10.3. Проводные линии связи

Применяемые на горных предприятиях проводные линии связи делятся на воздушные и кабельные. Дальность передачи сигналов по физическим цепям линий связи ограничивается затуханием цепи, а также допустимыми искажениями формы сигналов.

Затухание сигналов в физических цепях, нагруженных на приемник с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии Z_н=Z_в, происходит по экспоненциальному закону, при этом амплитуда сигнала на выходе линии по току I₂, напряжению U₂ и мощности Р₂ описывается уравнениями

; , (10.11)

где l - длина линии; - коэффициент затухания сигнала в линии.

Из этих уравнений вытекает, что затухание сигнала в линии

. (10.12)

Если принять длину линии l = 1 км, то затухание такой линии называется километрическим и определяется в Нп/км.

Непер – это натуральный логарифм отношения двух напряжений, токов или ½ логарифма мощности на входе и выходе линии.

Если линия обладает затуханием в 1 Нп, то при этом ток и напряжение в конце линии уменьшаются в l = 2,718 раза, а мощность в l² = 7,39 раза. Величину затухания можно измерять и в децибелах (дБ/км)

. (10.13)

Величина затухания физических цепей зависит от первичных параметров: активного сопротивления проводов цепи R (Ом/км), индуктивности L (Гн/км), емкости цепи С (Ф/км) и проводимости изоляции проводов G (Омкм). Все первичные параметры относят к единице длины цепи связи, обычно равной 1 км. Величина какого-либо параметра реальной линии находится умножением ее длины на величину первичного параметра.

Активное сопротивление цепи определяется из уравнения, Ом/км

R=R₀+R_п.э+R_бл+R_м , (10.14)

где R₀ - сопротивление проводов постоянному току; R_п.э - сопротивление поверхностного эффекта; R_бл - сопротивление эффекта близости; R_м - сопротивление потерь в металле (в соседних воздушных и кабельных цепях и в оболочке кабеля).

Активное сопротивление проводов постоянному току R₀ зависит от длины и диаметра проводов, удельного сопротивления их материала. На сопротивление проводов переменному току влияет поверхностный эффект R_п.э и эффект близости R_бл.

Поверхностный эффект проявляется в том, что токи высокой частоты текут не по всему сечению провода, а только по поверхностным слоям. Эффект близости возникает за счет взаимного влияния рядом расположенных токонесущих проводов, так как каждый из двух проводов своим магнитным полем создает вихревые токи в соседнем проводе, за счет чего увеличивается плотность тока на обращенных друг к другу поверхностях проводов. Сопротивление потерь в металле R_м возникает из-за того, что вихревые токи, создаваемые электромагнитным полем цепи, производят нагрев окружающих металлических частей.

Индуктивность проводов L зависит от расстояния между проводами и их диаметра (увеличивается с увеличением диаметра) и, в меньшей мере, от материала провода (у меди меньше, чем у стали) и частоты тока (растет с ростом частоты), от размера проводов и свойств диэлектрика, применяемого для изоляции проводов.

Проводимость изоляции (утечка) зависит от типа изоляции, частоты тока (растет с ростом частоты) и климатических условий.

Вторичные параметры линии связи – волновое сопротивление Z_в и постоянная передачи  зависят от ее первичных параметров и частоты. Эти параметры определяют распределение электромагнитной энергии по линии связи. В линиях небольшой протяженности величина тока и напряжения практически одинакова в начале и конце цепи.

Сопротивление, которым можно заменить часть линии так, что при этой замене, в любых точках оставшейся линии, значения тока и напряжения будут прежними, называется волновым Z_в. В общем случае

. (10.15)

На низких частотах , а , поэтому .

На высоких частотах (больше 10 кГц) значения R и G много меньше по сравнению с L и C, поэтому можно считать .

Сопротивление линии, измеренное в ее начале, называют входным сопротивлением . На величину Z_вх влияют волновое сопротивление линии, затухание линии и величина нагрузки на конце линии. Входное сопротивление равно волновому только в том случае, когда Z_в=Z_н. В этом случае в линии будет передача энергии с максимальным к. п. д., так как будет отсутствовать отражение волн от нагрузки. Условие согласования линии Z_вх=Z_в=Z_н очень важно для передачи сигналов высокой частоты при уплотнении телефонных линий связи сигналами телемеханики или ВЧ связи.

С увеличением коэффициента  наблюдается рост искажений сигналов. При расчетах каналов связи мощность, напряжение и силу тока электрического сигнала принято характеризовать не в абсолютных единицах (Ватт, Вольт, Ампер), а в относительных логарифмических величинах, которые называются уровнями передачи. Уровень передачи по мощности определяют как , по напряжению  и по току  , где Р_х, U_x, I_x– мощность, напряжение и ток сигнала в рассматриваемой точке х линии, а Р₀, U₀, I₀ - мощность, напряжение и ток, принятые за исходные для сравнения.

Уровни сигнала называют абсолютными, если за исходные значения приняты нулевой уровень мощности Р₀ = 1 мВт, нулевой уровень напряжения U₀ = 0,775 В, нулевой уровень тока I₀ = 1,29 mА.

Выбор этих величин обусловлен тем, что эталонный высококачественный микрофон телефонной линии, как генератор переменного тока, развивает мощность 1 мВт при включении его на согласованную нагрузку (R = 600 Ом), при этом на нагрузке создается падение напряжения В и по цепи будет проходить ток mА.

Кабельные линии связи. Современные кабели связи классифицируют по следующим признакам: область применения, условия прокладки и эксплуатации, конструкция системы скрутки, род защитных покровов, спектр передаваемых частот.

В зависимости от области применения различают кабели дальней связи, предназначенные для междугородних линий, и кабели местной связи. В соответствии со спектром передаваемых частот кабели делят на низкочастотные (до 10 кГц) и высокочастотные (более 10 кГц).

В зависимости от условий прокладки различают кабели воздушные, подземные и подводные. По конструкции и расположению проводников кабели делятся на симметричные и коаксиальные. В зависимости от скрутки жил в группы кабели подразделяются на кабели парной скрутки и кабели четверочной (звездной) скрутки. При скрутке групп проводов различают повивную и пучковую скрутку.

Токоведущие жилы кабелей изготовляются из медной проволоки диаметром 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 мм. У шахтных кабелей используют проволоку диаметром 0,8; 1,2; 1,4 мм. Для изоляции жил применяют бумагу, полиэтилен, полихлорвинил с толщиной слоя изоляции 0,5  1 мм. Жилы в пару свивают с шагом до 100 мм, а пары в слоях свивают с шагом от 120 до 240 мм. Сверху слоев токоведущих жил кабель имеет защитную оболочку из пластмассы (полихлорвинил, полиэтилен), свинца или алюминия, предохраняющего его от проникновения влаги.

Сверху защитной оболочки на кабель наносится броня из двух стальных лент или проволок круглого сечения для предохранения его от механических повреждений.

На горных предприятиях применяют, в основном, низкочастотные кабели, делящиеся на магистральные (количество пар от 50 до 1200) типа ТГ, ТБ, ТМШ, КПВ, МКСГ, ТЗГ, распределительные (количество пар от 20 до 200) типа ТРШ, ТМШК, РВШЭ, ТСВ и абонентские на 1 и 2 пары типа ТАШ, КНРГ, АКМРГ.