Розрахунок параметрів лінії передачі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кафедра комп'ютерної інженерії

КУРСОВА РОБОТА

з навчальної дисципліни

«Лінії передачі»

«Розрахунок параметрів лінії передачі»

Виконав:

студент 302-ТТ групи

Казидуб О.О.

Перевірив:

к.т.н., доцент

Уткін Ю.В.

Полтава 2012

ВСТУП

Метою проведення курсової роботи є закріплення, поглиблення та узагальнення знань, здобутих студентами під час вивчення змістових модулів «Конструкції та параметри ліній передачі. Теорія передачі електромагнітних хвиль по направляючим системам», «Взаємні електромагнітні впливи між ланцюгами ліній передачі. Методи захисту», їх застосування до комплексного розв'язання задачі розрахунку одного з основних елементів систем передачі - лінійного тракту.

Враховуючі те, що за практичною спрямованістю курсова робота носить академічний (навчальний) характер, вона містить низку допущень та умовностей. Робота передбачає розв'язання студентом навчальних завдань, рішення яких потребує від нього певних знань та професійних умінь згідно з ОКХ фахівця даного освітньо-кваліфікаційного рівня.

Курсова робота спирається на використання сучасних методів проектування, що застосовуються відповідними спеціалізованими установами, та максимально наближений до питань реального проектування систем передачі. Зміст роботи має чітку алгоритмізовану структуру, що дозволяє зменшити часові витрати на проміжні розрахунки та приділити більше уваги творчим питанням проектування.

1. ВИКОНАННЯ ПИТАНЬ КУРСОВОЇ РОБОТИ

1.1 Структура кабельної лінії та її характеристика

Згідно із моїм варіантом завдання необхідно розрахувати структуру коаксіальної лінії зв'язку визначеної довжини. Для ущільнення лінії зв'язку використовуватиму систему передачі (СП) К-1920. К-1920 є аналоговою СП з частотним розподілом каналів (ЧРК). Основні параметри системи передачі

К-1920 наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1.

Основні параметри системи передачі К-1920 .

СП К-1920 отримала найбільше застосування серед аналогових СП по коаксіальним кабелям. Поряд з нею, також посідає значне місце АСП по коаксіальним кабелям СП К-3600. СП К-1920 є системою ущільнення симетричних ланцюгів кабельних ліній зв'язку. Для цього використовується система зв'язку на основі кабеля типу КМ-4 і КМ-8/6. Для передачі сигналів від станції А до станції Б використовується діапазон 312…8544 кГц. Розміщення підсилюючих пунктів на лінії зв'язку необхідно починати з визначення місць кінцевих пунктів (КП) і підсилюючих пунктів, що обслуговуються (ОПП). Місця розміщення ОПП повинні мати гарантоване електроживлення та необхідні умови для персоналу. Відстань між ОПП не повинна перевищувати допустимі значення для використаної СП К-1920 . Під час розміщення ОПП потрібно враховувати умову: чим менше ОПП на лінії зв'язку, тим вона рентабельніша. Відстань між ОПП повинна бути найбільш близькою до номінального значення даної СП. Кількість ОПП на лінії визначається за формулою:

(1.1),

де L_АБ=500км - відстань між кінцевими пунктами [км], L_{ОПП-ОПП}=240км - відстань між ОПП, для СП К-1920[км].

Приймаю , оскільки одного ОПП не вистачить на задану лінію зв'язку.

Кількість підсилюючих пунктів, що не обслуговуються (НПП), визначається для кожної ділянки КП-ОПП, ОПП-ОПП за виразом:

(1.2)

де L_{КП - ОПП}=240км - відстань між КП і ОПП або між ОПП-ОПП [км], L_ДП=6км - відстань між НПП СП К-1920[км].

Кількість підсилюючих пунктів, що не обслуговуються (НПП) буде

Розробляю схему розміщення підсилюючих пунктів (ОПП та НПП) на лінії зв'язку, яка показана на рис. 1.1.

Рисунок 1.1. Схема розміщення ОПП і НПП.

1.2 Характеристика елементів конструкції кабелю, його ескіз

Коаксіальний ланцюг представляє собою 2 циліндра з суміщеною віссю. При цьому, один циліндр - суцільний провідник, концентрично розміщений в середині іншого циліндра - пологого. На рис. 1.2. наведений ескіз коаксіального кабелю. Коаксіальні магістральні кабелі маркіруються КМГ, КМБ, КМК (в свинцевій оболонці), КМА, КМАБ, КМАК (в алюмінієвій оболонці). Комбіновані коаксіальні магістральні кабелі мають, крім того дробовий індекс, який показує число великих пар 2,6/9,5 мм (чисельник) і малих пар 1,2/4,6 мм (знаменник) - КМБ-8/6, КМБ-6/4 і інші. Некомбіновані коаксіальні кабелі мають марку МКТС: МКТСБ (в свинцевій оболонці), МКТАШп (в алюмінієвій оболонці і поліетиленовому шлангу).

а) б)

Рисунок 1.2. Ескіз коаксіального кабелю.

Обираю кабель типу КМ-4. Цей кабель цілком задовольняє умови моєї СП К-1920. Магістральний коаксіальний кабель КМ-4 типа 2,6/9,5 містить 4 коаксіальні пари і 5 зіркових четвірок. Кожна коаксіальна пара складається з внутрішнього мідного провідника діаметром 2,6мм і зовнішнього провідника у вигляді мідної трубки діаметром 9,5мм. Коаксіальна пара має ізоляцію із поліетиленових шайб товщиною 2,2мм з відстанню між ними 25мм. Зверху зовнішнього провідника розміщений додатковий екран у вигляді двох м'яких стрічок товщиною 0,15…0,2мм, який покривається одним-двома шарами кабельного паперу. Кабель типу 2,6/9,5 використовується в основному по одно кабельній системі. По кабелю КМ-4 можна організувати систему К-1920 з відстанню між підсилювачами 6км при передачі в діапазоні до 8,5МГц. Підсилювальні пункти отримують електроживлення дистанційно від обслуговуючих пунктів, розміщених через 120…240км на кабельній магістралі. Апаратура дає підсилення до 48,4дБ. Максимальна дальність зв'язку 12500км. Основні електричні характеристики коаксіальної пари 2,6/9,5: номінальний хвильовий опір ; внутрішня неоднорідність (коефіцієнт відбиття) ; перехідне загасання при частоті 300кГц; коефіцієнт загасання на частоті 1МГц ; випробувальна напруга постійного струму. Характеристики обраного кабелю КМ-4 наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Характеристики коаксіального кабелю КМ-4.

1.3 Розрахунок параметрів передачі кабелю

В курсовій роботі розраховую первинні та вторинні параметри передачі коаксіального кабелю. До первинних параметрів кабелю відносяться: активний опір (R), індуктивність (L), ємність (C), провідність ізоляції (G). До вторинних параметрів відносяться: коефіцієнт загасання (), коефіцієнт фази (), хвильовий опір (Z_ХВ), швидкість розповсюдження електромагнітної енергії ().

кабельний лінія коаксіальний

1.3.1 Активний опір

При розрахунку активного опору провідників коаксіальної пари потрібно враховувати, що коаксіальний кабель працює в області високих частот. Опір коаксіальної пари складається із опорів внутрішнього (R_A) і зовнішнього провідників (R_Б). Внутрішні та зовнішні провідники можуть виготовлятись з міді або алюмінію. Загальний опір коаксіального кабелю для високочастотної області від 60…100 кГц і вище розраховується за наступними формулами. Для коаксіального кабелю із мідних провідників (саме такий кабель використовується у моїй СП К-1920):

, (1.3)

де f=854000Гц - частота на якій розраховується опір (верхня частота лінійного спектра системи передачі, яка працює по кабелю) [Гц]; r_А=2,6мм - радіус внутрішнього провідника [мм], r_Б=9,5мм - внутрішній радіус зовнішнього провідника [мм].

.

1.3.2 Індуктивність

Індуктивність коаксіальної пари складається з внутрішньої індуктивності проводів (L_А, L_Б) і зовнішньої міжпровідникової індуктивності (L_ЗОВ) і визначається по наступним формулам. Для коаксіального кабелю із мідних провідників:

, (1.4)

де f=854000Гц - частота на якій розраховується опір (верхня частота лінійного спектра системи передачі, яка працює по кабелю) [Гц]; r_А=2,6мм - радіус внутрішнього провідника [мм], r_Б=9,5мм - внутрішній радіус зовнішнього провідника [мм]. Перший член характеризує внутрішню індуктивність коаксіальної пари, а другий - зовнішню.

.

1.3.3 Ємність

При визначенні ємності коаксіального кабелю враховують, що він аналогічний циліндричному конденсатору та його електричне поле створюється двома циліндричними поверхнями з загальною віссю. Внаслідок своєї симетрії напруженість електричного поля має рівні потенціали на визначеній відстані від центра кабелю. Ємність коаксіального кабелю розраховується за виразом:

, (1.5)

де е_r=1,13 - еквівалентна діелектрична проникливість для міжміських ліній ізоляції (шайбова-поліетиленова) коаксіальної пари; r_А=2,6мм - радіус внутрішнього провідника [мм], r_Б=9,5мм - внутрішній радіус зовнішнього провідника [мм].

.

1.3.4 Провідність ізоляції

Провідність ізоляції пов'язана з процесами в діелектрику. Під дією змінного електричного поля в діелектрику відбувається зміщення диполів, їх переорієнтація і поляризація. Провідність ізоляції визначає величину втрат в діелектрику на переорієнтацію диполів і характеризується тангенсом кута втрат tgд. При розрахунку провідності ізоляції необхідно, крім провідності обумовленої діелектричними втратами, враховувати також провідність обумовлену витоком струму в силу недосконалості діелектрика. По величині ця провідність ізоляції зворотно пропорційна опору ізоляції кабелю,. В результаті, провідність ізоляції кабельного ланцюга буде дорівнювати:

, (1.6)

Провідність ізоляції може бути визначена як складова втрат в діелектрику конденсатора, ємність якого еквівалентна ємності кабелю. Еквівалентна схема конденсатора з втратами та її векторна діаграма наведені на рис. 2.4. Наявність втрат (активна складова I_A струму I) призведе до того, що струм I випереджує напругу U на кут не рівний 90⁰, а на кут ц=90⁰-д. В відповідності з діаграмою . Відповідно:

, (1.7)

ефективне значення - комбінованої ізоляції, яка використовується в коаксіальних кабелях; - кругова частота.

Рисунок 1.3. Еквівалентна схема конденсатора і її векторна діаграма.

1.3.5 Залежність основних параметрів

Рисунок 1.4. Залежність первинних параметрів коаксіального ланцюга від частоти.

Первинні параметри коаксіального кабелю залежать від частоти. Така залежність показана на рис. 1.4. З рисунка видно, що з ростом частоти активний опір R зростає за рахунок поверхневого ефекту. Індуктивність (L) зменшується з ростом частоти, так як із-за поверхневого ефекту зменшується внутрішня індуктивність. Зовнішня індуктивність не змінюється з ростом частоти. Ємність (С) від частоти не залежить. Провідність ізоляції з ростом частоти лінійно збільшується. Вторинні параметри передачі визначаються через первинні. Коаксіальні кабелі практично використовуються в спектрі частот від 60кГц і вище. При таких частотах R<<wL i G<<wC. Тому їх вторинні параметри розраховуються за такими формулами. Коефіцієнт загасання (б) характеризує зменшення струму, напруги, потужності на ділянці кабельного ланцюга довжиною 1км і розраховується по формулі:

, (1.8)

де б_М - коефіцієнт затухання в металевих проводах, б_Д - коефіцієнт загасання в діелектрику.

.

1.3.6 Розрахунок вторинних параметрів ланцюгів кабелю

Коефіцієнт фази коаксіальної пари характеризує зміну фази струму, напруги, потужності на ділянці кабельного ланцюга довжиною 1 км і розраховується по формулі:

, (1.9)

.

Затухання кабельного ланцюга з підвищенням температури декілька збільшується. Коефіцієнт затухання кабельного ланцюга при температурі, яка відрізняється від 20⁰С, визначається по формулі:

, (1.10)

де б₂₀ - коефіцієнт затухання при температурі 20⁰С, б_б - температурний коефіцієнт затухання середнє значення якого , .

.

Хвильовий опір Z_ХВ розраховується по формулі:

, (1.11).

.

По своїй фізичній природі величина Z_ХВ не залежить від довжини лінії та постійна в любій точці ланцюга.

Швидкість розповсюдження електромагнітної енергії по кабельній лінії залежить від параметрів ланцюга і частоти струму та визначається по формулі:

, (1.12)

.

Час розповсюдження електромагнітної енергії по коаксіальному кабелю визначається по формулі:

, (1.13)

.

Розглянемо залежність вторинних параметрів коаксіального кабелю від частоти. На рис. 1.5 показана типова залежність коефіцієнтів затухання і фази від частоти.

Рисунок 1.5. Частотна залежність коефіцієнтів затухання і фази.

Коефіцієнт загасання спочатку (на малих частотах) росте різко, а на більш високих частотах - більш повільно. Коефіцієнт фази в росте від нуля за лінійним законом.

Хвильовий опір Z_ХВ в коаксіальних парах із суцільним діелектриком становить 50 Ом, а при комбінованій ізоляції величина хвильового опору складає приблизно 75 Ом. Загальний вигляд частотної залежності хвильового опору показаний на рис. 1.6.

Модуль хвильового опору зі зміною частоти змінюється до і зберігає цю величину в усій області високих частот.

Електромагнітна енергія розповсюджується по лінії з високою швидкістю. Переданий в лінію сигнал досягає її кінця тільки через відповідний проміжок часу. Частотна залежність швидкості розповсюдження електромагнітної енергії показана на рис. 1.7. Можна вважати, що з ростом частоти швидкість розповсюдження електромагнітної енергії коаксіальної пари зростає. Час розповсюдження електромагнітної енергії кабелями зв'язку від частоти не залежить. Розраховані параметри передачі коаксіального кабелю збираються в таблицю і зрівнюються з нормами (табл. 1.3).

Таблиця 1.3

Зведені дані.

1.3.5 Залежність основних параметрів

Рисунок 1.8. Залежність первинних параметрів коаксіального ланцюга від частоти.

Первинні параметри коаксіального кабелю залежать від частоти. Така залежність показана на рис.1.8. З рисунка видно, що з ростом частоти активний опір R зростає за рахунок поверхневого ефекту. Індуктивність (L) зменшується з ростом частоти, так як із-за поверхневого ефекту зменшується внутрішня індуктивність. Зовнішня індуктивність не змінюється з ростом частоти. Ємність (С) від частоти не залежить. Провідність ізоляції з ростом частоти лінійно збільшується. Вторинні параметри передачі визначаються через первинні. Коаксіальні кабелі практично використовуються в спектрі частот від 60кГц і вище. При таких частотах R<<wL i G<<wC. Тому їх вторинні параметри розраховуються за такими формулами. Коефіцієнт загасання (б) характеризує зменшення струму, напруги, потужності на ділянці кабельного ланцюга довжиною 1км і розраховується по формулі:

, (1.14)

де б_М - коефіцієнт затухання в металевих проводах, б_Д - коефіцієнт загасання в діелектрику.

Размещено на Allbest.ru