Проектирование кабельной линии связи



Министерство РФ по транспорту и связи

Поволжская Государственная Академия Телекоммуникаций

и Информатики

Кафедра «ЛИНИИ СВЯЗИ и ИЗМЕРЕНИЯ в ТЕХНИКЕ СВЯЗИ»

Сдана на проверку Допустить к защите

«_____»___________ 2004 г. «_____»___________ 2004 г.

Защищена с оценкой ____________

«_____»________________ 2004 г. 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ»

Пояснительная записка 

на  34 листах

 Студент группы МС-11 Кузнецов А.Ю.  

(Фамилия  И. О.) (Роспись)

Руководитель Воронков А.А. 

(Фамилия  И. О.) (Роспись)

Номер зачетной книжки: 01188

Самара

2004 г.

 

Рецензия

 

 

Оглавление

 

 

Введение

 

Наряду с перспективными волоконно-оптическими линиями передачи (ВОЛП) на магистральных и внутризоновых  сетях связи России в настоящее  время широко используются симметричные и коаксиальные электрические кабели связи (ЭКС), срок службы которых исчисляется десятками лет. Поэтому важной задачей является реконструкция кабельных линий связи, построенных на базе электрических кабелей связи с целью повышения эффективности использования и замены устаревших аналоговых систем передачи (АСП) на цифровые системы передачи (ЦСП), а также их сочетание с ВОЛП на этапе проектирования и строительства современных систем связи.

Одним из основных направлений  развития Взаимоувязанной сети связи (ВСС) является широкое внедрение  ВОЛП с использованием кольцевых структур построения сети и мноканальных телекоммуникационных систем на базе плезиохронной и синхронной цифровой иерархии. Это требует глубоких теоретических знаний, овладения навыками построения, реконструкции, строительства и эксплуатации линейных сооружений связи, являющихся наиболее дорогостоящими и трудоемкими элементами сети связи.

При подготовке специалистов многоканальных телекоммуникационных систем важное место занимают вопросы  выбора наиболее целесообразных технико-экономических вариантов реконструкции и проектирования линий связи, многофакторный подход к проектированию для максимального эффекта при минимуме затрат.

Это наиболее полно реализуется  при сопоставлении в процессе проектирования традиционных электрических кабелей и перспективных оптических кабелей связи.

В данном курсом проекте  мне необходимо реконструировать старую устаревшую линию связи между  городами Калуга – Рязань, и спроектировать вновь строящуюся ВОЛП между городами Рязань – Воронеж.

 

1. Выбор трасы кабельной линии связи

 

При реконструкции кабельной линии связи, прежде всего, необходимо выбрать оптимальный путь ее прокладки. Выбор трассы осуществляется по карте местности. В данном курсовом проекте осуществляется реконструкция линии связи между городами Калуга и Рязань. При сравнении вариантов прокладки кабеля была составлена таблица 1.

Таблица 1

Характеристика

трассы

Единицы измерения

Количество единиц по вариантам

Вариант№1

Вариант№2

Вариант№3

Общая протяженность трассы:

  • вдоль шоссейных дорог;
  • вдоль железных дорог;
  • вдоль грунтовых дорог;
  • по бездорожью.

км

 

259

0

0

0

 

44

128

0

98

 

0

0

0

225

Способы прокладки кабеля:

  • кабелеукладчиком;
  • вручную;
  • в канализации;
  • подвеска.

км

 

251

0

8

0

 

255

0

15

0

 

249

0

6

0

Количество переходов:

  • через судоходные и сплавные реки;
  • через несудоходные реки;
  • через шоссейные дороги.

1 пер.

 

0

8

8

 

0

11

11

 

0

13

12

Число обслуживаемых регенерационных  пунктов

1 пункт

1

1

1


 

 

В варианте 1 прокладывание  кабеля ведется вдоль автомагистрали 1Р132 от Калуги до населенного пункта Венев, а затем вдоль автомагистралей, проходящих через населенные пункты: Серебряные Пруды, Поливаново, Бол. Коровино, Пальные, Рыбное, от Венева до Рязани. В варианте 2 – вдоль железной дороги от Калуги до Тулы, от Тулы до Венева – вдоль автомагистрали 1Р132 и напрямую от Венева до Рязани. В варианте 3 – напрямую от Калуги до Рязани.

Из таблицы 1 можно  заметить, что целесообразнее прокладывать кабель по варианту 1. Так как данная трасса проходит вдоль автомагистрали, что облегчает прокладывании  и дальнейший мониторинг кабеля. При этом прокладывание кабеля будет осуществляться в основном кабелеукладчиком.

 

2. Выбор конструкции электрического  кабеля связи

2.1. Определение конструкции  кабеля

 

Конструкция ЭКС реконструируемой линии определяется индивидуальным заданием:

 

Система передачи до реконструкции К-60

Система передачи после  реконструкции ИКМ-120

Число каналов после  реконструкции ЭКС 830

Тип и емкость ЭКС СК-4×4

Диаметр жил симметричного  кабеля 1,18 мм

Тип изоляции ЭКС КС

Толщина лент кордельной изоляции 0,15 мм

Диаметр корделя 0,4 мм

Материал оболочки кабеля алюминий

 

СК – симметричный кабель; КС – кордельно-стирофлексная  изоляция.

Исходя из исходных данных и требований к симметричному  кабелю, я выбрал кабель марки МКССШп-4×4. Выбранный мной кабель может быть проложен как в землю, так и в телефонную канализацию. Поперечное сечение кабеля показано на рисунке 1.

Рисунок 1

На рис. 1 цифрами обозначены:

1 – полиэтиленовый  шланг;

2 – вязкий подклеивающий  слой;

3 – алюминиевая оболочка;

4 – поясная изоляция;

5 – токопроводящая  жила;

6 – полистирольный  кордель;

7 – полистирольная  пленка;

8 – четверка;

9 – центральный силовой  элемент;

10 –заполнитель.

2.2. Уточнение конструктивных  размеров симметричного ЭКС реконструируемой  линии

 

В моем курсом проекте рассматривается кабель с кордельно-стирофлексной изоляцией. Принцип такой изоляции представлен на рисунке 2.

Рисунок 2

 dk


tл

d0

d1

Из данного рисунка  видно, что диаметр изолированной  жилы для кордельной изоляции определяется по формуле:

В этом выражении:

d0 – диаметр токопроводящей жилы, (1,18 мм);

dk – диаметр корделя, (0,4 мм);

tл - общая толщина лент, наложенных поверх корделя, (0,15 мм).

Изолированные жилы скручиваются в  четверки с шагом 80-300 мм. При этом диаметр элементарной группы, скрученной в звездную четверку, определяется по формуле:

где a – расстояние между центрами жил одной пары

Рисунок 3

и определяется по формуле:

Тогда диаметр элементарной группы будет:

Диаметр центрирующего  корделя определится из соотношения:

Диаметр кабельного сердечника для четырехчетверочного кабеля (см. рис. 4) определяется из выражения:

Рисунок 4

 Dкc


 

3. Расчет параметров передачи  кабельных цепей реконструируемой  линии

3.1. Общие положения  по расчету параметров передачи  кабельных цепей

 

Параметры передачи кабельных  цепей рассчитываются с целью  оценки электрических свойств используемого в проекте кабеля и для последующего размещения регенерационных пунктов по трассе кабельной линии.

3.2. Расчет первичных  параметров передачи симметричного  кабеля

3.2.1. Активное сопротивление цепи

 

Активное сопротивление  цепи определяется по формуле:

где R0 – сопротивление цепи на постоянном токе:

ρ – удельное сопротивление материала жил

d0 – диаметр токопроводящих жил (1,18 мм);

χ – коэффициент укрутки (1,02);

p – коэффициент, учитывающий потери на вихревые токи, для звездной скрутки p = 5;

a – расстояние между центрами жил (4,14 мм);

r0 – радиус токопроводящей жилы (0,59 мм);

k – коэффициент вихревых токов, для стали

F(kr0), G(kr0), H(kr0) – функции, учитывающие потери на вихревые токи вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости ;

RМ – составляющая активного сопротивления на частоте 200 кГц:

;

RМ200 – дополнительное сопротивление за счет потерь (5,2 Ом/км).

Тогда активное сопротивление цепи можно записать в виде:

Зависимость активного  сопротивления цепи от частоты показана на графике 1.

График 1

 


3.2.2. Индуктивность симметричной  кабельной цепи

 

Индуктивность симметричной кабельной цепи определяется как  сумма внешней межпроводниковой индуктивности и внутренней индуктивности самих проводников:

где Q(kr0) – функция поверхностного эффекта, значения которой известны;

μ – относительная магнитная проницаемость (1);

a – расстояние между центрами жил (2,07 мм);

r0 – радиус токопроводящей жилы (0,59 мм).

С учетом этого можно записать:

Зависимость индуктивности симметричной кабельной цепи от частоты приведена на графике 2.

 

График 2

 


3.2.3. Емкость изоляции симметричной  кабельной цепи

 

Емкость симметричной кабельной  цепи определяется по формуле:

где εэ – эквивалентное значение диэлектрической проницаемости, для кордельно-стирофлексной изоляции εэ = 1,25;

a – расстояние между центрами жил (2,07 мм);

r0 – радиус токопроводящей жилы (0,59 мм).

ψ – поправочный коэффициент:

С учетом этого выражение  для емкости примет вид:

Зависимость емкости  изоляции симметричной кабельной цепи показана на графике 3. Хотя из последнего выражения видно, что емкость  не зависит от частоты, следовательно, на графике наблюдается горизонтальная прямая.

 

График 3


3.2.4. Проводимость изоляции симметричной  кабельной цепи

 

Проводимость изоляции кабельных цепей определяется из выражения:

где tan(δЭ) – тангенс угла диэлектрических потерь комбинированной изоляции, значения которого известны.

Если учесть, что емкость  не зависит от частоты, то можно записать:

График зависимости  проводимости изоляции от частоты приведен на графике 4.

График 4


 

3.3. Расчет вторичных параметров  передачи симметричной кабельной  цепи

 

Коэффициент распространения  цепи определяется по формуле:

где α – коэффициент затухания;

β – коэффициент фазы.

Расчет коэффициента затухания и коэффициента фазы, в  области высоких частот, можно  производить по упрощенным формулам:

С учетом первичных параметров рассчитанных в п. 3.2. можно записать:

Зависимости коэффициента затухания и коэффициента фазы от частоты представлены на графике 5 и  графике 6 соответственно.

График 5


 

График 6


Волновое сопротивление, в области высоких частот, определяется по формуле:

Графическое представление  волнового сопротивления показано на графике 7.

График 7


 

Скорость распространения электромагнитной волны рассчитывается по формуле:

График показан на графике 8.

График 8


Первичные и вторичные  параметры на различных частотах сведены в таблицу 2.

Таблица 2

f, кГц

10

100

1000

2000

4250

R, Ом/км

L, Гн/км

C, Ф/км

G, См/км

α, дБ/км

β, рад/км

Zв, Ом

ν, км/с


 

3.4. Размещение регенерационных  пунктов по трассе кабельной  линии

 

Размещение регенерационных  пунктов производится исходя из допустимого  затухания на элементарном кабельном  участке (ЭКУ) или кабельной секции (КС). ЭКУ представляет собой участок кабельной линии совместно со смонтированными по концам кабельными оконечными устройствами. КС представляет собой совокупность электрических цепей, соединенных последовательно на несколько соседних ЭКУ для организации регенерационного участка одной или нескольких систем передачи с одинаковыми расстояниями между регенераторами, большим, чем на ЭКУ данной линии. При применении на кабельной линии одних и тех же систем передачи на всех цепях длины ЭКУ и КС одинаковы.

Необслуживаемые регенерационные  пункты (НРП) располагаются в незатопляемых  водой местах с возможностью организации  к ним подъезда при минимально наносимом ущербе для лесных насаждений, плодородных земель и т.п.

Расстояние между НРП  может быть определено из выражения:

где aном – номинальное значение затухания регенерационного участка, значение которого известно (45 дБ);

αмак – коэффициент затухания кабельной цепи на наивысшей частоте при максимальной температуре грунта на глубине прокладки кабеля, и определяется в соответствии с формулой:

где α – коэффициент затухания, определенный на полутактовой частоте (26,192 дБ);

αα – температурный коэффициент затухания цепей кабеля на полутактовой частоте. (0,002 1/град).

C учетом этого можно записать:

Получив длину ЭКУ  можно составить структурную  схему кабельной линии (см. рис. 5). При этом, оборудование ИКМ-120 требует расстояние между обслуживаемыми регенерационными пунктами (ОРП) 240 км. Т.к. в моем случае расстояние от Калуги до Рязани составляет 259 км, то потребуется один ОРП и 147 НРП (в Туле). Нумерация НРП производится дробью: в числителе указывается номер секции, в знаменателе – порядковый номер НРП в секции.

 

Рисунок 5


1/1   1/2  1/60  2/1   2/2  2/87

ОП-1  ОРП-1 ОП-2

 Калуга Тула  Рязань

 

4. Расчет параметров  взаимных влияний между цепями

4.1. Общие положения

 

Электромагнитное влияние  между симметричными цепями обусловлено  наличием поперечного электромагнитного поля, которое и наводит в рядом расположенной цепи токи помех. Величина взаимных влияний между цепями выражается и нормируется через переходные затухания на ближнем A0 и дальнем Al концах, а также через защищенность Aз.

4.2. Расчет параметров  взаимных влияний между цепями симметричного ЭКС реконструируемой линии

 

При замене АСП на ЦСП  в процессе реконструкции линии  существенно изменяется рабочий  спектр частот ЭКС. Линейный сигнал ЦСП  с импульсно-кодовой модуляцией имеет значительно более широкую  полосу частот, чем в аналоговых системах. Максимальная энергия спектра линейного сигнала ЦСП сконцентрирована в области частот, близких к полутактовой частоте системы передачи. Поэтому нормирование, расчеты и измерения электрических характеристик кабеля выполняются на полутактовой частоте конкретной ЦСП.

Основными электрическими характеристиками, определяющими вероятность  ошибок в линейном тракте цифровой системы передачи и влияющими  на длину элементарного кабельного участка, являются параметры взаимного  влияния между цепями: переходное затухание на ближнем конце и защищенность на дальнем.

Переходное затухание  на ближнем конце на полутактовой частоте, для системы передачи ИКМ-120 на частоте 4,2 МГц, должно быть больше либо равно 39 дБ. Защищенность на дальнем  конце, должна быть больше либо равна 27 дБ.

Переходное затухание  на ближнем конце может быть рассчитано по формуле:

 где

где l – длина элементарного кабельного участка (1,754 км);

α, β – коэффициенты затухания и фазы (α = 3,012 Нп/км, β = 73,776 рад/км);

Np – величина систематической связи

с12 – емкостная связь (50 пФ);

m12 – индуктивная связь: m12 = с12∙Zв2;

Zв – волновое сопротивление цепи кабеля (Zв = 62,976 Ом).

Следовательно

Переходное затухание на ближнем конце на частоте 4,2 МГц будет:

Из последнего равенства  видно, что переходное затухание  на ближнем конце удовлетворяет  необходимым требованиям (64,992 дБ > 39 дБ).

Переходное сопротивление  на ближнем конце за счет нерегулярной связи можно определить по формуле:

где Sn(2∙ω∙tз) – нормированная спектральная плотность случайной функции нерегулярной связи на ближнем конце (14∙10-20 с2/км2).

Переходное сопротивление на ближнем конце на частоте 4,2 МГц будет:

Из последнего выражения  видно, что переходное сопротивление  на ближнем конце будет удовлетворять  необходимым требованиям (125,134 дБ > 27 дБ).

Результирующее значение переходного затухания на ближнем конце можно определить по формуле:

Графическая зависимость  переходного затухания на ближнем  конце от частоты показана на графике 9.

 

График 9


Величина защищенности на дальнем конце за счет нерегулярной составляющей связи на длине ЭКУ, состоящего из n строительных длин, рассчитывается по формуле:

где lсд – протяженность строительной длины кабеля (0,825 км);

l0 – интервал корреляции случайной функции f(x) (0,02 км);

Df – дисперсия случайной функции f(x) (2∙10-17 с2/км2).

n – количество строительных длин (2).

Следовательно, график зависимости  защищенности на дальнем конце от частоты будет следующим:

График 10


При четном числе строительных длин на длине ЭКУ значение защищенности за счет влияния через третьи цепи можно определить по формуле:

где DF – дисперсия электромагнитных связей влияния через третьи цепи, величина которой зависит от различия электромагнитных связей соединяемых строительных длин (50∙10-19 с2/км2).

График защищенности:

График 11


Результаты расчета  параметров взаимного влияния между симметричными цепями сведены в таблицу.

Таблица 3

f, кГц

10

100

1000

2000

4250

A0p, дБ

A0H, дБ

A0, дБ

Aзн, дБ

Aзтр, дБ


 

Из табл. 3 видно, что  рассчитанные переходное затухание  на ближнем конце и защищенность на дальнем конце регенерационного участка соответствуют нормам.

 

5. Защита электрических кабелей связи от влияния внешних электромагнитных полей

5.1 Общие положения

 

С развитием ВСС предъявляются все более высокие требования к надежности линейных трактов и качеству передаваемой информации, которые в значительной степени зависят от влияния внешних электромагнитных полей на ЭКС. Быстрые темпы строительства линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения (ЛЭП), электрифицированных железных дорог (ЭЖД) резко обострили проблему их электромагнитной совместимости с сетью связи страны. В настоящее время практически нет кабельных магистралей, не имеющих сближения с ЛЭП и ЭЖД, создающих электромагнитные поля большой интенсивности. Поэтому важной задачей является обеспечение надежной защиты ЭКС от внешних электромагнитных влияний.

Все необходимые исходные данные для расчета параметров внешних электромагнитных влияний и надежности кабельной магистрали:

 

 

I1 = 3,0 кA;

a1 = 70 м;

a2 = 80 м;

a3 = 120 м;

a4 = 100 м;

l1 = 30 %;

l2 = 30 %;

l3 = 40 %; 

 

 

Uисп = 3,2 кВ;

T = 35 ч;

ρгр = 0,3 кОм∙м;

L1 = 74 км;

L2 = 7 км;

L3 = 19 км;

 

 

5.2. Расчет опасных магнитных влияний

 

Одним из основных факторов, определяющих степень влияния линии  высокого напряжения (ЛВН) на ЛС, является характер сближения. Под сближением понимается взаимное расположение линии  связи и ЛВН, при котором в линии связи могут возникать опасные и мешающие напряжения и токи. Сближение может быть параллельным, косым или сложным. Участок сближения считается параллельным, если кратчайшее расстояние между линиями (ширина сближения) a изменяется по длине сближения не более чем на 10%. Если это условие не выполняется, то участок сближения будет косым. Такое сближение заменяется ступенчатым параллельным, при этом выбирают длину параллельных эквивалентных участков так, чтобы отношение максимального значения ширины сближения к минимальному на концах участка было не более трех. Тогда эквивалентная ширина сближения определяется соотношением:

Отсюда получаем три  эквивалентных ширины сближения:

Проектирование кабельной линии связи