Токопроводящие линии связи

Тема № 3.

Все направляющие системы, предназначенные для передачи информации с помощью электрических токов, характеризуются наличием в их составе двух проводников, изолированных друг от друга, необходимых для создания замкнутой электрической цепи. Поэтому, в системах связи принято оперировать понятием электрической пары или сокращённо пары. Все токопроводящие линии связи принято подразделять на симметричные и несимметричные. Электрическая симметричность либо несимметричность линий определяется параметрами проводников в составе пары. В случае если электрические параметры обоих проводников одинаковы, линия называется симметричной. Симметричными являются воздушные и симметричные кабельные линии связи. Если же параметры проводников в составе пары различаются, такие линии называются несимметричными. К несимметричным относят коаксиальные кабельные линии связи, фантомные цепи, однопроводные линии, использующие в качестве второго провода «землю».

Симметричные линии связи являются на настоящий момент преобладающими среди общего числа линий. Ранее широко использовавшиеся воздушные линии в настоящее время практически полностью выведены из эксплуатации, как устаревшие. Поэтому под симметричными принято понимать линии связи организованные на основе симметричных кабелей связи.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при прохождении информационного электрического сигнала по проводнику. Как было сказано выше, информационные сигналы представляют собой переменный электрический ток (поток электрических зарядов) сравнительно небольшой амплитуды, содержащий в себе набор составляющих различной частоты. Из курса «Общей физики» известно, что электрические заряды, пребывающие в движении, являются носителями электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля. Эти составляющие распространяются в пространстве вокруг заряда равномерно во всех направлениях. Интенсивность этих полей в пространстве имеет убывающую зависимость от расстояния. Известно также, что поля от различных зарядов воздействуют друг на друга. Поскольку расстояние между проводниками в составе пары относительно невелико, то суммарные электромагнитные поля зарядов в проводниках взаимно перераспределяют структуру друг друга.

Рис. 3.1. Взаимодействие полей проводников в паре.

Как видно из рисунка, плотность тока в проводнике, подверженном влиянию, увеличивается в области приближенной к влияющему проводнику и убывает по мере удаления от него. Таким образом, электрический ток протекает не по всему поперечному сечению проводника, а только по части его. Это приводит к увеличению сопротивления проводника протеканию тока, а, следовательно, к увеличению потерь энергии. Рассмотренное явление получило наименование эффекта близости, и должно учитываться при расчёте параметров передачи сигналов.

Вторым влияющим фактором является поверхностный эффект. Он заключается в том, что переменный ток протекает только по поверхностному слою поперечного сечения проводника, не проникая в центр. Для численного описания поверхностного эффекта используется коэффициент распространения волны электрического тока в металлах.

, (3.1)

где: , Гц - круговая частота тока,

m_а, Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость металла,

r, Ом·м - удельное сопротивление металла.

Чем больше коэффициент распространения, тем сильнее затухает электрический ток в проводнике и тем менее глубоко он проникает в проводник. Как видно из формулы (3.1), величина коэффициента распространения зависит от частоты протекающего тока, и по мере её увеличения уменьшается площадь поперечного сечения проводника, по которому протекает ток. Это также приводит к увеличению электрического сопротивления проводника.

Рис. 3.2. Поверхностный эффект в проводнике.

В зависимости от материала проводников и их геометрических размеров определяются первичные электрические параметры этих проводников. Первичными параметрами являются индуктивность и сопротивление проводов цепи, а также ёмкость и проводимость изоляции между проводами.

При определении первичных параметров симметричной кабельной линии связи необходимо учитывать тот факт, что для придания кабелю дополнительной гибкости проводники внутри пары, а также пары внутри сердечника скручиваются. Вследствие этого линейная длина пары кабеля несколько меньше, чем линейные длины составляющих её проводников. Для учёта этого явления был введён коэффициент укрутки (или спиральности) c (хи), значение которого является паспортной величиной.

Сопротивление проводов кабельной пары характеризует потерю энергии информационного сигнала на нагрев проводов. Различают сопротивление кабельной пары при постоянном и переменном электрическом токе. При постоянном токе, плотность которого одинакова по всему сечению проводника, сопротивление определяется по формуле:

, Ом/км, (3.2)

где: r, Ом·м - удельное сопротивление материала проводника,

l, м - длина проводника,

s, м ² - площадь поперечного сечения проводника,

d, м - диаметр проводника,

c - коэффициент укрутки.

В случае прохождения по паре кабеля переменного электрического тока его величина определяется по формуле:

, Ом/км, (3.3)

где: d, м - диаметр проводника,

а, м - расстояние между осями проводников,

F (x) - функция, учитывающая поверхностный эффект в проводнике,

G (x) и H (x) - функции, учитывающие эффект близости проводников в паре,

ΔR, Ом/км - дополнительное сопротивление за счёт потерь энергии на образование вихревых

токов в соседних парах и металлических оболочках кабеля.

Индуктивность проводов кабельной пары характеризует их способность накапливать энергию магнитной составляющей электромагнитного поля и определяется по формуле:

, Гн/км, (3.4)

где: μ - относительная магнитная проницаемость провода,

Q (x) - функция, учитывающая влияние поверхностного эффекта в проводнике на

индуктивность.

Ёмкость изоляции кабельной пары характеризует способность пары накапливать энергию электрической составляющей электромагнитного поля. Ёмкость определяется также с учётом воздействия на рассматриваемую цепь соседних пар и оболочек кабеля.

, Ф/км, (3.5)

где: ε_р - рабочая относительная диэлектрическая проницаемость изоляции,

ψ - коэффициент сближения жил пары с жилами других цепей.

Сопротивление изоляции современных кабелей связи очень велико, поэтому проводимость изоляции, как величина обратная сопротивлению, будет весьма мала. Проводимость изоляции складывается из утечек постоянного и переменного токов. В кабельных линиях утечка постоянного тока равна нулю. Поэтому общая проводимость изоляции определяется переменной составляющей и зависит от ёмкости изоляции.

, См/км, (3.6.)

где: tgδ_р - результирующий тангенс угла потерь в изоляции.

При решении таких задач, как определение дальности передачи, оценка искажений сигналов очень удобно пользоваться волновыми или вторичными параметрами цепей: волновым сопротивлением и коэффициентом распространения волны.

Волновое сопротивление определяет собой отношение в любой точке цепи напряжения к току бегущей волны, а через него и соотношение потерь энергии в проводах и в изоляции. Волновое сопротивление вычисляется по формуле:

, Ом. (3.7)

Коэффициент распространения волны определяет закономерности изменения сигнала при прохождении его вдоль длинной линии:

. (3.8.)

Действительная составляющая коэффициента распространения a называется километрическим коэффициентом затухания и показывает степень убывания амплитуды сигнала при прохождении его по кабельной линии связи. Мнимая составляющая b определяет изменение фазы сигнала при прохождении его по линии.

Конструкции симметричных кабелей связи отличаются значительным разнообразием. Основным элементом любого кабеля является кабельная жила, представляющая из себя проводник (как правило, однопроволочный) из отожённой меди, помещённый в электронепроницаемую оболочку. Выбор меди в качестве основного материала обусловлен её высокой электропроводностью и коррозионной стойкостью. Диаметр жил зависит от спектра передаваемых по ним сигналов и дальности, на которую требуется передавать информацию. Величина диаметра может находиться в диапазоне от 0.35 до 1.2 мм.

В качестве изоляционного материала кабельной жилы используются бумага, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол (стирофлекс). В кабелях местной связи, предназначенных для передачи сигналов на относительно небольшие расстояния, используется сплошная изоляция, представляющая собой сплошную трубку из выше указанных материалов (кроме стирофлекса), в которую заключен проводник. При передаче информации на дальние расстояния и более широким спектром, изолирующие свойства сплошной изоляции оказываются недостаточными. Поэтому в кабелях дальней связи применяются комбинированные виды изоляции. Поскольку наилучшим электрическим изолятором является воздух, то комбинации составляются из воздуха и указанных материалов (кроме поливинилхлорида). Такие виды изоляции получили наименование кордельных. Конструкция изоляции состоит из бумажной, либо полимерной нити – корделя, накрученной по спирали вокруг проводника; и спирально намотанной поверх корделя ленты из того же материала. Наличие в составе изоляции корделя обеспечивает воздушный промежуток между проводником и лентой.

Рис. 3.3. Виды изоляции.

Для обеспечения более одинаковых условий функционирования всех жил кабеля последние скручиваются между собой в группы различной конструкции. Наиболее распространены парная скрутка, при которой группа состоит из двух скрученных между собой жил, и звёздная (четвёрочная) скрутка.

Рис. 3.4. Виды групп.

При звёздной скрутке в группе формируется две цепи из жил, находящихся напротив друг друга. Четвёрочная скрутка обеспечивает уменьшение влияния друг на друга цепей находящихся в кабеле по сравнению с парной, поэтому четвёрочная скрутка применяется в основном в кабелях дальней связи.

Совокупность групп составляет сердечник кабеля, формирующийся с помощью повивной либо пучковой скрутки. При повивной скрутке группы в сердечнике располагаются концентрическими слоями (повивами). Центральный повив состоит из одной группы. Количество групп в верхних повивах определяется по формуле:

N=n+6, (3.9)

где n – количество групп в предыдущем повиве.

При пучковой скрутке, которая применяется только в кабелях парной скрутки, группы первоначально скручиваются в пучки по десять пар, каждый пучок перевязывается лентой либо нитью. После этого сформированные пучки скручиваются в общий сердечник по закону n+4. В кабелях дальней связи сердечники бывают только повивные. Сердечники кабелей местной связи могут иметь оба вида структуры. Концентрические слои повивов и пучков могут отделяться друг от друга поясной изоляцией: лентой или трубкой из того же материала, что и изоляция самих жил.

С целью обеспечения идентификации групп с обоих концов кабеля и на всём его протяжении, при изготовлении изоляции жил и перевязывающих нитей применяются материалы различных расцветок. Расцветка современных кабелей осуществляется согласно международному стандарту IEC 708-1. В стандарте определены пять основных маркировочных цветов в следующем порядке: синий, оранжевый, зелёный, коричневый, серый; и семь дополнительных цветов: белый, красный, чёрный, жёлтый, фиолетовый, розовый, голубой. Индивидуальность расцветки каждой группы обеспечиватся комбинаторным сочетанием перечисленных цветов. Однако на рынке и, особенно, в эксплуатации ещё в значительной степени представлены кабели, расцветка которых не соответствует указанному стандарту.

В случае невозможности чётко идентифицировать группу по расцветке или по повиву, на практике применяется проверка кабеля на соответствие групп методом «разговора».

Рис. 3.5. Схема проверки групп кабеля «на разговор».

Для противодействия вредным природным факторам и в первую очередь влаге поверх сердечника накладывается внешняя влагозащитная оболочка. В качестве материала влагозащитной оболочки используется полиэтилен, поливинилхлорид, свинец, алюминий, изредка сталь.

Кабель может нести бронезащитные покровы, из стальных лент, круглых или плоских стальных проволок, наматываемых поверх влагозащитной оболочки. При наложении брони на металлические влагозащитные оболочки, в качестве подушки может использоваться покрытие из кабельной пряжи (волокон джута), пропитанное кабельной массой на основе битума и нашатырного спирта, либо полиэтиленовый шланг. Аналогичные покрытия используют в качестве антикоррозионной защиты, накладываемой поверх броневых покровов.

Маркировка кабелей связи позволяет однозначно определить тип кабеля, его ёмкость, и использовавшиеся в производстве кабеля материалы.

Нарисовать таблицу.

Кабели местной связи обозначаются буквой «Т» (телефонный). Кабели, предназначенные по требованиям пожаробезопасности для прокладки внутри помещений, маркируются «ТС» (телефонный станционный). Сети связи средней дальности строятся на кабелях марки «ТЗ» (телефонный зоновый) Кабели дальней связи маркируются буквами «МК», что означает магистральный кабель.

Бумажная изоляция жил кабеля либо не маркируется, либо маркируется буквой «Б». Полиэтиленовая изоляция обозначается индексом «П», стирофлексная (полистирольная) – «С», виниловая (поливинилхлоридная) – «В».

При использовании в качестве материала влагозащитной оболочки свинца, эта позиция в обозначении кабеля не маркируется, алюминий маркируется индексом «А», сталь – «С», полиэтилен – «П», винил – «В».

Подушка из кабельной пряжи и битумной массы не имеет маркировки, при использовании в качестве подушки полиэтиленового шланга в маркировке ставится индекс «П» или «Шп».

Предназначенные для прокладки в трубах кабельной канализации кабели не имеют броневых покровов и обозначаются буквой «Г» (голый). Кабели для прокладки непосредственно в грунт бронируются стальными лентами с обозначением «Б», либо бронёй из круглых стальных проволок (индекс «К») или плоских стальных проволок (индекс «П»).

Маркировка защитных антикоррозионных покровов аналогична маркировке подушек.

Тип кабеля.	Материал Изоляции жил.	Материал влагозащитной оболочки.	Материал подушки.	Наличие и материал броневых покровов.	Материал защиты броневых покровов.	Количество групп.		Количество жил в группе.		Диаметр проводника жилы.
Т	_(Б)	_	_	Г	_		×		×	0.35
ТС	П	А	П (Шп)	Б	П (Шп)		×		×	0.4
	С	С		П			×		×	0.5
	В	П		К			×
		В					×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
ТЗ							×		×	0.7
МК							×		×	0.9
							×		×	1.05
							×		×	1.2
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×
							×

Отдельной группой симметричных токопроводящих кабелей являются кабели, предназначенные для построения вычислительных сетей (ВС) и структурированных кабельных сетей (СКС). Вычислительные сети предназначены только для передачи информации между компьютерами. Структурированные сети являются развитием вычислительных сетей в сторону универсализации. По структурированным сетям возможна передача одновременно телефонных сигналов, баз данных графических и видеоизображений.

Параметры кабелей, используемых при построении вышеуказанных сетей, определены в стандартах Международной организации по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссии (IEC) Ими был выпущен совместный стандарт ISO/IEC 11801.

Согласно этому стандарту все виды сигналов, принятых к передаче по сетям подразделяются на шесть классов. Класс «А» составляют речевые аналоговые сигналы и низкоскоростные данные, максимальная частота передаваемых сигналов не превышает 100 кГц. Класс «В» составляют сигналы класса «А» и среднескоростные данные, максимальная частота передаваемых сигналов не превышает 1 МГц. Класс «С» составляют сигналы класса «В» и высокоскоростные данные, максимальная частота передаваемых сигналов не превышает 16 МГц. Граничными параметрами сигналов для класса «D» является максимальная частота передаваемых сигналов 100 МГц, для класса «Е» максимальная частота передаваемых сигналов 250 МГц, для класса «F» максимальная частота передаваемых сигналов 600 МГц.

Для каждого из перечисленных классов сигналов стандартом ISO/IEC 11801 определены требующиеся категории кабелей и оконечного оборудования. На настоящий момент определены семь категорий. Кроме того, разработаны кабели категории 5е (5+), которые являются улучшенным вариантом кабелей пятой категории.

Таблица 3.1.

Категория кабеля.	Максимальная частота передаваемого сигнала.	Максимальная скорость передачи цифровой информации.	Класс передаваемых сигналов.
Категория 1	100 кГц	100 кбит/с	А
Категория 2	1 МГц	1 Мбит/с	В
Категория 3	16 МГц	16 Мбит/с	С
Категория 4	20 МГц	20 Мбит/с	D
Категория 5	100 МГц	100 Мбит/с	D
Категория 5е (5+)	100 МГц	1 Гбит/с	D
Категория 6	250 МГц	1 Гбит/с	E
Категория 7	600 МГц	1 Гбит/с	F

Выпуск кабелей первой второй и четвёртой категории не производится, поскольку сигналы классов «А» и «В» использовались в устаревших телекоммуникационных системах, а системы для кабелей четвёртой категории так и не были спроектированы.

Волновое сопротивление пар кабеля составляет 100 Ом при диаметре проводников 0.4 ÷ 0.6 мм. Максимальная дальность передачи сигналов различных классов в зависимости от категории кабеля представлена в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Категория кабеля	Класс сигналов
A	B	C	D	E	F
Категория 1	2000 м	-	-	-	-	-
Категория 2	2000 м	100 м	-	-	-	-
Категория 3	2000 м	200 м	100 м	-	-	-
Категория 4	3000 м	260 м	150 м	100 м	-	-
Категория 5	3000 м	260 м	160 м	100 м	-	-
Категория 5е	3000 м	300 м	180 м	120 м	-	-
Категория 6	3000 м	300 м	200 м	150 м	100 м	-
Категория 7	3000 м	350 м	250 м	160 м	150 м	100 м

Кабели состоят из четырёх парных групп, расцветка изоляции которых определена стандартом IEC 708-1. Согласно этому стандарту в кабеле располагаются бело-синяя, бело-оранжевая, бело-зелёная, бело-коричневая пары. В качестве материала изоляции проводников используются поливинилхлорид, маркируемый «PVC»; либо полиэтилен, маркируемый «РЕ». Подключение кабелей на оконечные устройства не подлежит строгому стандарту и определяется самим потребителем. Однако международным стандартом TIA/EIA568 для подключения линейных кабелей рекомендуется использовать одну из двух наиболее распространённых схем подключения: Т568А или Т568В. Следует также отметить, что в нашей стране исторически наибольшее распространение получила схема Т568В.

Рис. 3.6. Схема подключения кабелей на оконечные устройства.

Стандартом ISO/IEC 11801 запрещается использовать в одной сети несколько различных схем подключения.

Для повышения помехоустойчивости кабелей возможен их выпуск с различными видами защитных экранов, т.е. оболочек, предназначенных для защиты передаваемых сигналов от внешних электромагнитных наводок. В качестве материала экранов используется алюминиевая фольга или оплётка из оцинкованной медной проволоки. Если экранированию подвергается каждая пара, такие кабели маркируются согласно стандарту как STP-кабели. Экранирование пар производится только фольгированным экраном. Если экраном охватывается весь сердечник кабеля из неэкранированных пар, такие кабели по стандарту маркируются как S/UTP-кабели. Некоторые производители, отходя от стандарта, маркируют такие кабели в зависимости от материала экрана. Фольгированный экран обозначается как FTP, а оплётка – ScTP. Экранирование может носить так же комбинированный характер, когда экранированию подвергается каждая пара и сердечник в целом. Такие кабели маркируются как S/STP-кабели (по стандарту), либо внестандартными обозначениями FTP-S и ScTP-S. Кабель, не содержащий в своей конструкции экранирующих элементов, обозначается как UTP-кабель.

Внешние влагозащитные оболочки кабелей выполняются из поливинилхлорида у кабелей, предназначенных для укладки в помещениях и из полиэтилена для уличных кабелей. Цвет поливинилхлоридной изоляции может быть различным и определяться как производителем, так и заказчиком. На внешнюю оболочку наносятся маркирующие надписи, где указывается тип кабеля, диаметр и тип проводников, характеристики оболочки, фирма – производитель, категория кабеля, наименование стандарта и метровые либо футовые отметки длины.

Стандартная упаковочная коробка содержит 305м (100 футов) кабеля.

Дата добавления: 2014-01-15