающих тяговую сеть. Тогда появляются участки тяговой сети с односторонним питанием, оказывающие нескомпенсированное, повышенное влияние.
При эксплуатации тяговой сети возможны КЗ на землю или рельсы. В этом случае в тяговой сети возникает IКЗ больше влияющего тока при вынужденном режиме.
Длительность протекания IКЗ tКЗ < 0,6 с.
В настоящее время при электротяге переменного тока электровозы снабжаются двигателями постоянного тока и выпрямительными устройствами. Выпрямительные устройства на электровозах создают гармонические составляющие, частоты которых кратны 50 Гц. Эти гармоники, попадая в тяговую сеть, могут вызвать в цепях А. Т. и С. большие мешающие влияния.
Таким образом, при электротяге переменного тока приходится считаться одновременно с опасными и мешающими влияниями при исправном и неисправном состоянии тяговой сети.
11. Особенности влияния на однопроводные и двухпроводные цепи
11.1. Поперечная асимметрия
2-х проводные цепи относятся к симметричным системам. Идеальная симметричная 2-х проводная цепь должна быть составлена из одинаковых по своим электрическим параметрам проводов. Если такая цепь расположена симметрично влияющей линии, то индуктированные I и U относительно земли будут одинаковыми в каждом из проводов и по величине, и по фазе Индуктивная энергия распределится поровну между ЭМ полями обоих проводов и будет распространяться вдоль них двумя параллельными потоками в виде двух одинаковых земляных волн (рис. 1)
Земляные волны проводов 2 и 3 могут сами оказывать индуктивное влияние на соседние цепи. Но приёмники, включённые между проводами 2 и 3, не будут испытывать влияний.
Таким образом, если 2-х проводная цепь полностью симметрична и симметрично расположена относительно влияющего провода, то энергия, индуктированная в её земляном тракте, в междуфазовый тракт не переходит.
Если полностью симметричная 2-х проводная цепь расположена несимметрично относительно влияющей линии (рис. 3), симметрия ЭМ поля нарушается.
Напряжения относительно земли и ток, индуктированные в проводе 2, будут больше, чем в 3, т. к. 2 расположен ближе к влияющей линии.
U2 > U3, I2 > I3.
В цепи 2-3, кроме земляной волны, появится междуфазовая волна с напряжением U2 - U3 и токами I2 - I3.
U и I междуфазовой волны определяются разными связями между проводами 2 и 3 и влияющим проводом 1.
Ток междуфазовой волны пройдёт через приёмники цепи.
U2 - U3 и I2 - I3 - напряжение и ток индуктивного влияния.
В данном случае междуфазовая волна обнаружилась в симметричной цепи только потому, что её провода оказались на разных расстояниях от влияющей линии.
11.2. Продольная асимметрия
Реальные 2-х проводные цепи связи являются частично несимметричными системами. В реальных 2-хпроводных цепях первичные и волновые параметры 2-х проводов цепи оказываются неодинаковыми, т. е. :
Неравенство первичных и волновых параметров обоих проводов двухпроводной цепи называется её продольной асимметрией.
Продольная асимметрия приводит к неравенствам
и 
.
Напряжения и токи помех в этом случае называют помехами за счёт продольной асимметрии.
В реальных цепях продольная асимметрия распределена неравномерно по длине проводов, что создаёт сложное переплетение междуфазовых и земляных волн при их распространении по цепи.
При реальных сближениях частично несимметричные двухпроводные цепи оказываются несимметрично расположенными относительно влияющих линий (рис. 3).
Поэтому в цепях связи возникают влияния за счёт поперечной асимметрии 
и 
, за счёт продольной асимметрии 
и 
.
Результирующую помеху находят как геометрическую сумму двух составляющих влияния
. (1)
11.3. Методика определения 2-х составляющих при сближении с ЛЭП и тяговыми сетями
Скрещивание 2-хпроводных цепей выравнивает расстояние между проводами 2-хпроводной цепи и влияющей линией, т. е. значительно снижает составляющую помех за счёт поперечной асимметрии. Аналогичный эффект даёт транспозиция (скрещивание) проводов 3-хфазных ВВ линий.
Кроме того, расстояние между проводами цепи ВЛС 
см, а расстояние от ВЛС до влияющей линии измеряется n10 - m100 м.
Поэтому 
<< 
и практически достаточно вычислить .
зависит от асимметрии электрических параметров проводов цепи. Т. к. продольная асимметрия неравномерно распределена по длине проводов, различна для каждой цепи связи и изменяется во времени, в зависимости от климатических условий и технического содержания линии, поэтому определить продольную асимметрию не удаётся. Чем лучше содержится линейное хозяйство, тем симметричнее цепи и тем меньше их чувствительность к индуктивным влияниям.
Поэтому для расчёта составляющей 
пользуются приближённым методом, который основан на использовании так называемого коэффициента чувствительности 2-хпроводных цепей к помехам h.
Одна из возможных схем измерения коэффициента чувствительности (рис. 4).
В земляной тракт 2-хпроводной цепи подаётся от измерительного генератора ИГ напряжение условной “помехи”. Генератор включается точно в средней точке обмотки измерительного трансформатора ИТ между проводами 2-3, чтобы исключить поперечную асимметрию.
Поэтому U проводов 2 и 3 относительно земли могут различаться только за счёт асимметрии параметров проводов самой цепи.
Напряжение на зажимах Z23, измеряемое вольтметром V1, может быть только U междуфазовой волны, возникающей за счёт продольной асимметрии, т. е. . V2, включённый в среднюю точку обмотки ИТ1, измеряет полное напряжение U0.
В симметричной цепи связи, симметрично расположенной относительно влияющей линии, индуктируются только земляные волны. Но как только двухпроводная цепь становится несимметричной, тот час же появляется междуфазовая волна. При этом количество энергии , которую двухпроводная цепь связи получает от влияющей линии, не изменяется.
Одно и то же количество энергии перераспределяется в цепи связи и переходит из земляного тракта в междуфазовый в зависимости от состояния цепи.
Чем больше продольная асимметрия, тем большая доля энергии переходит из земляной волны в междуфазовую.
Поэтому отношение измеренных и 
характеризует продольную асимметрию. Чем асимметрия меньше, тем меньше будет это отношение и наоборот.
Величину 
(2)
называют коэффициентом чувствительности 2-хпроводной цепи к помехам.
Из этого следует следующая методика расчёта . Из (6.2) :
= =h
(3)
Если h задан на основании измерений, то для определения достаточно рассчитать земляной волны.
Но - это общее U двух проводов 2 и 3 относительно земли, а ток земляной волны - это ток в земле. Это обстоятельство позволяет определить как U однопроводной цепи.
11.4. Методика учёта двух составляющих при взаимном влиянии
Взаимное влияние рассматривается для цепей, расположенных на одних и тех же опорах или в одном кабеле. Расстояние между ними намного больше, чем между цепью на линии связи и влияющей ЛЭП.
В этих условиях влияния между цепями обусловлены главным образом поперечной асимметрией UАБ. Поэтому при расчетах взаимных влияний обе цепи рассматриваются как симметричные, но взаимно несимметрично расположенные.
Учет продольной асимметрии производится как поправка на расчет симметричных цепей, как некоторое дополнительное влияние энергии. которая из земляного тракта переходит в 2-хпроводные тракты многопроводных линий связи.
12. Определение индуктированных напряжений и токов опасного и мешающего влияний
Определение индуктированных напряжений и токов начнём с рассмотрения двух однопроводных линий, из которых одна - влияющая, 2-ая подвержена влиянию. (Напомню, что к этому варианту можно свести, как это было показано в предыдущей лекции, варианты более сложного сочетания линий подверженных влиянию и влияющих линий.)
Влияющая линия подключена к источнику энергии. Линия, подверженная влиянию, пассивна, никаких напряжений и токов, кроме индуктированных, нет.
Цепи будем считать однородными по длине и параллельными в пределах сближения. Длина цепей - l. Сопротивление земли - Rз > 0. Обозначим длину сближения через lр.
12.1. Магнитное влияние
Линия электрически короткая.
Рассмотрим случай, когда однопроводная цепь 2 находится в переменном магнитного поля однопроводной влияющей линии 1 (рис. 1).
Когда во влияющей цепи 1 протекает переменный ток I1, то в результате магнитной индукции по всей длине цепи 2 будет индуцироваться э.д.с., действующая вдоль провода. Если ток во влияющей цепи I1 не изменяется в пределах всего сближения, то продольная э.д.с. также будет постоянна. Практически это может быть если обе цепи электрически короткие.
Для таких сближений индуктированная продольная э.д.с. будет постоянна и равна
, (1)
где 
- сопротивление общей заземлённой части цепей 1 и 2 на один км сближения;
- взаимная индуктивность между цепями 1 и 2 на один км сближения;
- длина сближения;
- Ом/км (2)
- полное взаимное сопротивление цепей 1 и 2 на 1 км параллельного сближения. также называют коэффициентом магнитной связи.
Ток I2M, проходящий через нагрузки с сопротивлением Z2, включенные на концах цепи,
, (3)
где 
- сопротивление проводника.
Напряжение, действующее на нагрузках,
(4)
Если отключить нагрузки, включённые в цепь 2, то на изолированном проводе 2 будет действовать продольная э.д.с., определяемая по формуле (1)
Распределение её вдоль провода показано на рис. 2а
При заземлении одного из концов провода 2 на изолированном конце будет действовать напряжение относительно земли, равно Е2 (рис.2б). Под этим напряжением окажется человек, прикоснувшийся к изолированному концу, или подключенный аппарат. Индуктированный ток, проходящий через тело человека, может создать опасность для его жизни, а индуктированное напряжение повредить изоляцию аппарата.
Поэтому при определении опасных магнитных влияний всегда вычисляют значение индуктированного напряжения на изолированном конце провода при заземленном другом конце.
Рассмотрим влияние на 2-х проводную цепь (рис. 3).
Когда подверженной влиянию является 2-х проводная цепь, то в каждом её проводе индуктируется продольная э.д.с., определяемая по формуле(1).
На нагрузках, включенных в 2-х проводную цепь, будет действовать напряжение, обусловленное поперечной и продольной асимметрией.
При влиянии ВВЛ и тяговых сетей на двухпроводную линию учитывается только продольная асимметрия.
Напряжение, индуктированное вследствие продольной асимметрии 
определяется умножением напряжения на конце изолированного провода на коэффициент чувствительности h, следовательно,
(5)
При влиянии между цепями автоматики телемеханики и связи обычно рассчитывают значения индуктированных напряжений и токов, обусловленных только поперечной асимметрией и при согласованных нагрузках. Они могут быть вычислены как разность напряжений, индуцированных на концах проводов цепи, подверженной влиянию
, (6)
где 
и 
- э.д.с., индуцированные в проводах 2-х проводной цепи, или по формуле:
, (7)
где 
- коэффициент магнитной связи между однопроводной влияющей цепью и двухпроводной, подверженной влиянию.
В случае многопроводных влияющих цепей магнитные связи должны быть определены как эквивалентные с учётом связей, возникающих между всеми проводами обеих цепей.
Поэтому в дальнейшем под Z12 будем понимать магнитные связи между всеми проводами рассматриваемых цепей.
Линия электрически длинная. Рассмотрим методику определения индуктированных напряжений и токов для электрически длинных цепей, т. е. для случая, когда I1 и E2 меняются по длине линии. В этом случае необходимо считаться с изменением напряжений и токов в цепях вследствие волновых процессов.
Применим формулу(1) для определения продольной э.д.с. E2 к участку 
, который выделен на расстоянии X от начала сближения (рис.4а).
Продольная э.д.с., индуктированная в цепи 2, на этом участке будет
, (8)
где I1x - ток в цепе 1 на элементе .
Ток dI2x на элементе , вызываемый продольной э.д.с. , можно найти, рассматривая элемент как цепь с сосредоточенными параметрами (см. рис. 4б ).
, (9)
где 
и 
- входное сопротивление цепи 2 соответственно влево и вправо от элемента .
Для определения полного тока через нагрузки Z2 за счёт всех элементарных э.д.с. необходимо просуммировать по всей длине сближения, т.е. взять интеграл 
.
12.2. Электрическое влияние
Случай электрически короткой линии. Пусть провод 2, находится в переменном электрическом поле влияющего провода 1 (рис. 5а).
Если цепь 1 находится под напряжением U1, то через ёмкость между проводами и проводимость изоляции течет ток (рис. 5а). Если цепи электрически короткие, то с волновыми процессами можно не считаться, полагая что U1 постоянно по всей длине сближения lР. Тогда ток, наводящийся в проводе 2, по всей длине сближения lР будет
, (10)
где 
- проводимость изоляции между проводами цепей 1 и 2
на 1 км сближения;
- ёмкость между проводами цепей 1 и 2 на 1 км сближения;
(См/км) ¾ (11)
полная взаимная проводимость между цепями 1 и 2, приходящаяся на 1 км сближения. Её ещё называют коэффициентом электрической связи. Ток 
, перешедший с цепи 1 на цепь 2, будет протекать через нагрузки, включённые в цепь 2 в одном направлении, и таким образом через каждую из них (когда они одинаковы) пройдёт ток 
.
При отключении от концов цепи 2 нагрузок 
, по цепи “провод 1 - провод 2 - земля” пройдёт ток 
электрического влияния (рис. 5б). На рис. 5б 
, 
и проводимость изоляции G2 и ёмкость C2 провода 2 относительно земли показаны сосредоточенными.
Значение может быть получено из уравнения
, (12)
где 
- проводимость провода 2 относительно земли на 1 км сближения.
Электрическое влияние ВВЛ и тяговых сетей на цепи автоматике, телемеханике и связи имеет смысл учитывать тогда, когда обе линии воздушные, т. к. металлические защитные покровы кабелей практически полностью устраняют воздействия электрического. поля.
Для воздушных линий допустимо пренебречь проводимостями изоляции и 
и полагать, что
и 
Тогда уравнение (12) примет вид:
т.к. 
<< 
, то
(13)
Напряжение 
провода 2 относительно земли называется потенциалом провода. Оно одинаково по всей длине провода:
(14)
При прикосновении человека к изолированному проводу 2 через него практически пройдёт весь ток 
. Поэтому при определении опасного электрического влияния всегда устанавливают значение этого тока.
Рассмотрим электрического влияние на 2-х проводную цепь. При внешнем электрическом влиянии между воздушными линиями учитывается продольная асимметрия.
Индуктированное напряжение, действующее в 2-х проводной цепи, равно:
, (15)
где 
- сопротивление нагрузок, включённых в 2-х проводную цепь;
h - коэффициент чувствительности 2-х проводной цепи к внешним влияниям.
При взаимном влиянии определяется 
, обусловленное поперечной асимметрией, и при согласованных нагрузках
, (16)
где 
и 
- токи, индуктированные в проводах симметричной цепи, или
, (17)
где 
- коэффициент электрической связи между однопроводной влияющей цепью и 2-х проводной цепью, подверженной влиянию.
При влиянии многопроводных цепей должно быть определено как эквивалентные с учётом связей, возникающих между всеми проводами цепей.
В дальнейшем Y12 будем полагать есть коэффициент электрической связи между всеми проводами рассматриваемых цепей.
Линия электрически длинная. Если цепи электрически длинные и необходимо учитывать влияние волновых процессов, то сначала необходимо найти ток, перешедший с цепи 1 на цепь 2 на элементарном участке dx (рис. 5а)
, (18)
где 
- напряжение в цепи 1 на элементе dx.
Затем на основании эквивалентной схемы (рис. 6) определить действующее на этом участке напряжение
, (19)
где 
и 
- входные сопротивления соответственно влево и вправо от элемента dx.
Полное индуктированные напряжения и токи вычисляется суммированием индуктированных dU2x (dI2x) со всех элементарных участков dx в пределах сближения lp.
При несогласованных нагрузках необходимо учитывать отражение волн и усложнение волновых процессов в линии.
12.3. Совместное магнитное и электрическое влияние
При одновременном воздействии магнитного и электрического полей цепи 1 на цепь 2, токи магнитного и электрического влияний в приёмниках левого и правого концов цепи 2 будут встречаться с разными фазами (рис. 6) и суммарное влияние будет различно для разных концов цепи.
В связи с этим при расчётах принято различать ближний и дальний концы цепи, подверженной влиянию. Ближним называют тот конец, который совпадает с генераторным концом влияющей линии (рис. 7). Противоположный конец называют дальним.
Разная величина напряжений и токов, индуктированных в приёмниках ближнего и дальнего концов, может объясняться также несимметричным расположением влияющей цепи относительно цепи, подверженной влиянию.
13. Взаимные влияния между цепями связи, телемеханики и меры защиты
13.1. Причины взаимного влияния между цепями связей и основные параметры (первичные и вторичные параметры влияния)
Качество и дальность связи обуславливаются не столько собственным затуханием цепей, сколько мешающими взаимными влияниями между соседними цепями, которые проявляются в виде переходного разговора или шума.
Переход энергии с одной цепи на другую обусловлен ЭМ взаимодействием между ними и может быть условно представлен в виде суммарного действия электрического и магнитного полей.
Электрическое и магнитное влияние между цепями характеризуется:
с12 - электрической и m12 - магнитной связями.
Потери энергии в цепи характеризуются активными составляющими электрической g12 и магнитной r12 связями.
Величины r12 , g12 , с12 и m12 называются первичными параметрами влияния.
Величина переходного затухания А, характеризующая затухание токов влияния при переходе с первой цепи на вторую, называется вторичным параметром влияния.
13.2. Первичные параметры влияния на цепи связи в воздушных линиях связи
На в.л.с. провода расположены сравнительно далеко друг от друга, поэтому активными составляющими связей r12 и g12 можно пренебречь и учитывать лишь реактивные составляющие
, См/км;
, Ом/км.
где 
- коэффициент ёмкостной связи, Ф/км;
- коэффициент индуктивной связи, Гн/км.
Значения коэффициентов ёмкостной 
и индуктивной 
связи будут зависеть в основном от расстояний между проводами цепей (рис.1.). Из решения уравнений Максвелла получим коэффициент ёмкостной связи:
.
Коэффициент индуктивной связи определяется как взаимная индуктивность между двумя петлями (цепями):
,
где r - радиус проводов;
, 
, 
- расстояния между проводами (рис.1).
При рассмотрении взаимных влияний между цепями всегда учитывают совместное электрическое и магнитное влияния.
Токи электрического и магнитного влияний на ближнем конце имеют одинаковое направление, а на дальнем - противоположное.
Следовательно, коэффициент ЭМ связи при влиянии на ближнем конце 
равен сумме, а на дальнем 
- разности коэффициентов ёмкостной и индуктивной связи.
Для учёта совместного действия и их приводят к одинаковым единицам размерности.
При переводе в единицы «ёмкости»(в данном случае проводимости):
;
,
но 
и 
.
Выразим в единицах «ёмкости» коэффициент магнитной связи:
.
Откуда в единицах «ёмкости» 
выражается 
.
На ближнем конце токи электрического и магнитного влияний складываются, а на дальнем вычитаются. Поэтому, учитывая, что 
и 
:
и 
,
где Zв1 и Zв2 - волновое сопротивление влияющей цепи и цепи, подверженной влиянию.
Для цепей с медными проводами 
от 
.
- практически не зависит от частоты. Они зависят от расстояния между проводами.
13.3. Первичные параметры ЭМ влияния между цепями симметричных кабелей связи
В кабеле наличие изоляции, небольшие расстояния между жилами, их несимметричное взаимное расположение и с металлическими защитными покровами создают дополнительные связи между цепями. Эти причины увеличивают влияние за счёт потерь в диэлектрике и металле.
Как известно, электрические связи между цепями определяются по формуле:
,
а магнитные связи:
Эквивалентные схемы электрической и магнитной связей между цепями показаны на рис.2(а,б).
На рис.2 показаны две цепи:
жила 1-2 - влияющая - цепь 1;
жила 3-4 - подверженная влиянию - цепь 2.
-частичные ёмкости;
- частичные проводимости;
- частичные индуктивности;
- частичные сопротивления.
Связь между цепями будет отсутствовать, если электрический мост будет сбалансированным.
Рассмотрим природу и характер действия электрических и магнитных связей между цепями.
Емкостная связь. С12 является результатом асимметрии частичных ёмкостей между жилами влияющей и подверженной влиянию цепей (рис. 2а). Частичные ёмкости образуют так называемый мост. Если мост симметричен и находится в уравновешенном состоянии, то перехода энергии из цепи 1 в цепь 2 не будет.
Условием симметрии моста является равенство:
.
Связь между цепями будет осуществляться, если мост неуравновешен. Эта связь является причиной возникновения мешающих влияний между цепями связи и называется ёмкостной связью:
. (1)
Индуктивная связь 
по аналогии может быть представлена мостом частичных индуктивностей, имеющих трансформаторную связь (рис. 2,б). Здесь имеем дело с магнитными потоками. Условием симметрии моста является выражение:
.
Коэффициент индуктивной связи характеризует асимметрию моста и соответственно степень перехода энергии из цепи 1 в цепь 2, т. е. будет наблюдаться мешающее влияние одной цепи на другую:
. (2)
Активная составляющая электрической связи g12 обусловлена асимметрией потерь энергии в диэлектрике. В этом случае плечи моста представляют собой эквивалентные потери энергии в диэлектрике, окружающем кабельные жилы, (рис. 2,а).
Если по жилам кабеля протекает переменный ток, то диэлектрик вносит потери, пропорциональные проводимости изоляции
.
Если диэлектрик неоднороден по своим электрическим свойствам, или толщина изоляции жил различна, или кабель деформирован в разных местах и т. д. , то частичные проводники диэлектриков
будут неодинаковы. Это нарушает симметрию моста и создаёт условия для взаимного перехода энергии между цепями. Активная составляющая электрической связи:
. (3)
Активная составляющая магнитной связи r12, или так называемая активная связь, обусловлена вихревыми токами. При прохождении переменного тока по цепи кабеля в соседних жилах за счёт переменного магнитного поля наводятся вихревые токи, вызывающие дополнительные потери энергии в цепи передачи. Аналогичные потери имеют место в экране, свинцовой, алюминиевой оболочке и других металлических частях кабеля.
Несимметричность расположения жил одной цепи относительно жил другой цепи и металлических оболочек кабеля, а также применение жил различного диаметра и электрических свойств приводят к асимметрии потерь на вихревых токи, что проявляется в виде расстройки моста связей (рис. 2,б). В результате создаётся асимметрия активных потерь энергии, характеризуемая связью
. (4)
Величина активной связи тем больше, чем больше различаются жилы по активному сопротивлению и потерям энергии на вихревые токи в соседней цепи, экране, оболочке и других металлических частях кабеля.
Активная составляющая электрической связи обуславливается асимметрией потерь в диэлектрике, а активная составляющая магнитной связи - асимметрией потерь в металле.
Величины 
называются первичными параметрами влияния.
Величина переходного затухания А, характеризующая затухание токов влияния при переходе с 1-ой цепи на вторую называется вторичными параметрами влияния.
Как уже указывалось ранее, при взаимных влияниях всегда учитывают совместное действие электрического и магнитного полей и поэтому необходимо рассматривать отдельно влияние на ближнем и дальнем концах.
Коэффициенты электромагнитной связи между цепями в кабеле на ближнем 
и дальнем 
концах определяются:
- на ближнем
, См/км;
- на дальнем
, См/км.
Эти коэффициенты зависят от частоты.
Рассмотрим зависимость электромагнитной связи от частоты.
13.4. Частотные зависимости электромагнитных связей
В кабельных цепях необходимо учитывать все четыре первичных параметра влияния, причем в зависимости от частоты соотношение и удельная значимость их меняется.
Примерное соотношение отдельных связей в строительных длинах при разных частотах от общей величины связи представлено на рисунке 3.
Из графика следует:
1) В области НЧ (тональный спектр) доминируют емкостные связи 
, другие составляющие связей в этом диапазоне можно не учитывать;
2) С возрастанием частоты увеличивается удельная значимость магнитного влияния и, уже начиная примерно с 35 кГц, индуктивные связи становятся равными емкостным 
;
3) Активные связи 
и 
, практически равные нулю на низких частотах и при постоянном токе, в области ВЧ существенно возрастают, В среднем соотношение активных и реактивных составляющих равно 
; 
;
4) Индуктивные и ёмкостные связи в кабелях соотносятся как: 
. Для кабелей со звездной скруткой 
Ом , т.е. 
Гн/Ф. Поэтому, если известны величины 
(которая обычно нормируется в ТУ на кабели связи), то легко определить и величину . Так если 
пФ на строительную длину кабеля, то 
нГн.
При ВЧ передаче по кабелям необходимо считаться со всеми составляющими связей. В области НЧ достаточно учитывать лишь ёмкостную связь, а с остальными можно не считаться.
14. Основное уравнение влияния между цепями
14.1. Токи электрического влияния ближнем и дальнем концах
Рассмотрим общий случай, когда две двухпроводные цепи с параллельными проводами имеют различные параметры и замкнуты на концах на согласованные нагрузки (рис. 1).
Допущения:
1. Другие цепи отсутствуют;
- цепь 1 - влияющая;
- цепь 2 - подверженная влиянию;
- линии электрически длинные.
2. Цепь 2, подверженная влиянию, собственных источников энергии не имеет.
3. Цепь 1, влияющая, имеет собственный источник энергии.
4. Обозначим напряжения и токи во влияющей цепи U10, I10; на ближнем конце U20, I20 и U2l, I2l на дальнем конце цепи подверженной влиянию.
Напряжение и ток в любой точке цепи 1, расположенной на расстоянии х от её начала при согласованных нагрузках (
) определяются выражениями (уравнение однородной линии):
, (1)
, (2)
, (3)
где 
и 
- соответственно волновое сопротивление и коэффициент распространения.
За счёт электрического влияния в цепи 2 ток на участке dx равен
(4)
Этот ток разветвляется на 2 части. Одна часть направляется к ближнему концу, а другая - к дальнему (рис. 2).
При распространении они будут уменьшаться по амплитуде и изменяться по фазе и через нагрузки на концах цепей пройдут токи одинакового направления.
Допущения: За положительное направление тока примем направление по часовой стрелке, а за отрицательное - против часовой стрелки.
На ближнем конце
, (5)
а на дальнем конце
(6)
Будем полагать, что Y12 = const. Тогда полные точки электрического влияния на ближнем и дальнем концах с учётом формул (1), (2) и (3), равны:
, (7)
, (8)
14.2. Токи магнитного влияния на ближнем и дальнем концах
За счёт магнитного влияния во втором проводе на участке dx, взятом на расстоянии х от начала сближения, индуктируется продольная ЭДС
.
При согласованной нагрузке через отрезок dx во второй цепи ток будет (рис. 3) :
(9)
Ток 
замыкается по цепи последовательно проходя через нагрузки ближнего и дальнего концов в противоположных направлениях (рис. 6). С учётом волновых процессов на ближнем конце:
(10)
- на дальнем конце
(11)
Полагая Z12 = Const на всей длине сближения цепей, определим полные токи магнитного влияния:
- на ближнем конце
; (12)
- на дальнем конце
. (13)
14.3. Полный ток электромагнитного влияния на ближнем и дальнем концах
Суммарный ток влияния в цепи 2 за счёт электрического и магнитного полей, поступающий к ближнему концу, составит
.
Подставив значения 
и 
из формул (7) и (12), получим
,
и учитывая, что 
, в окончательном виде получим
, (14)
где 
- коэффициент ЭМ связи на ближнем конце.
На дальнем конце: 
. Подставив значения 
и 
из формул (8) и (13), получим
, (15)
где 
- коэффициент ЭМ связи на дальнем конце,
и
имеют размерность см/км.
В полученных уравнениях (14) и (15) величины 
и 
являются характеристиками ЭМ влияния на ближний и дальний концы, поскольку характеризуют отношение токов во влияющей и подверженной влиянию цепях. Поэтому их называют коэффициентом ЭМ связи на ближнем и дальнем концах.
Коэффициент ЭМ связи на ближнем конце:
. (16)
Коэффициент ЭМ связи на дальнем конце:
. (17)
Коэффициенты 
и 
- безразмерны.
Учитывая (16) и (17) основные уравнения влияния между цепями примут вид:
- на ближнем конце
; (18)
- на дальнем конце
. (19)
15. Переходное затухание между цепями в кабельных линиях
15.1. Переходное затухание
Взаимные влияния между цепями оцениваются величиной переходного затухания А., которое определяется как 10 lg отношения мощностей.
На ближнем конце
; дБ
На дальнем конце
. дБ
Так как 
- мощность в начале влияющей цепи;
- мощность в начале цепи, подверженной влиянию,
- мощность на дальнем конце цепи, подверженной влиянию.
Подставим 
и 
в формулы для 
и 
, получим
дБ (3)
дБ (4)
Токи 
и 
определяются по формулам определённым в предыдущей лекции. Если отношение токов 
обозначить через 
, а 
- через 
, то формулы (3) и (4) примут вид:
, дБ
, дБ
В случае, если 
(т.е. нагрузки цепей одинаковы)
, дБ
, дБ.
15.2. Защищённость между цепями
Для обеспечения надлежащего качества передачи сигналов необходимо, чтобы их мощность полезного сигнала РС превышала мощность помех РП в любой точке цепи.
Превышение мощности сигнала над мощностью помех характеризуется защищённостью.
Защищённостью называют разность уровней передаваемого полезного сигнала и помехи (сигнала, перешедшего с соседней цепи), измеренных у приёмника.
Если цепи имеют усилительные участки, то токи влияния с каждого усилительного участка на концах цепи будут равны среднему квадрату суммы токов каждого из участков. Норма защищённости на одном усилительном участке:
,
где 
- количество усилительных участков.
Норма переходного затухания определяется следующим образом:
Допустим, что имеется 2 НЧ цепи (рис. 1 ), где 
- уровни передачи в начале и в конце цепей.
Согласно определению защищённости на ближнем конце:
Откуда
- переходное затухание на ближнем конце.
При одинаковых уровнях передачи 
Защищённость на дальнем конце (у приёмника)
При одинаковы уровнях передачи
Значение защищённости нормируется. Например, защищённость между одинаковыми ВЧ каналами 2-х кабельных линий должно быть ³ 73,1 дБ, 73,9 дБ - между каналами однокабельных линий, 50,4 дБ - между каналами цветных цепей ВЛС, 47дБ - для остальных цепей на всю длину цепи.
15.3. Зависимость переходного затухания и токов влияния от длины линии и частоты тока
Влияние на ближний и дальний концы определяются токами:
(1)
(2)
Зависимость переходного затухания от частоты.
Из формул видно, что с увеличением частоты передаваемого тока возрастает взаимное влияние между цепями и соответственно снижается переходное затухание
, где 
.
, где 
.
Объясняется это тем, что с ростом частоты тока увеличивается значение ЭМ связей:
, 
, 
так как их реактивные составляющие возрастают с увеличением частоты.
Переходное затухание на дальнем конце 
>, чем переходное затухание на ближнем конце 
, т.к. на ближнем конце ЭМ поля складываются, а на дальнем - вычитаются.
Зависимость влияния и переходного затухания от длины линии.
Рассмотрим зависимость I20, а следовательно , и А0 от длины линии.
В случае, если 
и 
формула (1) перепишется:
Из формулы видно, зависимость I20 и A0 от длины определяется выражением 
т.к. 
, 
, то
Задаваясь различными значениями 
, выраженными через 
, получим 
; 
; 
.
1. Выводы. Отсюда следует, что при f=Const, с изменением длины линии модуль 
, а следовательно, I20 и A0 изменяются волнообразно.
2. Амплитуды колебаний I20 и A0 с увеличением длины цепей уменьшаются и при электрически длинных цепях, когда модуль 
, колебания прекращаются и ток стремится к пределу: 
3. Волнообразное затухающее изменение I20 и A0 объясняется тем, что токи, поступающие к ближнему концу с отдельных участков линии, имеют различные амплитуды и фазы из-за неодинаковых расстояний, проходимых ими.
Через 
происходит как бы изменение знака коэффициента ЭМ связи. Это явление называют электрическим скрещиванием.
Токи влияния на дальний конец имеют одинаковой длины путь и при одинаковых цепях складываются арифметически. Поэтому защищённость АЗ между цепями уменьшается с увеличением длины цепей. По той же причине снижается и переходное затухание на дальнем конце
.
Однако с увеличением длины цепей увеличивается 
, поэтому до некоторой длины цепей переходное затухание на дальний конец снижается, а затем возрастает.
15.4. Влияние между цепями в симметричных кабелях
Непосредственное влияние между цепями в кабеле обусловлено ЭМ связями, возникающими:
- вследствие неодинакового расстояния между жилами цепей;
- различного рода конструктивных неоднородностей;
- явлений отражения;
- через третьи цепи.
При определении влияний в кабелях сначала находят переходное затухание на строительной длине (обычно измерениями), затем производят сложение по квадратичному закону, т. к. фаза тока влияния с каждой строительной длины неизвестна.
Пусть имеется кабельная линия из n строительных длин длиной S с цепями Const. И пусть ток влияния с 1-ой строительной длины:
,
со 2-ой строительной длины: 
и т. д.
с последней строительной длины: 
, где 
.
Полный ток влияния на ближнем конце I20 имеет под корнем сумму геометрической прогрессии (убывающую) со знаменателем прогрессии 
.
Сумма геометрической прогрессии равна сумме 
.
Отношение токов:
Откуда
или 
,
где 
, 
, 
.
Т.к. D < 1, поэтому A0 < A0с.д. , т.е. переходное затухание на ближнем конце на длине усилительного участка всегда меньше, чем на строительной длине.
Переходное затухание на дальнем конце.
,
где n - число строительных длин,
s - длина кабеля в строительной длине,
Alс.д. - переходное затухание на дальнем конце на строительной
длине кабеля.
Из формулы следует, что при длинных линиях величина Аl увеличивается вследствие затухания цепи 
на усилительном участке.
Защищённость на дальнем конце усилительного участка:
т.е. защищённость на дальнем конце усилительного участка меньше защищённость на конце строительной длины.
Практическое занятие № 1
1. Предельно-допустимые значения опасных и мешающих влияний и меры защиты
Предельно-допустимые значения (нормы) опасных влияний установлены с таким расчётом, чтобы была гарантирована безопасность лиц, обслуживающих устройства автоматики телемеханики и связи, и лиц, пользующихся ими, а также, чтобы исключалась возможность повреждения устройств автоматики телемеханики и связи.
Рассмотрим нормы опасных влияний изоляции кабелей и устройств, включённых в эти цепи.
Различают нормы опасных влияний при нормальном, аварийном и вынужденном режимах работы влияющих линий.
Нормальный режим - линия работает постоянно.
Вынужденный режим - режим, отличный от нормального, при котором вынуждена работать линия длительное время.
Предельно-допустимые значения опасных магнитных влияний ЛЭП и тяговых сетей электрифицированной железной дороги для кабелей и оборудования, включённого в цепи, определяются с учётом прочности их изоляции.
Нормы опасных влияний при магнитном влиянии следующие:
Таблица 1
|
Линия связи |
Вынужденный режим |
Режим К.З.В. при t £ |
||
|
0,15 с |
0,3 с |
0,6 с |
||
| Воздушная Л.С. с деревянными опорами |
60 |
2000 |
1500 |
1000 |
| Воздушная линия Л.С. с железобетонными опорами |
36 |
390 |
240 |
160 |
| Кабельная Л.С. местной и магистральной связи | 36(Uраб) | |||
Можно принять Umin = 1800 в, - для магистральных симметричных кабелей (Uисп. МКПАБ=2000 в). Если величины продольных Э.Д.С. в проводах не превышают этих норм, то на этих линиях нет необходимости в применении специальных мер защиты. Опасные напряжения между проводом (жилой) и землёй в линейных кабельных цепях автоблокировки при вынужденном режиме работы электротяги не должны быть выше 250 в, а для кабелей связи - £ Uраб.
Норма опасных напряжений и токов при электрическом влиянии.
Кроме норм опасных напряжений, обусловленных магнитным влиянием, установлены нормы опасных напряжений и токов в цепях воздушных автоматики и связи при электрическом влиянии.
Установлено, что I £ 2 мА, проходящий через тело человека, не оказывает заметного действия, и его можно считать безопасным. Повышение тока вызывает у человека дрожание пальцев рук, сокращение мускулов, боли и судороги, а при I > 10 мА, создаётся опасность для его жизни. Поэтому опасным для человека, прикоснувшегося к проводу, находящемуся под постоянно действующим индуктированным напряжением, принято считать I> 10 мА.
При кратковременном прохождении I через тело человека опасность поражения снижается и тем больше, чем меньше время действия тока.
Допустимые значения напряжений устанавливаются с точки зрения опасности для жизни человека и с точки зрения опасности пробоя изоляции кабеля и устройств, включенных в эти цепию.
Допустимые величины (нормы) мешающих влияний для телефонных каналов низкой частоты и телеграфных цепей.
Действие помех с различными частотами на качество телефонной передачи неодинаково вследствие неравномерности частотной характеристики чувствительности уха. Ухо имеет максимальную чувствительность на частотах около 2000 Гц. Для системы микрофон-телефон-ухо этот максимум смещается в область частот около 1000 Гц, а неравномерность их чувствительности увеличивается.
При влиянии ЛЭП и тяговых сетей электрифицированной железной дороги в цепях связи возникают напряжения и токи различных частот, т. к. во влияющих линиях всегда действуют гармонические составляющие. Эти индуктированные напряжения и токи вызывают в телефонных каналах связи НЧ появление шумов.
Чтобы оценить воздействие токов различных частотах, принято сравнивать их акустическое воздействие с акустическим воздействием тока такой же амплитуды, но с f = 800 Гц, которая является в технике связи расчётной для каналов НЧ.
Отношение акустического воздействия тока в телефоне с частотой f Аf к акустическому воздействию такого же тока с частотой 800 Гц А800 называется коэффициентом акустического воздействия Рf.
.
Зависимость 
от f показана на рис. 1.
Для определения полного индуктированного UШ необходимо найти индуктированное U каждой гармонической составляющей 
, помножить на соответствующие коэффициенты акустического воздействия 
и сложить по квадратному закону.
называется псофометрическим напряжением.
Таким образом, псофометрическое напряжение - это такое напряжение с частотой 800 Гц, которое, действуя в телефонной цепи вместо индуктированных напряжений с различными частотами, оказывает одинаковое с ними мешающее действие.
Действующие нормы шума приведены в таблице 2.
Таблица 2.
|
Цепь связи |
Uш, мВ |
Длина сближения к которой отнесена норма | Точка цепи, к которой отнесена норма |
| Междугородная
(Мин-во связи) |
1,5 |
Усилительный
участок |
Вход усилителя или межгоркоммутатора при уровне полезного сигнала 0,8 НП= 6,94 дБ |
| Постанционная
Дорожная МПС |
1,5 |
Усилительный
участок |
|
| Избирательная |
1,0 |
Длина круга |
Вх.усилит. или коммутатора при ур-не
полезного сигнала 1,6 НП = 13,88 дБ |
| Межстанционная |
2,25 |
Длина круга |
Линейные зажимы телеф. аппарата |
| Городская и внутри
районная |
1,5 |
От абонента до междугор.станц. |
Линейные зажимы телеф. аппарата |
Эти нормы действительны при волновом сопротивлении 600 Ом. Если цепь имеет другое волновое сопротивление, то допустимую величину Uш определяют, умножая приведённые величины на коэффициент:
,
где Z - модуль волнового сопротивления цепи.
Если линия связи имеет сближение с влияющими источниками, принадлежащими МПС ( контактная сеть э. ж. д. , ВВСЛА и продольного снабжения), и с линиями электропередачи других ведомств, то приведённые в таблице 2 нормы напряжения шума распределяют между влияющими линиями в следующем соотношении:
Для электрифицированных участков эти нормы разделяются:
- 0,8 нормы относится к тяговым сетям и ВВ линиям автоблокировки;
- 0,6 - к прочим линиям сильного тока.
При одновременном влиянии нескольких ВВЛ на линии АТС общее напряжение шума определяется как корень квадратный из суммы квадратов отдельных составляющих, обусловленных влиянием каждой ВВЛ.
Заметное искажение телегоафной работы получается при мешающем токе > 5% величины рабочего тока.
Значение рабочего тока на приёмном конце может быть принято = 20 мА и тогда допустимым мешающим током будет ток не более 1 мА.
2. Меры защиты от опасных и мешающих влияний
При проектировании линий сильного тока или линии А. ,Т. и С. необходимо размещать их трассы таким образом, чтобы избежать появления в цепях А., Т. и С. индуктированных напряжений и токов, превышающих допустимые величины. Если сделать это нельзя, по местным условиям или по экономическим соображениям, то применяются меры защиты.
Таблица 3
|
Линия |
Меры защиты от влияний |
|
|
опасного |
мешающего |
|
| ЛЭП, контактная сеть | Уменьшение t КЗ; снижение IКЗ , подвеска защитных тросов, включение в контактную сеть отсасывающих трансформаторов. |
Транспозиция проводов, подвеска защитных тросов, отсасывающих трансформаторов, включение в контактную сеть фильтров. |
| Линия АТС | Применение разрядников, дренажных катушек, разделительных трансформаторов, замена ВСЛ кабельной | Дренажные катушки, отказ от работы по однопроводным цепям; замена крюкового профиля траверсным. Замена ВЛС кабельной. |
Разрядники РБ-280, Р-350, Р-35, РВНШ-250, РВН- 250.
Разрядники типа РБ-280 включаются между проводом и землёй и срабатывают в случае, когда индуктированное напряжение относительно земли превышает их разрядное напряжение.
Обозначение:Р - разрядник; Б - бариевый; 280 В - среднее разрядное напряжение. Отклонение допускается ± 30 В.
Устройство. Разрядник состоит из колбы, в которой помещаются 2 электрода, в состав которых входит барий. Колбы заполняются аргоном. Разрядники должны выдержать ток 30 А в течение 10 сек.
Неодинаковое разрядное напряжение разрядников, подключённых к проводам 2-проводной телефонной цепи, вызывает опасность акустического удара. При появлении на проводах цепи индуктированного напряжения один из разрядников срабатывает по времени раньше другого, подключённого ко 2-му проводу, и индуктированная энергия со 2-го провода будет отводиться в землю через телефон и работающий разрядник 1-го провода (рис. 2 ). В результате возможно резкое колебание мембраны телефона с большой амплитудой и, как последствие, - акустический удар, могущий привести к нарушению слуха.
Для защиты от акустического удара применяются диоды, включаемые параллельно телефону и шунтирующие его при появлении на проводах индуктированного напряжения.
Такие устройства называются ограничителями акустического удара (фриттер). Расчётами определяются места установки разрядников РБ - 280 и сопротивления заземления для них.
Кол-во разрядников на 100 км линии для уплотнённой цепи 15 штук, для неуплотнённой - 25.
Устройство разрядников Р-350, Р-35 аналогичное РБ-280, только колба имеет цилиндрическую форму. Р-350 - двухэлектродный, а Р-35 - трёхэлектродный.
РВН-250, РВНШ-250 отличается тем, что последовательно с разрядником включается веллитовое сопртивление. Оно имеет ВАХ:
Оно включается в тех цепях, у которых рабочее напряжение меньше остаточного напряжения на разряднике.
Разрядник Р-350 имеет стеклянный баллон, наполненный аргоном или водородом, в котором имеются 2 металлических электрода, в состав которых входит барий. На оба конца баллона надеты латунные колпачки с ножевыми контактами, соединёнными с электродами.
Разделительные трансформаторы. Величина индуктированной продольной ЭДС на проводах 2-хпроводной цепи может быть уменьшена путём деления цепи на отдельные, гальванически не соединённые между собой участки с помощью разделительных трансформаторов Ртр1 - Ртр3 (рис. 4).
Количество устанавливаемых трансформаторов 
,
где 
- ЭДС, индуктированная на всём участке;
- допустимая ЭДС.
Трансформаторы должны пропускать необходимую полосу частот, иметь достаточную электрическую прочность изоляции, малые частотные искажения в пропускаемой полосе частот и малое затухание.
Недостаток - невозможность передачи постоянного тока, что необходимо для измерения цепей.
Дренажные катушки.
Для уменьшения помех и снижения опасности акустического удара разрядники Р-350 включаются вместе с дренажной катушкой (рис. 5)
Две полуобмотки катушки, намотанные на общий сердечник из ферромагнитного материала, препятствуют замыканию цепи во время пробоя разрядников. При работе 1-го из разрядников во 2-ой полуобмотке, включённой с ещё не работающим разрядником, индуктируется ЭДС, увеличивая U провода относительно земли, и тем самым ускоряется срабатывание 2-го разрядника. Дренажная катушка должна быть симметричной и пропускать Iдоп.
Экранирование.
Уменьшение опасных и мешающих влияний возможно с помощью экранов. Практически экранами могут быть :
- металлические защитные оболочки и броневые покровы кабелей;
- тросы, подвешиваемые на влияющих линиях;
- рельсы и т. д.;
- металлические трубопроводу и другие металлические сооружения, расположенные вдоль участка сближения, а также
- лесные насаждения, разделяющие трассы линий.
Экранирование на НУ заключается в следующем:
Пусть имеем (рис. 6):
1 - влияющий провод;
2 - провод, подверженный влиянию;
Э - металлический экран.
Когда по проводу 1 протекает I1, то в экране и проводе 2 появятся индуктированные ЭДС, векторы которых ЕЭ и Е2 (рис. 7) будут отставать от I1 на 90°.
Индуктированная в экране ЭДС вызовет в нём ток IЭ, который будет отставать от ЕЭ на угол j. Ток IЭ в свою очередь возбуждает в проводе 2 ЭДС Е2Э, которая будет отставать от него на 90°. Результирующая ЭДС в проводе 2 определяется геометрической суммой Е2 и Е2Э, которая будет тем меньше, чем ближе угол j к 90°. Угол j зависит от соотношения индуктивного и активного сопротивлений экрана.
Таким образом, защитное действие экрана будет тем больше, чем меньше 
и больше 
индуктивность 
. Следовательно, защитное действие медного троса больше, чем сталеалюминиевого и стального. Защитное действие оболочки кабеля из алюминия больше, чем из свинца. Броня кабеля из стальных лент с повышенной 
даст больший экранирующий эффект, чем обычная броня из стальных лент. Чем чаще и лучше экран заземлён, тем эффективность его больше.
Количественно экранирующее действие экранов оценивается коэффициентом экранирования S0.
Коэффициентом экранирования называется отношение ЭДС, индуктированной в проводе при наличии экрана, к ЭДС, индуктированной при его отсутствии:
Коэффициент экранирования также оценивается через параметры сопротивлений между цепями:
Коэффициент экранирования рельсов 
Таблица 4
|
Проводимость Земли, |
Электрифицированный |
Неэлектрифицированный |
||
|
См/м |
Однопутный | 2-х путный | Однопутный | 2-х путный |
|
1×10-3 - 10×10-3 |
0,45 - 0,50 |
0,40 - 0,45 |
В среднем |
В среднем |
|
10×10-3 - 50×10-3 |
0,50 - 0,55 |
0,45 - 0,50 |
0,85 |
0,80 |
|
50×10-3 - 100×10-3 |
0,55 - 0,60 |
0,50 - 0,55 |
- |
- |
Коэффициент экранирования заземлённых тросов
Таблица 5
|
Сопротивление r, |
Коэффициент экранирования при сечении троса, мм |
|||
|
50 |
120 |
|||
|
Ом/м |
медного |
алюминиевого |
медного |
алюминиевого |
|
5 - 100 |
0,65 |
0,7 |
0,58 |
0,6 |
|
100 - 500 |
0,58 |
0,63 |
0,52 |
0,53 |
где 
- полное взаимное сопротивление между влияющим проводом и экраном (рис. 7.11)
- то же между проводом 2 и экраном Э;
- то же между проводами 1 и 2;
- полное сопротивление экрана, включая сопротивления заземлений.
При определении 
рельсов электрифицированных железных дорог следует учитывать экранирующее действие обратного тягового тока Im, текущего в рельсах. Рельсы полностью не изолированы от земли, и поэтому обратный Im частично проходит в земле. Im обратное наибольше в рельсах будет у тяговых подстанций и у электровоза, а наименьшее посередине между электровозом и подстанцией.
Значение величины коэффициента экранирующего действия соседних жил кабеля 7´4´1,2 
, а кабеля 14´4´1,2 - 
.
При определении величины электрического влияния на цепи ВЛ учитывают экранирующее действие заземлённых тросов, подвешиваемых на ЛЭП, и деревьев, 
.
Экранирующее действие деревьев учитывают лишь в том случае, если линии проходят через лес по отдельным просекам.
Отсасывающие трансформаторы.
Отсасывающие трансформаторы применяются для уменьшения магнитного влияния тяговых сетей электрических железных дорог переменного тока. Это силовые трансформаторы с n=0,8 ¸ 1, р ³ 800 кВА, первая обмотка которых включается последовательно в тяговую сеть, а вторая - в провод обратного тока (ПОТ), подвешиваемый на опорах тяговой сети (рис. 8) или в рельсы (рис. 9).
При протекании Im по первым обмоткам трансформаторов во вторых обмотках и проводе обратного тока будет проходить ток, близкий по величине току тяговой сети, но обратного направления.
Таким образом, несимметричная цепь тяговой сети становится более симметричной, приближаясь с точки зрения влияний к двухпроводной цепи.
Если отсасывающие трансформвторы ОТ включаются в рельсы, то ток в них значительно увеличивается, что улучшает экранирующее действие рельсов.
Защитное действие ОТ зависит от расстояния между трансформаторами, взаимного расположения линии, подверженной влиянию, и тяговой сети, сопротивления рельсов относительно земли, удельного сопротивления земли и т. д.
При включении ОТ в провод обратного тока 
, при включении в рельсы (рис. 9) 
.
Использование отсасывающих трансформаторов в качестве меры защиты от опасных и мешающих влияний удорожает строительство тяговой сети, усложняет эксплуатацию и увеличивает потери электроэнергии, но при необходимости защиты дорогостоящих действующих сооружений (магистральных кабелей, трубопроводов, сконцентрированных кабельных сетей местной связи и т. п.) их применение может быть оправдано.
Сглаживающие фильтры.
Сглаживающие фильтры препятствуют распространению гармонических составляющих вдоль линии. Широко применяются на э.ж.д. постоянного тока.
Устанавливаются на тяговых подстанциях и включаются в тяговую сеть.
В тяговой сети присутствуют гармоники (300, 600, 900 Гц и т. д.) создаваемых шестифазными выпрямителями, но и кратные 100 Гц из-за несимметрии фазных U ЛЭП, питающих тяговые подстанции, и нарушение режима работы и регулирования выпрямителей во время эксплуатации. Поэтому применяемые в настоящее время сглаживающие устройства содержат резонансные контуры, настроенные на частоты гармоник, имеющих наибольшие амплитуды, реакторы L1 и L2 и конденсаторы, образующие фильтры, запирают гармоники и более высоких частот (рис. 10).
Принцип действия 1-го звена сглаживающего устройства:
Гармоника напряжения с частотой f, возникшая на зажимах выпрямительного агрегата РВ, создаёт ток в цепи: один из зажимов РВ, резонансный контур, реактор L1, 2-ой зажим агрегата. Если контур настроен в резонанс с частотой этой гармоники, то его сопротивление для токов этой частоты будет весьма мало, т. к. определяется только величиной активного сопротивления катушки индуктивности.
Полное сопротивления реактора ZР с индуктивностью L1 для тока гармоники с частотой f равно
Индуктивность реактора выбирают таким образом, стобы его полное сопротивление 
>>активного сопротивления катушки индуктивности контура. В этом случае падение напряжения, вызванного током f, на реакторе будет >>падения напряжения на соответствующем этой гармонике резонансном контуре.
Следовательно, только небольшая часть напряжения с частотой f попадёт в цепь “контактная сеть - рельсы”, параллельно которой присоединены резонансные контуры.
2-ое звено состоит из реактора L2, параллельно которому включены Lш и Cш; С11 включён между контактным проводом и рельсами. L2, Сш и Lш представляют фильтр пробку, настроенную на f = 300 Гц. Эта гармоника таким образом ещё сильнее снижена в контактной сети. С11 - шунт, через которые замыкаются высшие гармоники.
Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживающего действия.
Коэффициентом сглаживающего действия называют отношение псофометрического напряжения 
, измеренного на входе фильтра, к псофометрическому напряжению, измеренного на его выходе
При L1 = L2 = 5 мГн КСД1 =65, а фильтра 2 КСД2 = 250.
Если индуктивность реакторов = 4,5 мГн, то КСД1 = 55, КСД2 = 180.
Для уменьшения мешающего влияния устраняют транспозицию проводов ЛЭП, выравнивают загрузку фаз. Линии связи переводят с крюкового профиля на траверсный, повышают уровни передачи в телефонных цепях и т. д.
Практическое занятие № 2. Меры защиты от взаимных влияний
1. Скрещивание цепей воздушных линий
Переходное затухание между нескрещенными цепями недопустимо велико. Для его уменьшения все двухпроводные цепи скрещивают, т.е. периодически меняют их провода местами.
При скрещивании цепи токи влияния, поступающие в нагрузки, включенные на концах цепей с каждых двух соседних участков, имеют противоположное направление и общее влияние между цепями уменьшается.
Такое положение равносильно изменению знака коэффициентов электромагнитной связи при скрещивании. Если на первом участке считать K0 величиной положительной, то на втором участке после скрещивания K0 отрицательна, на третьем - снова положительна и т.д.
При скрещивании обеих цепей в одном месте уменьшение влияния не будет, так как K0 и Kl дважды изменяют свой знак. Поэтому при подвеске на линии нескольких цепей каждая из них должна быть скрещена по своей схеме. Однако полная компенсация токов влияния скрещиванием все таки невозможна, так как токи влияния на ближний конец с отдельных участков отличаются по амплитуде и фазе. При нечетном числе участков всегда остается полностью нескомпенсированный участок, называемый неуравновешенной длиной линии. Линии связи всегда многопроводны и имеют различную длину. Поэтому скрещивание удобнее устраивать отдельными участками, секциями, на которых заканчивались бы схемы скрещивания всех цепей и отсутствовала неуравновешенная длина линии.
Секции составляют из 2n-элементов, где n ¾ целое положительное число. За длину элемента принимают отрезки линии, равные одному, двум, трем пролетам. Чем больше в секции элементов, тем больше можно получить различных схем скрещивания.
На протяжении секции можно получить 2N-1 различных схем скрещивания.
Практически применяют секции из 8, 16, 32, 64, 128 и реже 256 элементов. Секции из 128 и 256 элементов называют основными, а остальные ¾ укороченными.
При проектировании и строительстве воздушных линий в первую очередь размещают основные секции, так как они позволяют получить лучшую взаимную защищенность для большого количества цепей. Укороченные секции применяют, если на линиях не укладывается целое число основных секций.
При составлении схемы скрещивания пользуются условными обозначениями, называемыми индексами.
Скрещивание цепей через равные промежутки (рис. 1) обозначают одноцифровыми индексами.
Через один эемент ¾ 1, через два элемента ¾ 2, через четыре ¾ 4 и т.д. Эти индексы и схемы скрещивания называют основными. Схемы, обозначаемые двумя индексами, получаются наложением основных схем. Например, если цепь, скрещенную по индексу 1, вторично скрестить по индексу 2, то через каждые два элемента скрещивания совпадут. Два скрещивания в одной точке взаимно компенсируются, и в результате цепь будет скрещена по индексам 1-2.
Цепь, скрещенную по индексам 1-2, можно дополнительно скрестить по индексу 8, и тогда схема скрещивания будет определяться индексами 1-2-8 и т.д.
Увеличение переходного затухания на ближний конец между скрещенными цепями зависит от схемы взаимной защищенности, которая определяется скрещиваниями цепей, не совпадающими при наложении схем друг на друга.
Например, если одна цепь скрещена по индексам 1-4, а вторая по 1-8 (рис. 1), то, наложив одну схему на другую, можно видеть, что схема взаимной защищенности имеет индексы 4-8.
Следовательно, для того, чтобы установить схему взаимной защищенности между любыми цепями, достаточно исключить одинаковые индексы из схемы скрещивания обеих цепей. Оставшиеся индексы и будут определять схему взаимной защищенности.
2. Симметрирования кабелей связи
Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики ( в пределах допустимых ТУ), и от того, как они будут соединены, зависит их защищенность от взаимных влияний и влияний внешних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с симметричными кабелями проводят симметрирование.
Симметрированием называют комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний.
Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в НЧ (до 4 кГц) кабелях преобладают электрические связи, а в ВЧ ¾ электромагнитные комплексные связи. Исходя из этого в НЧ кабелях достаточно провдить 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.
Скрутка кабельных цепей. Для уменьшения взаимных и внешних влияний изолированные жилы симметричных кабелей скручиваются в группы звездной (четверочной) или парной скруткой.
При звездной скрутке четыре изолированные жилы располагаются по углам квадрата, чем достигается симметричное расположение жил одной цепи относительно жил другой, и, таким образом, снижается влияние вследствие поперечной асимметрии. Однако строго симметричного расположения жил получить невозможно из-за конструктивных неоднородностей. Влияние между цепями различных четверок уменьшается скруткой.
Скрутка жил не только снижает влияние вследствие поперечной симметрии, но и уменьшает продольную асимметрию, так как выравниваются расстояния жил относительно оболочки.
Действие скрутки аналогично скрещиванию проводов на воздушной линии связи. Скрутка представляет собой равномерное, непрерывное вращение жил относительно оси с неизменным шагом по всей длине кабеля.
Шагом скрутки называют длину участка, на котором жилы группы совершают полный оборот вокруг оси скручивания.
С учетом требований к гибкости и устойчивости конструкций кабеля длину шагов скрутки в группы принимают равной 100-300 мм, а повивов ¾ 400-600 мм (кабели дальней связи).
Шаги скрутки различных групп должны быть согласованы. Подбор и согласование шагов производится по участкам, называемым секциями симметрии или секциями защиты.
Длина секции не должна быть больше одной восьмой длины волны высшей передаваемой частоты.
Согласование шагов каждой группы со всеми остальными находится в зависимости от спектра передаваемых частот. Если кабель НЧ, то при четном количестве групп в повиве достаточно взять два согласованных шага I, II и чередовать так, как показано на рис. 1.
При нечетном количестве групп в повиве потребуется 3 различных шага для того, чтобы избежать появления соседних групп, скрещенных с одинаковым шагом.
В ВЧ кабелях шаги скрутки всех групп должны быть неодинаковы и согласованы между собой.
Это объясняется тем, что в НЧ кабелях влияние между цепями обусловлено только одной емкостной связью, для которой промежуточные группы действуют как экран. В ВЧ кабелях необходимо считаться со всеми видами связи.
Для уменьшения влияния между группами, находящимися в соседних повивах, последние скручиваются в разные стороны, и шаги скрутки согласовываются с шагами скрутки групп.
При пучковой скрутке (городские кабели) повивы в пучках скручиваются в одну сторону, что позволяет уменьшить сечение сердечника кабеля. Для обеспечения механической устойчивости при такой скрутке направление скрутки всего сердечника противоположно направлению скрутки его пучков.
Изобразим кабель, содержащий одну четверку, помещенную в оболочку (рис. 2).
Переход энергии на кабельные цепи происходит через землю и защитные металлические оболочки кабеля.
3. Симметрирование при помощи контуров противосвязи
Сущность этого способа: токи влияния, вызванные электромагнитными связями между цепями компенсируются токами влияния противоположной фазы, создаваемыми с помощью контуров, включаемых между цепями.
На рис. 3 приведены две реальные цепи, распределенные по длине связи, для ближнего и дальнего концов показаны в виде сосредоточенных эквивалентных связей Коэ и Кlэ.
Компенсация токов влияния, вызываемых этими эквивалентными связями осуществляется при помощи противосвязей Коп и Кlп.
На основании рис.3 ток влияния на ближнем конце
,
а ток противосвязи
.
Следовательно, при условии полной компенсации 
значение противосвязи для ближнего конца
.
Аналогично для дальнего конца
Вывод:
Так как 
и 
зависит от f, то полная компенсация влияния на ближний конец возможно только на одной частоте. На частотах, близких к ней, компенсация будет неполной. Кроме того, чем больше и и разность 
, тем в меньшем диапазоне частот сохраняется эффективностьь симметрирования. Поэтому полная компенсация будет в том случае, когда контур противосвязи включен в месте расположения естественной связи, что практически осуществить трудно. Часто устанавливать контуры экономически невыгодно.
Длина пути токов влияния на дальний конец со всех участков линии одинакова. И при =, 
во всем диапазоне передаваемых частот, если контур точно воспроизводит частотную зависимость естетственной связи возможна компенсация влияния на дальний конец.
При этом противосвязь может быть включена в любом месте усилительного участка. Все же целесообразнее включать в середине участка, для того чтобы не увеличивать влияния на ближний конец.
Электромагнитные связи между цепями носят комплексный характер, и 
. Поэтому контуры противосвязи должны иметь такую же характеристику, но воспроизводить действующие в кабеле связи в противофазе.
Контуры противосвязи комплектуются из R и C или из R и L. Применяются и специальные дифференциальные трансформаторы. Наибольшее применение получили контуры из R и C, соединенные последовательно. Параллельное соединение R и C снижает сопротивление изоляции цепей.
Настройка контуров осуществляется подбором величин R и C и включением в соответствующие жилы цепей.
Литература
1. Виноградов В.В., Кузьмин В.И., Гончаров А.Я. Линии автоматики, телемеханики и связи на ж.д.т. -М: Тр-т:, 1990.-231с.
2. Марков М.В., Михайлов А.Ф. Линейные сооружения ж.д. автоматики, телемеханики и связи ¾ М.: Тр-т, 1986.-360с.
3. Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи .-М.: Радио и связь, 1988.-544с.
4. Ионов А.Д., Попов Б.В. Линии связи.-М.: Радио и связь.-1990.-168с.