Kable do nowoczesnych sieci automatyki przemysłowej

Indukcyjność drutu. Zjawiska podczas zamykania i otwierania prądu.

Rozważmy cienki zamknięty drut, przez który przepływa prąd stały I. Wewnątrz drutu, równolegle do jego osi, rysujemy dowolny zamknięty kontur matematyczny s i wyznaczamy na nim kierunek dodatni. Jeśli w przestrzeni nie ma ciał ferrimagnetycznych, wówczas wielkość B (pole magnetyczne prądu) i Ф (strumień magnetyczny) będzie proporcjonalna do prądu.

tutaj jest bieżąca siła w układzie jednostek Gaussa i jest bieżąca siła w systemie SGSM.

Indukcyjność własna lub współczynnik samoindukcji drutu. Nie zależy to od siły prądu, zależy jedynie od rozmiaru i konfiguracji samego drutu.

Przykład: Obliczmy indukcyjność elektromagnesu. Niech będzie długością elektromagnesu, całkowitą liczbą zwojów i polem jednego zwoju.

Indukcja pola magnetycznego wewnątrz cewki

Strumień magnetyczny przez jeden zwój jest równy , i przez zwoje - tj.

Otrzymujemy indukcyjność

(w centymetrach)

Strumień magnetyczny jest strumieniem Ф wektora indukcji magnetycznej B przez skończoną powierzchnię S. Za jednostkę strumienia magnetycznego przyjmuje się maxwell.

Proces zamykania

Niech obwód składa się ze źródła stałego pola elektromagnetycznego, cewki samoindukcyjnej i rezystancji omowej. Oznaczamy całkowitą indukcyjność obwodu przez , i impedancja- Poprzez . Gdy przełącznik K jest zamknięty, prąd nie osiąga natychmiast wartości granicznej określonej przez prawo Ohma, ale stopniowo wzrasta. Jednocześnie wzrasta również strumień magnetyczny przenikający do obwodu obwodu. Powstaje elektromotoryczna siła indukcji i odpowiadający jej prąd indukcyjny. Prąd ten nazywany jest prądem dodatkowego zwarcia. Zgodnie z regułą Lenza kierunek prądu pozazwarciowego jest przeciwny do kierunku prądu głównego.

Prąd przemienny nie musi być taki sam we wszystkich odcinkach drutu, ponieważ w niektórych miejscach mogą gromadzić się ładunki. Jednakże rozważymy tutaj tylko takie prądy zmienne, które zmieniają się stosunkowo powoli w czasie. Następnie chwilowe wartości prądu we wszystkich sekcjach nierozgałęzionego obwodu z wysoki stopień dokładność jest taka sama, a pola magnetyczne wewnątrz drutów można obliczyć zgodnie z prawem Biota i Savarta, tak jakby prądy były stałe. Prądy takie nazywane są quasi-stacjonarnymi.

Aktualna siła jest określona przez wyrażenie

W praktycznych jednostkach

Równanie różniczkowe dla prądów quasi-stacjonarnych

Jeżeli przewody nie ulegają odkształceniu podczas zmiany prądu, wówczas indukcyjność jest stała i można ją wyjąć ze znaku pochodnej

Dla stałej wartości ogólnym rozwiązaniem tego równania jest:

Stałą całkowania C należy wyznaczyć z warunku początkowego: w momencie zamknięcia, tj. w , wówczas prąd wynosi zero. Korzystając z tego warunku, znajdujemy

. Wzór ten ma zastosowanie w dowolnym układzie jednostek.

Gdzie jest stała mająca wymiar czasu:

W układzie jednostek Gaussa:

Aktualny czas rozliczenia

Całkowity prąd I składa się z dwóch członów, z których drugi, tj.

, określa siłę dodatkowego prądu obwodu. Dodatkowy prąd dąży do zera, a całkowity prąd I dąży do wartości granicznej. W ten sposób ostateczna wartość prądu ustalana jest stopniowo. Szybkość ustalania zależy od czasu: po pewnym czasie siła dodatkowego prądu natychmiast maleje.

Bieżący proces łamania.

Klucz K jest najpierw zamknięty. Kierunek prądów jest pokazany za pomocą ciągłych strzałek. Całkowity prąd jest rozdzielany pomiędzy równolegle połączoną indukcyjność własną i rezystancję omową. Jeśli opór wewnętrzny akumulator jest pomijalnie mały, wówczas prąd w cewce samoindukcyjnej będzie równy . Po otwarciu klucza K zamknięty pozostanie jedynie obwód ABCD. Początkowy prąd, który istniał w cewce samoindukcyjnej, miał pewną rezerwę energii magnetycznej, która nie zniknęła natychmiast. Pole magnetyczne zacznie się zmniejszać. Spowoduje to wzbudzenie siły elektromotorycznej i prądu indukowanego w obwodzie ABCD. Prąd ten nazywany jest dodatkowym prądem wyłączającym. Ekstrakt pokazano przerywanymi strzałkami. W cewce samoindukcyjnej dodatkowy prąd płynie w tym samym kierunku, co pierwotny, w pozostałych odcinkach obwodu ABCD - w kierunku przeciwnym. Jeśli jest to całkowity opór obwodu ABCD, wówczas natężenie prądu zostanie określone na podstawie równania różniczkowego

i warunek początkowy:

. To daje

, gdzie jest określone przez poprzednie wyrażenie. Siła elektromotoryczna indukcji jest równa

Energia pole magnetyczne można obliczyć, jeśli znane jest natężenie pola w dowolnym punkcie i przenikalność magnetyczna. Całą objętość, w której występuje pole magnetyczne, dzieli się na nieskończenie małe elementy objętościowe i zgodnie ze wzorem (12) w § 58 przyjmuje się, że każdy taki element zawiera ilość energii magnetycznej proporcjonalną do kwadratu natężenia pola w danym elemencie objętości. Energię całego pola magnetycznego uzyskuje się całkując jego wartość dla wszystkich elementów objętości przestrzeni, w której pole występuje. W rezultacie podobny do energii pole elektryczne Energię pola magnetycznego wyraża się wzorem

Ale czym jest pole magnetyczne i jak powstaje jego energia?

Pole magnetyczne jest jednym z integralnych przejawów prądu elektrycznego. Wraz z pojawieniem się prądu powstaje pole magnetyczne, które nieuchronnie ulega zniszczeniu, gdy prąd się zatrzyma.

Proces przekształcania energii prądu elektrycznego w energię pola magnetycznego znacznie różni się od procesów przekształcania energii elektrycznej w inne rodzaje energii. Rzeczywiście możemy dowolnie zwiększać lub zmniejszać, spowalniać lub przyspieszać przemianę energii prądu elektrycznego w energię cieplną lub chemiczną, zmieniając rezystancję przewodników, wybierając dowolnie mały lub duży przekrój, zmieniając ich długość, w tym elektrolitów w obwodzie itp. Możemy uniknąć zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną, unieruchamiając wszystkie powstające przewodniki obwód elektryczny; nie jesteśmy jednak w stanie zapobiec przemianie energii prądu w okresie jego występowania w energię pola magnetycznego. Pole magnetyczne jest nieodłącznym towarzyszem prądu elektrycznego.

Prąd stacjonarny (stały) odpowiada statycznemu stanowi pola magnetycznego. Zmiana wielkości prądu nieuchronnie pociąga za sobą zmianę natężenia pola magnetycznego i odwrotnie: każde naruszenie stanu statycznego pola magnetycznego, związane na przykład z ruchem magnesów, z ruchem obcych przewodników otoczonych własnym polem magnetycznym lub ze zmianą wielkości prądu w tych przewodnikach, natychmiast odbija się to na wartości prądu w obwodzie głównym. To wzajemne sprzężenie pola magnetycznego i prądu stanowi fizyczną istotę tego zjawiska Indukcja elektromagnetyczna a w szczególności samoindukcję.

Stalowe, czyli magnesy trwałe, które zachowują swoje pola jakby niezależne od ruchu elektryczności, w rzeczywistości, jak już wspomniano, są tylko czymś więcej trudny przypadek, potwierdzając nierozerwalny związek między polem magnetycznym a ruchem elektryczności: ich pola magnetyczne powstają w wyniku rotacji elektronów wewnątrz atomów ferromagnetycznych.

Fakt nierozłącznego istnienia pola magnetycznego i ruchu elektryczności skłania do myślenia, że ​​energia pola magnetycznego to nic innego jak energia ruchu elektryczności, czyli tzw. energia elektrokinetyczna.

Kiedy włączamy prąd w przewodzie lub układzie przewodów, w momencie jego włączenia powstaje pole magnetyczne; rośnie w krótkim, ale dość wymiernym okresie czasu. W tym samym czasie prędkość regulowanego (przeważającego) ruchu elektronów w kierunku prądu wzrasta od zera do prędkości odpowiadającej

prąd stacjonarny, czyli prąd stacjonarny, którego napięcie wyznaczamy na podstawie prawa Ohma:

Kiedy do obwodu podłączony jest dowolny przewodnik z oporem, wówczas pod wpływem różnicy potencjałów ładunki (na przykład elektrony) znajdujące się wewnątrz drutu uzyskują dominujący ruch w kierunku, w którym na nie działają siły elektryczne. W tym przypadku powstaje pole magnetyczne, które jest wyraźnym wyrazem energii elektrokinetycznej ruchu regulowanego, jaką uzyskują te ładunki. Załóżmy, że po sekundach (lub ułamkach sekundy) prąd osiąga taką wartość, gdy opór, jaki stawia przewodnik ruchowi elektronów, staje się równy działającej na nie sile, która zależy od różnicy potencjałów na końcach dyrygenta. Teraz elektrony uzyskały rezerwę energii elektrokinetycznej, która średnio nie będzie się już zmieniać, ponieważ prąd pozostanie stały. Cała praca wykonana przez prąd zostanie teraz całkowicie zamieniona na ciepło, którego ilość uwalniana w każdej sekundzie jest proporcjonalna do mocy prądu

Wcześniej, gdy pole magnetyczne i ruch ładunków nie osiągnęły jeszcze stanu stacjonarnego, praca prądu była wykorzystywana: 1) na ciepło i 2) na zwiększenie energii elektrokinetycznej przepływu elektronów w drucie, tj. na wytworzeniu pola magnetycznego prądu.

Praca prądu zużytego na wytworzenie pola magnetycznego ma na celu pokonanie siły elektromotorycznej samoindukcji, jeśli wielkość prądu wynosi ten moment to znaczy, moc prądu wydana na pokonanie siły elektromotorycznej samoindukcji będzie wynosić, a praca prądu zamienionego na energię pola magnetycznego w różnie krótkim czasie będzie równa

Korzystając ze wzoru (7), który określa wielkość siły elektromotorycznej samoindukcji (mnożąc obie strony tego wzoru przez, stwierdzamy, że

stąd,

Aktualna rezerwa energii pola magnetycznego równa się pracy, zużywany przez prąd na pokonanie siły elektromotorycznej samoindukcji przez cały okres czasu, podczas gdy prąd wzrasta od zera do określonej wartości stacjonarnej. Oznacza,

Tutaj, jeśli jest wyrażona w amperach, w henrach, wówczas energia jest wyrażana w dżulach; jeśli I wyraża się w centymetrach, wówczas energię wyraża się w ergach.

Wzór ten jest jednym z najważniejszych wzorów elektrodynamiki. Jest to odpowiednik wzoru (10) [gdy wzór (10) stosuje się do obliczenia energii pola prądu samotnego], jednak w porównaniu ze wzorem (10) wzór (11) ma tę zaletę, że jest prosty.

Wyrażenie to jest szczególnie ilustracyjne, ponieważ pokrywa się w formie z wyrażeniami na energię kinetyczną ruchu postępowego i energię kinetyczną ruchu obrotowego.

Wielkość prądu to uogólniona prędkość przepływu energii elektrycznej (§ 25); bezwładność prądu objawia się samoindukcją; Mamy zatem prawo uważać wzór (11) za bezpośredni wskaźnik jedności energii magnetycznej i elektrokinetycznej.

Gdy przewodnik ma kształt zwartej cewki przebitej liniami indukcji magnetycznej, wówczas każda linia indukcji magnetycznej pokrywa kontur przewodnika tyle razy, ile jest zwojów w cewce. Jest to równoznaczne z faktem, że kontur przewodnika jest pokryty jednorazowo liniami indukcji magnetycznej.

Porównanie wzoru na strumień indukcji magnetycznej (mierzony w henrach, I w amperach, maxwellach)

ze wzorem Hopkinsona (§ 62)

znajdujemy współczynnik samoindukcji (indukcyjność) elektromagnesu:

Tutaj mam długość obwodu magnetycznego w żelazku, długość szczeliny powietrznej i przekroje poprzeczne (te wartości powinny

wyrażać w centymetrach); istnieje przenikalność magnetyczna materiału rdzenia (przy danej wartości prądu), liczba zwojów.

Korzystając z tego wzoru, nie należy zapominać, że zależy to od natężenia pola (§ 63), dlatego dla różnych wartości prądu współczynnik samoindukcji również będzie inny.

W przypadku elektromagnesu, którego bieguny są zamknięte żelazną zworą, a dokładniej dla toroidu (ryc. 317), podany wzór jest uproszczony

Ryż. 317. Toroid

Widzimy z tego, że indukcyjność w rzeczywistości ma wymiar długości pomnożony przez przenikalność magnetyczną.

Znając indukcyjność elektromagnesu, możemy łatwo obliczyć jego energię korzystając ze wzoru (11):

Zastępując w tym wzorze iloczyn poprzez strumień indukcji magnetycznej wyrażony w Maxwellach, z (5) lub z (6), otrzymujemy:

Należy pamiętać, że nawijanie cewki drutem można również wykonać w taki sposób, aby mimo to indukcyjność cewki była zachowana duża liczba obroty będą bliskie zeru. Aby to zrobić, złóż drut na pół i zwiń go, jak pokazano na ryc. 318. Ze względu na przeciwny kierunek prądu w sąsiednich zwojach, pola magnetyczne wytwarzane przez te zwoje są prawie wzajemnie niszczone.

Ryż. 318 Nieindukcyjne uzwojenie dwufilarowe („bifilarne”).

Obliczanie indukcyjności przewodnika w przypadek ogólny wiąże się ze znacznymi trudnościami matematycznymi. Obliczając indukcyjność elektromagnesu, zastosowaliśmy wcześniej znalezione wyrażenie na strumień magnetyczny, co od razu doprowadziło nas do rozwiązania problemu. W większości przypadków obliczając indukcyjność trzeba zacząć od równania (10) na energię magnetyczną prądu i po całkowaniu porównać wynik z wyrażeniem energii prądu poprzez indukcyjność, czyli ze wzorem Wyjaśnijmy to metoda obliczeniowa na prostym przykładzie.

Obliczmy indukcyjność kabla składającego się z dwóch współosiowych cylindrów (ryc. 319), przez który przepływa prąd równy rozmiar idzie w przeciwnych kierunkach. Należy zauważyć, że gdy prąd przepływa przez wydrążony cylinder (o gęstości równomiernej na obwodzie cylindra), to pole magnetyczne prądu wewnątrz cylindra wynosi zero, a na zewnątrz cylindra jest takie samo jak pole prądu tej samej wielkości przepływającej wzdłuż osi cylindra. Wynika to z rozważań o symetrii i z wyrażenia na siłę magnetomotoryczną: Rzeczywiście, dla dowolnego pętla zamknięta, który nie obejmuje prądu (na przykład dla okręgu narysowanego wokół osi cylindra w płaszczyźnie prostopadłej do osi i mającego promień mniejszy niż promień cylindra), siła magnetomotoryczna wynosi zero; ale dlatego od tego czasu i z wyrażenia siły magnetomotorycznej dla okręgu otaczającego cylinder stwierdzamy, że

Aktywny opór. Całkowita rezystancja czynna linii przesyłowej sygnału kablowego składa się z sumy rezystancji przewodów doprowadzającego i powrotnego. Dla jednożyłowego kabla pancernego (OBK) i wielożyłowego kabla pancernego (MBK) z jednożyłową linią transmisji informacji (MBK-1p, pancerz jako przewód powrotny) rezystancję prądu stałego R 0 wyznacza się przez rezystancja rdzenia przewodzącego prąd (TCC): długość i konstrukcja rdzenia, średnica i materiał drutu rdzenia oraz temperatura otoczenia. Rezystancja przewodu powrotnego (pancerza) jest znacznie mniejsza niż rezystancja rdzeni i jej wartość można pominąć. W przypadku dwuprzewodowej linii przesyłowej (MBK-2p) rezystancja całkowita R 0 jest sumą rezystancji dwóch TPG.

Rdzenie kabli są zwykle skręcone z kilku żył, z których każda jest spleciona z kilku drutów. Obecnie powszechne są kable z żyłami jednożyłowymi. Rezystancja DC rdzenia jest określona równaniem:

R 0 = (/s)(m 1 m 2),

gdzie:  - oporność materiał drutu w temperaturze 20 0 C w Ohmmm 2 /km,  - długość rdzenia w km, s - całkowita powierzchnia wszystkich drutów rdzenia w mm, m - współczynniki skręcenia drutów w splotkę i splotek w rdzeń. Dla nowych kabli wartości współczynników m są bliskie 1. Z biegiem czasu rezystancja przejścia między drutami wzrasta (utlenianie ich powierzchni) i wartości współczynników zbliżają się do 1/cos , gdzie skręt kąt  uwzględnia długość drutów w skrętach (zwykle dłużej kabel o 10-15%). Jeżeli rdzenie są skręcone z drutów miedzianych i stalowych, wówczas ich rezystancje oblicza się osobno, a następnie łączy w postaci równoległych obwodów elektrycznych. Przyjmuje się, że typowe wartości  dla miedzi i stali wynoszą odpowiednio 17,5 i 98 Ohmmm 2 /km.

Rezystancja rdzeni, zwłaszcza kombinowanych ze stali i miedzi, zależy w dużym stopniu od temperatury. W zasadzie można to obliczyć za pomocą dobrze znanego równania:

Rt = R20,

gdzie  jest współczynnikiem temperaturowym (0,0039 dla miedzi, 0,0062 dla stali). Obliczenia uwzględniające gradient geotermalny wzdłuż odwiertu pokazują, że podczas pracy w studniach o temperaturach na dnie do 150 0 C rezystancja żył kabla może wzrosnąć o 10-20%. Wynika z tego, że zmianę rezystancji żył kabla podczas procesu pozyskiwania drewna można uznać za zjawisko normalne w granicach do 10%. W związku z tym dokładność modelu matematycznego rezystancji czynnej żył kabla może być ograniczona przez tę wartość.

Aktywna rezystancja kabli wysokie częstotliwości prawie wprost proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego częstotliwości. Decyduje o tym tzw. efekt powierzchniowy – narastające wraz ze wzrostem częstotliwości przemieszczenie prądu na powierzchnię drutów oraz oddziaływanie pól żył kabla. Przy częstotliwościach powyżej 100 kHz rezystancja czynna jest określana głównie przez efekt powierzchniowy i kilka razy większy opór prąd stały. Przy częstotliwościach poniżej 100 kHz wielkość tej zależności nieco się zmniejsza, ale jej charakter pozostaje taki sam. W przypadku żył kablowych zależność rezystancji czynnej od częstotliwości dodatkowo komplikuje wpływ skręcenia drutów w splotkę (splotka w rdzeń) i zależy od materiału drutów (miedź, stal). Nie ma ściśle uzasadnionych metod analitycznych obliczania parametrów elektrycznych żył skrętkowych kabli drenażowych. Wykorzystując znane dane eksperymentalne, całkowitą rezystancję czynną rdzenia kabla rejestrującego można w przybliżeniu przybliżyć za pomocą następujących wzorów:

R(f) = , (19.1.1)

K(f) =

, (19.1.1")

P(f) =

, (19.1.1"")

gdzie: K(f) to średni współczynnik efektu powierzchniowego, P(f) to współczynnik korygujący dla kabla rejestrującego dla rdzenia i konstrukcji kabla, r to promień rdzenia w mm, s to względne pola przekroju poprzecznego z miedzi i druty stalowe w rdzeniu (s Cu + s Fe =1), a jest stałą częstotliwościową kabla, której wartość wynosi około (0,1-0,3) dla OBK, ~(0,30,5) dla MBK-1p, ~(0,5 0,8) dla MBK-2p i zbliża się do 1 dla koncentrycznych linii wideo.

Ryż. 19.1.1. Współczynnik Q(f) kabla z rdzeniem miedzianym o średnicy 1,05 mm

(1- linia współosiowa, 2- obliczenia z wykorzystaniem wzorów aproksymacyjnych, 3- dane doświadczalne)

Na ryc. 19.1.1 przedstawia porównanie danych eksperymentalnych wartości całkowitego współczynnika Q(f) = K(f)P(f) z obliczeniami z wykorzystaniem wzorów (19.1.1).

Przewodność izolacji rdzenia kabla i straty elektromagnetyczne.

Przewodność izolacji rdzenia kabla G jest określona równaniem

G = (1/R i) + Ctg(),

gdzie wartość rezystancji izolacji R i kabli opancerzonych jest nie mniejsza niż 1000 MOhm/km, a parametr  strata na skutek polaryzacji izolacji jest nie większa niż 0,0005. W warunkach pracy wartość R i zwykle utrzymuje się na poziomie co najmniej 10 MΩ. Wartości te określają przewodność izolacji rdzenia na co najmniej 0,0003 S/km przy częstotliwościach do 1 MHz, a straty w izolacji kabla można pominąć.

Jednakże w opancerzonym kablu wyrębowym występują znaczne straty spowodowane odwróceniem namagnesowania pancerza i elementów magnetycznych otoczenia, których dokładnej wartości ilościowej nie można przewidzieć. Wpływ tych strat na obliczenia współczynnika tłumienia sygnału jest równoważny stratom polaryzacyjnym izolacji kabla (strata energii zależna od częstotliwości). Biorąc to pod uwagę, w najprostszym przypadku można uznać za możliwe wprowadzenie do wzoru na obliczenie przewodności dodatkowego współczynnika  - współczynnika redukcji strat elektromagnetycznych do strat w izolacji kabla:

G = (1/R i) + Ctg(),

gdzie wartość  dla jednożyłowych kabli pancernych przy częstotliwościach do 200 kHz wynosi około 0,1-0,2. Równanie w tym przypadku można uznać za równanie zastępczej przewodności kabla, co pozwala zachować ogólną teorię jednorodnych długich linii.

Ryż. 19.1.2. Równoważna przewodność kabla.

Równoważny parametr przewodności kabla znacząco wpływa na transmisję sygnałów w obszarze wysokich częstotliwości. Na podstawie wyników porównania danych obliczeniowych i eksperymentalnych dotyczących tłumienia sygnału w kablach rejestrujących w zakresie do 5 MHz można zaproponować prostszy wzór na aproksymację przewodności zastępczej kabla:

G = 2fCR(f), (19.1.2)

gdzie wartość  wynosi około 12-14 dla kabli jednożyłowych i 10-13 dla kabli wielożyłowych. Przykład obliczenia przewodności kabla KG 1x0,75-55-150 przy użyciu tego wzoru pokazano na ryc. 19.1.2.

Pojemność przewodu zależy od konstrukcji kabla i zależy od materiału i grubości izolacji TPG. Dla kable jednożyłowe Pojemność TPG można oszacować za pomocą równania (w μF/km): C = /(18ln(D/d)), gdzie  to stała dielektryczna izolacji, D to zewnętrzna średnica rdzenia wzdłuż izolacja, d jest średnicą przewodu rdzenia. Wartość pojemności mieści się zwykle w zakresie 0,1-0,12 µF/km. Pojemność między rdzeniem a zbroją w kablach wielożyłowych ma w przybliżeniu takie same wartości, a pojemność rdzeń-rdzeń jest 1,6-1,8 razy mniejsza. Zależność pojemności rdzenia od częstotliwości nie ma praktycznego znaczenia. Wraz ze wzrostem temperatury pojemność rdzeni nieznacznie maleje ze względu na spadek stałej dielektrycznej izolacji, a wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta. W dobrych warunkach te dwa procesy praktycznie się kompensują, a ogólna zmiana wydajności jest nieznaczna.

Indukcyjność kabla.

Indukcyjność własna linii koncentrycznych maleje wraz ze wzrostem częstotliwości ze względu na efekt powierzchniowy w drutach. W przewodach zewnętrznych prąd przemieszcza się w kierunku środka kabla, w przewodach wewnętrznych - od środka. W związku z tym indukcyjność przewodów zewnętrznych maleje, a indukcyjność przewodów wewnętrznych wzrasta, ale ich mniejsza średnica nie kompensuje w pełni spadku indukcyjności przewodów zewnętrznych.

Całkowita indukcyjność pary rdzeń-pancerz składa się z indukcyjności rdzenia i indukcyjności międzyprzewodnikowej rdzenia-pancerza. W pierwszym przybliżeniu, dla pary rdzeń-pancerz wykonany z różnych metali, można to wyznaczyć za pomocą równania używanego do obliczania indukcyjności kabli koncentrycznych (w H/km):

L(f) =

, (19.1.3)

Lc =

, Kc =100/ (19.1.4)

Lm = bln(D/d), (19.1.5)

gdzie: f - częstotliwość prądu (Hz),  - przenikalność magnetyczna rdzenia i pancerza (miedź  1 =1, stal  2 =100120),  - rezystywność ( 1 Ohmmm 2 /km,  2 Ohmmm 2 /km), d – średnica rdzenia (mm), D – wewnętrzna średnica pancerza kabla, (mm), b – współczynnik konstrukcyjny kabla (b  2 dla OBC , b  3 dla MBC). Lc/wartość

określa indukcyjność własną rdzeni, Lm – indukcyjność międzyprzewodnikową. Dla przewodów zawierających w swoim składzie druty stalowe wartości  1 i 1/ 1 oblicza się biorąc pod uwagę współczynniki wagowe pola przekroju poprzecznego elementów miedzianych i stalowych w całkowitym polu przekroju poprzecznego dyrygenta.

Porównanie obliczeń indukcyjności kabla z wykorzystaniem wzorów (19.1.3-19.1.5) z wynikami pomiarów doświadczalnych wykazało, że formuły obliczeniowe zawyżać wartości indukcyjności przy prawie wszystkich częstotliwościach powyżej 100 Hz. Najwyraźniej rolę odgrywa tutaj, po pierwsze, ten sam współczynnik różnicy wartości prądów przewodzenia i wstecznego w rdzeniu i pancerzu (zasadniczo brak zlokalizowanego prądu wstecznego w pancerzu), a po drugie, projekt zbroi. Wystarczająco gruba podwójna warstwa krzyżowo ułożonych drutów stalowych nie może równać się oplotowi kabla koncentrycznego.

Zbieżność obliczonych i zmierzonych wartości indukcyjności przy częstotliwościach powyżej 200 Hz zapewnia się poprzez ustalenie we wzorze (19.1.4) wartości „efektywnej” średnicy D e = kD kabla zamiast średnicy wewnętrznej pancerz D. Wartość współczynnika k na podstawie wyników obliczeń i eksperymentalnych wartości parametrów rdzenia mieści się w granicach (1-1,2) dla MBK-2p, (1,2-1,4) dla MBK-1p i (1,4 -1,6) dla OBK. W tym drugim przypadku praktycznie odpowiada to średnicy wzdłuż środkowej warstwy pancerza, co jest zrozumiałe ze względu na jego fizyczny charakter. Znając wartości indukcyjności rdzenia na kilku częstotliwościach, można dokonać dokładniejszego przybliżenia, dodatkowo zmieniając współczynnik Kc.

Jak wynika ze wzoru (19.1.3), zależność indukcyjności od częstotliwości jest określona przez indukcyjność własną rdzeni. Określa także zależność indukcyjności od temperatury (zmiana ). W zakresie wysokich częstotliwości indukcyjność zależy głównie od indukcyjności międzyprzewodnikowej. Podczas nawijania liny na wciągarkę jej indukcyjność może wzrosnąć o 1-3% w zależności od konstrukcji wciągarki i stanu (stopnia utlenienia) powierzchni pancerza liny.

Indukcyjność międzyprzewodnikowa kabli wielożyłowych dla pary żyła-żyła wzrasta w wyniku indukcyjności par i wpływu sąsiednich żył. W pierwszym przybliżeniu można to oszacować korzystając ze wzoru na aproksymację danych eksperymentalnych:

Lm  bln((D e /d)+s(2c/d), (19.1.6)

gdzie c jest odległością między środkami rdzeni, s  (0,4-0,5) w zależności od konstrukcji kabla i jest określana na podstawie pomiarów indukcyjności przy wysokich częstotliwościach.

Na podstawie zmierzonej wartości indukcyjności przy częstotliwości f 1 można obliczyć funkcję częstotliwości indukcyjności za pomocą wzoru.

Wiszniakow E.M. Instytut Technologiczny Ozersny (oddział) MEPhI Khvostov D.V. CJSC „Samara-Impex-Cable”, Moskwa

Poprzednio 1,2) pojemności liniowe triad i skręcone pary najprostsze konstrukcje, uwzględniające skutki skręcenia zarówno żył jednodrutowych, jak i drutów w żyłach wielodrutowych. Zadanie sformułowane w tytule artykułu jest nieco bardziej skomplikowane. Wynika to ze znacznej różnicy w występowaniu procesów elektrycznych i elektromagnetycznych w rozpatrywanych obiektach.

Dlatego też warto omówić tę kwestię nieco szerzej.

Pojemność C jest współczynnikiem proporcjonalności pomiędzy potencjałem U przewodnika a jego ładunkiem Q: Q=CU.

Obliczenie C dla przewodów kablowych jest znacznie uproszczone ze względu na szereg okoliczności.

Po pierwsze, pole elektryczne praktycznie nie wnika w przewodniki, gdyż ładunek naelektryzowanych metali skupia się w warstwie przypowierzchniowej o grubości rzędu promienia ekranu Debye'a εε 0 (U/en) ½ ∼10 -10 m, gdzie n ∼ 10 28 ...10 29 m -3 stężenie nośników ładunku w metalach, ε jest stałą dielektryczną. Promień ten jest rzędu odległości międzyatomowych w siatce metalicznej, dzięki czemu ich objętości są praktycznie „wyłączone” z procesów elektrostatycznych. To znacznie upraszcza procedurę obliczania różnych całek konturowych i powierzchniowych.

Po drugie, czas wnikania pola elektrycznego w metale jest znikomo krótki: jest rzędu εε 0 /σ ∼10 -8 s – czasu relaksacji Maxwella.

Po trzecie, w czasie Ø/V ∼10 -11 s (∼100 GHz; V = 1 mm - średnica przewodnika, V ∼ 2 10 8 m/s - prędkość propagacji pola elektromagnetycznego wzdłuż kabla), wyrównanie U występuje na powierzchni drutu. To znacznie mniej niż charakterystyczny czas trwania sygnałów (czasami tę okoliczność formułuje się inaczej: długość fali jest znacznie większa niż poprzeczny rozmiar linii komunikacyjnej). Ponadto ich pojemności nie zależą od częstotliwości (jeśli nie ma zależności częstotliwościowej ε).

Tak więc, stosując ogólnie przyjęte wyrażenie wskazane powyżej, możliwe jest niemal jednoznaczne określenie wartości parametrów pojemnościowych produktów kablowych.
Czego nie można powiedzieć o liniowych parametrach indukcyjnych L przewodników, jeśli są one tradycyjnie rozumiane jako współczynniki proporcjonalności łączące strumień indukcji magnetycznej Ф wokół przewodnika i jego prąd J: Ф = LJ (1)

Lub w inny matematycznie równoważny sposób (na przykład poprzez emf elektromagnetyczny indukcja, energia pola magnetycznego: patrz poniżej). Wynika to z faktu, że w przeciwieństwie do pola elektrycznego, pole magnetyczne przenika do przewodników i częstotliwości

ω < 1/[Ø 2 μ 0 σ] ∼ 10 4 1/c почти полностью (μ 0 = 4π 10 -7 Гн/м, для меди σ = 5.98 10 7 Сим/м). Причём из-за скин-эффекта и эффекта близости токи и магнитные поля распределены по сечению проводников неоднородно. Кроме того, время диффузии магнитного поля в проводник 1/ω ~ 10 -4 с соизмеримо со временами сигнальных процессов.

Z tych wszystkich powodów wyrażenia takie jak (1) jednoznacznie określają parametr indukcyjny L tylko dla przewodów i prądów o szczególnie wysokiej symetrii (płaskiej lub koncentrycznej). I nie działają w przypadku zastosowania do produktów kablowych o dowolnym kształcie przekroju poprzecznego przewodów. W tym dla przewodów wielodrutowych rozważanych w tej pracy. Dlatego, aby jednoznacznie określić indukcyjność tych przewodników, wymagane są dodatkowe rozważania.

Celem tej pracy jest wyjaśnienie pojęcia indukcyjności tak, aby można było za jego pomocą uzyskać jednoznaczne obliczone wartości parametrów indukcyjnych. Mając na uwadze ich połączenie:

• z geometrią drutów i właściwościami ich materiałów z jednej strony,
• natomiast z prędkością propagacji pola elektromagnetycznego, impedancją fali i innymi obserwowalnymi wielkościami;
• a także iskrobezpieczeństwo i inne właściwości użytkowe wyrobów kablowych.

Rozwiązanie tego problemu wyznaczył poniższy zarys artykułu.

W pierwszej kolejności wyjaśniono parametr indukcyjny obliczanych linii. Następnie w środowisku ELCUT obliczono indukcyjność w liniach koncentrycznych – najprostszym obiekcie z jednoznacznie określoną wartością parametru indukcyjności (jak zostanie pokazane poniżej, jest to niezmiennik indukcyjny). Głównie po to, aby porównać wynik z dokładnie znanym 3) .

Następnie obliczono parametry indukcyjne żyły skrętkowej na przykładzie przewodnika o przekroju poprzecznym złożony kształt Przekrój. A także sprawdzić za pomocą ELCUT, czy przewodniki tego typu mają niezmiennik indukcyjny.

Dodatki zawierają pewne matematyczne rozumowanie niezbędne do korzystania z ELCUT i dowód twierdzenia o „niezmienniku indukcyjnym”.
Dla jasności i uproszczenia rozumowania, w tej pracy rozważamy obiekty, których konstrukcja nie jest skomplikowana poprzez skręcenie w nich żył kablowych i żył. Pozostawiając te pytania na osobną dyskusję.

Tradycyjne definicje indukcyjności.

Istnieją różne fizyczne definicje indukcyjności L (obwód, cewka itp.). Oprócz definicji L w (1), inni kojarzą ten parametr z:

• emf E indukcja elektromagnetyczna E = - LdJ/dt;
• energia W tego pola magnetycznego W = L J2/2;
• urojona część przepływu P wektora [E H*] L = Im (P/ω);
  Tutaj [E H*] jest wektorem Umova-Poyntinga, P = - ∫ dS, dS jest elementem powierzchniowym 4), H* jest zespoloną sprzężoną amplitudą pola magnetycznego.
  Wszystkie te L są jednoznacznie zdefiniowane i matematycznie identyczne, jeśli:
  • druty są nieskończenie cienkie;
  • nieabsorbujące środowisko, w którym „żyje” pole magnetyczne;
  • kontury przewodzące prąd mają charakter punktowy.

Z tego ostatniego wynika między innymi, że indukcyjność jest parametrem czysto skoncentrowanym.

W liniach komunikacyjnych przewody zasilające i ogólnie w systemach o parametrach rozproszonych żaden z nich wymienione warunki. Dlatego wprowadza się pojęcie parametrów liniowych (nazywa się je również pierwotnymi): pojemność C (na przykład nF/km) i indukcyjność L (mH/km). Jednak w literaturze edukacyjnej i innej istnieje rozbieżność w ich definicjach. Wyjaśnijmy więc, o czym będziemy rozmawiać.

Parametry indukcyjne długich linii.

Rozważmy odcinek z, z + dz linii dwuprzewodowej (ryc. 1). Niech to będzie kabel koncentryczny o promieniu ekranu b i promieniu rdzenia a (uprości to rozumowanie, nie umniejszając ich ogólności). W rdzeniu płynie prąd J o rozłożonej w nim gęstości δ w (r, φ). Na ekranie płynie prąd przeciwny o gęstości δ e (r, φ). Jeżeli przewodność przewodników jest skończona, wówczas na ich powierzchni występuje podłużne pole elektryczne
Jeż = δ f/σ f i Ee = δ e /σ e.

Tutaj δ l = δ l (a, φ) i δ e = δ e (b, φ) to gęstość prądu na powierzchni rdzenia i ekranu, a σ l (a, φ) i σ e (b, φ ) to przewodność elektryczna. Te ostatnie mogą mieć różną głębokość (na przykład powierzchnia rdzeni miedzianych może być cynowana lub posrebrzana).

W przybliżeniu równań telegraficznych w linii przemieszcza się tylko potencjalna fala T. Z tego powodu dla emf indukowanego E wzdłuż konturu wskazanego na rysunku (linia przerywana) możemy napisać:
- (d/dt)∫B(r) drdz = E = U(z) + Eedz +U(z + dz) + Ezhdz
gdzie Ф = ∫B(r) drdz jest strumieniem indukcji magnetycznej w obwodzie. Stąd otrzymujemy pierwsze równanie telegraficzne (w formie algebraicznej):
-dU/dz = jωL* J (2)
gdzie L*= L + R*/ jω jest uogólnioną indukcyjnością liniową (w dalszej części pomijamy termin indukcyjność liniowa). W geometrii współosiowej B(r) = Jµ 0 /2πr, a całkę łatwo obliczyć:
L = ∫B(r)dr/J = (lµ 0/2π)ln(b/a); (3)
R* = [δ e/σ e + δ l/σ l] / J = Re* + Rl*.

Parametr R* nazywany jest zwykle rezystancją, ponieważ w granicy ω -> 0, R* -> R/D, gdzie R jest całkowitą rezystancją omową przewodów liniowych dla prądu stałego. D to jego długość. A L nazywa się indukcyjnością (przeplatającą), analogicznie do indukcyjności skupionej. Chociaż w znaczeniu są to zasadniczo różne pojęcia.

Faktem jest, że indukcyjność skupiona L jest wielkością całkowicie obserwowalną, gdyż np. w (1) można zmierzyć wielkości E i dJ/dt bez niszczenia L. Tego samego nie można powiedzieć o wielkościach dU/dz i/lub J ( z) w (2): nie można ich zmierzyć bez zniszczenia parametrów linii. Dlatego indukcyjność liniowa L nie jest parametrem obserwowalnym. Oprócz innych podstawowych parametrów długich linii: pojemność międzyprzewodowa C, rezystancja R i przewodność G = Go + ω tan δ, gdzie Go to przewodność prądu stałego izolatora, tan δ to styczna strat dielektrycznych.

Zależność indukcyjności i właściwości falowych od iskrobezpieczeństwa linii komunikacyjnych.

Parametry pierwotne linii są ściśle powiązane z obserwowanymi parametrami wtórnymi: impedancją falową Z i liczbą falową k. A przez nie - z prądami, napięciami i częstotliwościami. Wykorzystajmy to połączenie w teorii telegrafu:
Z* ½
k= ½
Jeśli pominiemy straty, to tak
Z = [(L+Le+Lzh)/C ] ½
k = jω ½ =jω/V= jot ω/V=j2π/λ
gdzie L, Le, Lzh są zdefiniowane poniżej, V = 1/ [(L + Le+ Lzh) C] ½ - prędkość fali, λ - jej długość.

Wartość Z =± U/J określa zależność pomiędzy amplitudami fal prądu i napięcia w linii komunikacyjnej (znak plus oznacza falę wzdłuż z, znak minus oznacza przeciwfalę). A to jest najważniejsze w fizyce i technologii przekazywania informacji.

Jest to również ściśle powiązane z niebezpieczeństwem iskrzenia kabla. Niech np. w odcinku D izolacji przewodu zgromadzi się ładunek statyczny Q, który podniesie potencjał tego odcinka do poziomu przebicia U = Q/SD (rys. 2). Następnie od miejsca przebicia w obu kierunkach będą odpływać fale zerowania potencjału, czemu towarzyszą skoki prądu wyładowania J ~ U/Z. Całkowity czas trwania takiej awarii jest krótki ~ D/2V ~ 10 -8 s. Dodatkowo moc rozładowania ~UJ ~ U 2 /Z jest ograniczona rezystancją Z. I z tego punktu widzenia należy go zwiększyć. Oznacza to, że zwiększ L + Le + Lz i zmniejsz C. Między innymi jest to dobre z tego powodu, że zmniejsza to również ilość uwalnianą w podziale Energia elektryczna- DCU 2 /2.

Ale to nie jest takie proste. Niech na przykład nastąpi przerwa w żyle kabla o Z = 100 Ohm i DC J = 10 A (rys. 2 poniżej). Następnie z tego miejsca odlecą fale zerowania prądu, któremu towarzyszy skok napięcia U - J Z - 1000 V s różne znaki na krawędzi klifu. Zjawisko to jest podobne do dodatkowego emf indukcji - 2000 V w przypadku przerwania obwodów z prądem, jeśli posiadają one cewki indukcyjne. W liniach dodatkowy emf działa przez ~10 5 ... 10 6 s - czas, w którym fale przemieszczają się tam i z powrotem wzdłuż linii, a ich energia magnetyczna jest rozpraszana na końcowych obciążeniach. Ale to najlepszy scenariusz.

W najgorszym przypadku awaria następuje w punkcie przerwania i tutaj można uwolnić prawie całą energię magnetyczną. Dlatego w przypadku mieszanin wybuchowych, przez które przechodzą niektóre rodzaje kabli, „zapalnik indukcyjny” może być bardziej niebezpieczny niż zapalnik pojemnościowy. W tym przypadku bardziej przydatne jest zmniejszenie oporu fali.

Generalnie może się okazać, że dla krótkich linii należy dobierać kable o większym Z, a dla długich – odwrotnie. Lub nawet zmontuj linie komunikacyjne z elementów o różnych Z. Aby zapewnić minimalne ryzyko iskrzenia.

Zatem zarówno z punktu widzenia transmisji sygnału, jak i bezpieczeństwa, wskazane jest uwzględnienie parametrów linii związanych konkretnie z właściwościami falowymi kabli, jak pokazano w poprzednim rozdziale.

Obliczone składowe indukcyjności.

Jak widać z (2), uogólniona indukcyjność zawiera szereg terminów:
L*= L + Ze + Zl = L + Le + Re/jω + L.l + Rl/jω (4)
Co można interpretować jako udział indukcyjności międzyprzewodnikowej L i składowych biernych impedancji obu przewodników:
Ze = Re + jω Le; Zl = Rl + jω Ll
gdzie z definicji:
Re = Re(Ze); Le = lm(Ze)/ω
Rl = Re(Zl); Ll = Im(Zl)/ω;
Lub
Le = Im(δе) / (J σ e ω R3); Re = Re(δ e) /(J σ e)
Ll = Im(δl) / (J σ l ω R3); Rl = Re(δ l) /(J σ l) (5)
Tutaj i dalej rozważamy przewodniki o dowolnym kształcie i symetrii (to znaczy niekoniecznie współosiowe). Z tego powodu na ryc. 3 zastępujemy indeksy g i e liczbami 1 i 2. Na tym rysunku wyjaśniono procedurę obliczania parametrów indukcyjnych w zależności od wyboru konturu całkowania (powierzchni) S.

Obliczamy gęstości prądu przewodów δ wzdłuż linii A 1 i A 2 kontaktu z powierzchnią S, „rozciągniętą” pomiędzy przewodnikami, przez co obliczamy strumień Ф =∫BdS w wyrażeniu (3). Należy zauważyć, że w przypadku dwuwymiarowym całka ta jest równa różnicy między potencjałami wektorowymi linii A 2 i A 1 . Dlatego
L=(A 2 -A 1)/J (6)

To znacznie upraszcza procedurę obliczeniową w ELCUT, ponieważ rozwiązuje problem konkretnie dla potencjału wektorowego A(r,φ).

Tak jak w przewodnikach i na ich powierzchni fazy i amplitudy А(r,φ), δл(r,φ) i δ(r,φ), ogólnie rzecz biorąc, zależą od współrzędnych, a następnie od parametrów indukcyjnych przewodników L, Le, Re, Lzh, Rzh nie są jednoznacznie zdefiniowane. I, jak wskazano powyżej, aby uzyskać dla nich określone wartości, potrzebne są dodatkowe rozważania. Powiedzmy, że iskrobezpieczeństwo i/lub wielkość impedancji linii. Następnie zaleca się użycie maksymalnej sumy L + La + Lz jako indukcyjności. Co więcej, jest niezmiennikiem, czyli jest jednoznacznie określony (patrz załącznik). Sprawdźmy to wszystko za pomocą ELCUT, dla którego rozwiążemy szereg prostych problemów.

Indukcyjność przewodu jednoprzewodowego i pary prostej.

Pierwszą z nich jest indukcyjność jednodrutowego rdzenia miedzianego o promieniu a = 0,5 mm w współosiowym ekranie nadprzewodzącym (Le = 0; Re = 0) o promieniu b = 1,6 mm. Znana jest dokładnie jego indukcyjność międzyprzewodnikowa L (dla μ= 1):
L = μμ 0 /2π ln(b/a)=0,232630 nF/km
Znane są również parametry drutu:
Lzh = μ 0 /2π aq /D;
Rzh - aq/2 /D (6)
gdzie q = (ω σ μ 0) ½, D = ber" 2 + bei" 2, ber(qa), bei(qa) to funkcje Thomsona (Kelvina), kreski są ich pochodnymi.

Zadanie to ułatwia fakt, że w przypadku osiowo-symetrycznym A(r,φ) nie zależy od kąta, w związku z czym wszystkie parametry wskazane w (5) są określone jednoznacznie.

Sprawdźmy to za pomocą programu ELCUT, dla którego zbudujemy model geometryczny kabla koncentrycznego (rys. 4). Modelem jest wąski sektor (100), na którego promieniach określone są warunki brzegowe Ht = 0, a na zewnętrznym łuku - zerowy potencjał wektorowy A = 0 (w przybliżeniu - ekran nadprzewodzący). Miedziany rdzeń wyposażony jest w żebro pomocnicze (promień 0,45 mm) zwiększające gęstość siatki elementów skończonych (łącznie 251 węzłów) w obszarze efektu naskórkowania. Poniżej na ryc. 4 znajduje się mapa pola magnetycznego (czarne linie) i gęstości prądu (kolor) przy różnych częstotliwościach. Można zobaczyć, jak wraz ze wzrostem częstotliwości pole magnetyczne jest wypychane z przewodnika i Elektryczność naciska na jego powierzchnię ( Kolor niebieski- prąd minimalny, ciepłe kolory- maksymalnie). To efekt skóry.

W tabeli przedstawiono wartości prądów w środku drutu δl(0) i δl(a) - na powierzchni bloku miedzianego (czerwona kropka). Razem z parametrami L przy różnych częstotliwościach: L = A(a) / J, a także Ll i Rl. Po prawej stronie znajdują się błędy dotyczące obliczeń przy użyciu wzorów (6).

Tabela pokazuje, jak wraz ze wzrostem częstotliwości zmniejsza się amplituda prądu w środku drutu, zmieniając znak, a prąd na powierzchni wzrasta.
ELCUT potwierdza z dużą dokładnością, że w konstrukcjach współosiowych parametr L nie zależy od częstotliwości (tzn. jest wyznaczony jednoznacznie). Przy częstotliwościach powyżej 1 MHz błędy obliczeniowe w ELCUT parametrów Rl, a zwłaszcza Ll, szybko rosną. Wiąże się to najwyraźniej z rozwojem efektu naskórkowości, który wymusza wzrost gęstości siatki w przypowierzchniowych warstwach przewodnika. Dostępna wersja ELCUT (255 węzłów) nie pozwala jednak na ustalenie tego faktu z odpowiednią wiarygodnością. Jednak nawet w tej wersji błąd Rl względem wartości ωL nie przekracza 0,05% (średnio 0,04%), a Ll 0,2% (0,12%). W całym praktycznie interesującym zakresie częstotliwości od 100 Hz do 1000 MHz.

Dla porównania tabela pokazuje głębokość penetracji (dyfuzji) pola magnetycznego do miedzi. Przykładowo przy częstotliwości 1 MHz pole wnika w przewodnik na głębokość ~0,2 mm. W tej warstwie płyną głównie prądy.

Prowadzi to do wzrostu o pół rzędu wielkości rezystancji drutu Rm i podobnego spadku jego indukcyjności Lz. Na ryc. 5 niebieskie punkty to obliczenie Rl i Ll w ELCUT, a krzywe to dokładne rozwiązanie (6). Zbieg okoliczności robi wrażenie. Zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę, że ELCUT nie wie o istnieniu funkcji Bessela, Thomsona, MacDonalda... Jasne kropki na rysunku to krzywa dla rdzenia siedmioprzewodowego (patrz poniżej).

Ponieważ odwzorowania konforemne nie zmieniają postaci równania Laplace'a ΔA = 0, indukcyjność L kabla koncentrycznego pokrywa się z tym samym parametrem wszystkich jego odwzorowań konforemnych. Łącznie z symetryczną parą prostą z relacją
b"/a" = (b/a +1)/
(dla danego kabla b"/a" = 1,173936).

W przypadku innych parametrów indukcyjnych sytuacja jest bardziej skomplikowana, gdyż do ich obliczenia konieczne jest rozwiązanie równań Poissona ΔA = -μμ 0 δ , a odwzorowania konforemne, ogólnie rzecz biorąc, zmieniają swoją postać, co wyklucza możliwość bezpośrednie zastosowanie ELCUT. Zadanie to ułatwia jednak fakt, że ułamkowe odwzorowanie liniowe praktycznie nie zmienia postaci tego równania (patrz załącznik). Z tego powodu wyniki uzyskane dla struktury współosiowej w pełni odzwierciedlają właściwości odpowiadającej jej pary.

Dodatkowo w rozważanym powyżej problemie ekran był nadprzewodzący (Le = 0; Re = 0). A w parze symetrycznej jest to miedź, a jej rolę można uwzględnić po prostu podwajając wartości Rl i Ll, ponieważ Re = Rl i Le = Ll. Wyniki uzyskane w tej sekcji można również zastosować do par asymetrycznych, to znaczy z różne średnice i/lub rdzenie metalowe. Wymaga to jedynie niewielkiej komplikacji metody obliczeniowej.

Indukcyjność rdzenia skręconego.

Rozważmy kabel koncentryczny z siedmiożyłowym rdzeniem i ekranem nadprzewodzącym. Niech powierzchnia miedzi w rdzeniu będzie taka sama jak w omówionym powyżej przykładzie (ø = 1 mm, 0,785398 mm2). Wówczas średnica drutu wynosi 0,377964 mm, „duża” średnica rdzenia wynosi 1,133893 mm, a „mała” średnica wynosi 1,032618 mm. A promień ekranu b = 1,814229 mm.

Konstrukcja posiada oś symetrii szóstego rzędu i 12 płaszczyzn symetrii, dlatego obliczenia wykonywane są w sektorze 360/12 = 30 0. Na rys. 6 przedstawiono fragment modelu geometrycznego wskazujący charakterystyczne krawędzie i punkty (kolor czerwony), dla których obliczono potencjał wektorowy, gęstość prądu oraz strumień indukcji magnetycznej. A także mapy pola magnetycznego i prądów dla różnych częstotliwości (ryc. 6). Możesz zobaczyć, jak siedmioprzewodowy rdzeń wypycha pole magnetyczne ze swojej objętości, a jego prąd jest dociskany do górnej części zewnętrznego drutu.

Niebieska przerywana linia na mapie 1 MHz wskazuje promień rdzenia jednoprzewodowego (ø = 1,0656 mm), który ma taki sam niezmiennik indukcyjny L + Lzh jak rdzeń siedmioprzewodowy (patrz poniżej). Zmiany częstotliwości rezystancji przewodu linkowego są podobne do przewodu jednodrutowego o tym samym przekroju, a na niskie częstotliwości po prostu pokrywają się (ryc. 5). Przy wysokich częstotliwościach rezystancja rdzenia skręconego jest zauważalnie większa, ponieważ tylko część jego powierzchni jest aktywna.
Ale o wiele bardziej interesująca jest zmiana częstotliwości parametru indukcyjnego L, pokazana na ryc. 7. Jak stwierdzono powyżej, dzieje się tak właśnie w przypadku, gdy indukcyjność międzyprzewodowa zależy od wyboru obwodu, a parametr Lz zależy od punktu na powierzchni rdzenia. Dla przejrzystości krzywe są rysowane przez punkty projektowe ELCUT.
Rzeczywiście, jak widać na rysunku, indukcyjność L K obliczona wzdłuż konturu K (górna czerwona linia modelu geometrycznego) jest zauważalnie większa niż L B obliczona wzdłuż konturu B (dolna linia). Przy częstotliwościach większych niż ~1 MHz, to znaczy, gdy przewodnik jest „wyłączany”, różnica ta zanika. I takie zachowanie jest zrozumiałe. Jak widać na obrazie pól, przy niskich częstotliwościach pole magnetyczne przechodzi przez metal i strumień indukcji magnetycznej przez obwód K jest większy. Przy wysokich częstotliwościach pole jest wypychane z przewodów i różnica jest usuwana.

Jak widać z rys. 7, parametr indukcyjny L QOL jest ujemny. Oznacza to, że metal w głębi powierzchni działa niejako „przeciw” ogólnej indukcyjności. Podobny do przeciwnego uzwojenia transformatora. Ale najbardziej interesująca funkcja z tych obliczeń ELCUT jest to, że na wszystkich częstotliwościach występuje błąd< 0.002% соблюдается равенство
L K + L KZH = L K + L VZH

Na ryc. 7 powyżej obie te sumy przedstawiono w postaci pojedynczej krzywej L + L VZh. Jest to niezmiennik indukcyjny. Zatem ELCUT potwierdza słuszność wspomnianego powyżej twierdzenia o istnieniu takiego niezmiennika. Zauważmy na marginesie, że przy błędzie nie większym niż 0,3% krzywa L + L.g będzie odpowiadać krzywej dla przewodu jednodrutowego o średnicy ø = 1,0656 mm. Co również pośrednio przemawia na korzyść niezmiennika indukcyjnego: jeśli przewodniki o dowolnym kształcie powierzchni mają taki niezmiennik, to zawsze można wybrać drut okrągły z tym samym niezmiennikiem, a zatem o tym samym zachowaniu indukcyjnym w całym praktycznie ważnym zakresie częstotliwości .
Wcześniej 2) podobny promień stwierdzono dla pojemności rdzenia siedmioprzewodowego. Co więcej, jego wartość liczbowo pokrywa się z wartością indukcyjną. Najwyraźniej wynika to z twierdzenia o odwrotnej zależności między pojemnościami międzyprzewodowymi i indukcyjnościami.

Wnioski.

1. Błąd obliczeń parametrów indukcyjnych - 0,1...0,3% w środowisku programu ELCUT nie przekracza błędu pojemnościowego.
2. Indukcyjność międzyprzewodowa L i parametry indukcyjne 1zh przewodów nieosiowosymetrycznych nie mają jednoznacznej definicji. Jest to jednak jasno określone
   niezmienny parametr indukcyjny L+ Lzh.
3. Skrętkę (i ogólnie o dowolnym kształcie) można zastąpić drutem okrągłym o pewnym efektywnym promieniu, który w większości przypadków charakterystyczne formyżyły kablowe i ich otoczenie można raz na zawsze obliczyć.

Odwzorowanie konforemne równań Laplace'a i Poissona.

Funkcja w(z) = u +j v gdzie z = x + jy, oraz u(x,y) i v(x,y) spełniają warunki ∂u/∂x= ∂v/∂y; ∂u/∂y = - ∂v/∂x lub u x = v y ; u = -v x implementuje transformację konforemną figur (obrazów) z płaszczyzny x, y do ich odwzorowań w płaszczyźnie u, v. A funkcje x(u,v) i y(u,v) są odwzorowaniem odwrotnym.

W operatorze Laplace'a jest to po prostu zmiana zmiennych: ∂U = U XX + U YY = D (U UU + U VV) gdzie wyznacznik D = d(u,v)/o(x,y) - uxvy - uyvx. Zatem transformacja konforemna nie zmienia postaci równania Laplace'a: U XX + U YY = 0 => U UU + U VV = 0
Ale ogólnie rzecz biorąc, zmienia to postać równania Poissona. Przynajmniej po prawej stronie. Np. dla potencjału pola elektrycznego U U XX + U YY = - ρ (x, y)/εε 0 (*)
gdzie ρ (x, y) i ρ (u, v) to gęstość ładunku.

Ma to znaczenie pochodnej ρ = dQ/dS, gdzie Q (x, y) jest funkcją rozkładu ładunku na powierzchni, a dS = dxdy jest elementem powierzchni. Podczas wymiany element zmienny powierzchnia jest przekształcana dS" =dudv= (∂(u,v)/∂(x,y))1/2 dxdy = √|D| dxdy.

Podstaw to do (*): D (Uuu + Uvv)= -dQ(x(u,v),y(u,v))/(εε 0 dudv/√|D|)

I otrzymujemy równanie Poissona w zmiennych u, v ΔU(u,v) = - ρ (x, y) /εε 0 gdzie ρ(u,v) = dQ(x(u,v), y(u, v)) / (dudv√|D|) = ρ(x(u,v), y(u,v))/√|D|

Zatem, aby otrzymać „nową” gęstość ładunku, należy w „starym” zamienić x, y na u, v i podzielić przez √|D|. Należy zauważyć, że jeśli prawa strona równania Poissona nie jest gęstością ładunku, ale, powiedzmy, ładunkiem punktowym, to należy ją podzielić przez D. Co więcej, liniowo-ułamkowe odwzorowanie konforemne zachowuje postać nie tylko Lalpas równanie, ale także równanie Poissona.

Dowód.

Wpuść płaszczyzna x, y obowiązuje liniowe odwzorowanie ułamkowe w = M2/z.

Wtedy u = M 2 x/r 2 i v = - M 2 y/r 2 i odwrotnie: x = M 2 u/R 2 i y = -M 2 v/R 2, gdzie r 2 = x 2 + y 2; R 2 = u 2 + v 2 = M 4 /r 2.

W tym przypadku D = (∂(R,φ)/d(r,φ)) = - M 2 /r 2 . Oraz równanie Poissona (we współrzędnych biegunowych): U rr + U r /r + U φφ /r 2 = - ρ(r,φ)/εε 0 ; U RR + U R /R + U φφ /R 2 = -ρ(M 2 /R, φ)M 2 /(R 2 εε 0)
Podobnie dla potencjału wektorowego pola magnetycznego A rr + A r /r + A φφ/r 2 = -δ(r, φ)/εε 0 ; A RR + A R /R + A φφ /R 2 2= - δ(M2/R, φ)M2/(R 2 εε 0), gdzie δ jest gęstością prądu.
Można zauważyć, że wszystkie równania różnią się jedynie oznaczeniem zmiennych. co było do okazania

Niezmiennik indukcyjny.

Wychodzimy z równania telegraficznego -(∂/∂t) ∫ B(r) dr = Uz + Eе + Ezh (**)
gdzie Ee = δe/σe, Ezh = δl/σl. Zapiszmy w formie algebraicznej - jωLJ = Uz - Re(δе)/σе - j lm(δе)/σ - Re(δл)/σе - j lm(δл)/σл

J ωJ (L - lm(δl)/Jωσl - lm(δe)/Jωσe) = Uz - Re(δe)/σe - Re(δe)/σl)

z definicji lm(δl)/Jωσl = - Ll, lm(δe)/Jωσe)/ Jωσ = - Le.

Zatem -j ωJ (L + Ll + Le) = Uz - Re(δe)/σe - Re(δl)/σl - Re(δl)/σl

Prawa strona zależy od potencjału (gradientowego) przekroju powierzchni drutów przez płaszczyznę z. W przybliżeniu równań telegraficznych sekcja ta jest linią o równym potencjale i jej nachyleniu. Dlatego prawa strona nie zależy od położenia punktów na określonej linii. W konsekwencji tym samym niezmiennikiem jest wielkość L + Lf + Le. Jeśli jeden z przewodników, na przykład ekran, jest nadprzewodzący, wówczas Le = 0 i niezmiennik degeneruje się do L + Lz. co było do okazania

1) Vishnyakov E.M., Khvostov D.V. Obliczanie indukcyjności i pojemności międzyprzewodnikowej symetrycznych par bezpośrednich z wykorzystaniem mapowania konforemnego i metod elementów skończonych. Kabel nr 3, 2007.
2) Vishnyakov E.M., Xboctos D.V. Wpływ skręcenia na pojemność międzyprzewodnikową par skręconych i triad. Kabel nr 4, 2007.
3) L. Kalantarov, L. A. Tseitlin. Obliczanie indukcyjności.-L: Energoatomizdat, 1986, s. 94.
4) L.A. Bessonov. Podstawy teoretyczne elektrotechnika.-M: VSh, 1967

Obecnie twórcy nowoczesnych cyfrowych sieci przemysłowych (DIP) często stają przed problemem wyboru takiej czy innej linii transmisji danych, która w pełni spełniłaby ich wymagania nie tylko pod względem jakości i niezawodności transmisji sygnału (zgodnie z warunkami jej pracy), ale także opłacalność. Problemy te wynikają z nieodłącznych cech Rynek rosyjski produkty kablowe.

Potrzeba tej publikacji wynika z faktu, że wiele rosyjskich instytutów projektowych w swoich opracowaniach obiekty przemysłowe używaj kabli, które były używane 10 i więcej lat temu i nie uważaj za konieczne odejście od wcześniej przyjętych „statutów” i przechodzenie na bardziej nowoczesne i zaawansowane typy różne powody(brak informacji, strach przed nowymi rzeczami itp.).

Ostatnie lata standardy organizacji cyfrowych sieci przemysłowych (DIP), takie jak Profibus DP, Modbus, Hart, CanOpen itp., które zostały już ustalone w skali globalnej, krążą szeroko po naszym kraju, których poziomy fizyczne wykorzystują w większości zalecany standard interfejsu RS485. Z doświadczeń komunikacji z programistami, a także z przeglądu publikacji na temat procesorów DSP widać, że projektanci systemów opartych na RS485 są „przywiązani” w kwestii medium transmisyjnego dla tego interfejsu do tak przestarzałej koncepcji jak „ zakręcona para" Błędem jest tutaj przekonanie, że standardowy kabel „skrętka” 5. kategorii do sieci LAN, kabli telefonicznych, kabli sterowniczych w izolacji PVC i innych, chociaż ma prawo do stosowania w systemach z interfejsem RS485, jest technicznie zasadzie nie jest w stanie w pełni zrealizować wydajności systemu przemysłowego, a co za tym idzie jakości, niezawodności, bezpieczeństwa i zasięgu transmisji sygnałów danych.

Ponadto czasami zdarzają się projekty, w których konieczne jest zastosowanie linii przesyłowej o określonej charakterystyce, co wymaga opracowania zupełnie nowego kabla zgodnie z wymagania techniczne, zamontowany przez samego projektanta. Jednak rozwiązywanie takich problemów jest czasem wyjątkowe i wymaga odrębnego, wysokokwalifikowanego i operacyjnego podejścia, co leży w zasięgu bardzo małej grupy specjalistów w naszym kraju.

Inna kwestia często wiąże się z wykorzystaniem w projektach urządzeń produkcji zachodniej, których opisy zawierają zalecenia dotyczące stosowania tego czy innego rodzaju, a nawet marki kabla, zwykle od zachodnich dostawców (na przykład Belden, LappKabel, Helukabel , Siemens, Kerpen, Nexans itp.), programiści stają przed problemem znalezienia takich samych lub podobnych kabli. Tutaj możesz skorzystać z pomocy specjalisty, który może zaoferować nowoczesne projekty kable do DSP.

Co więc dokładnie krajowy przemysł kablowy dla sieci może dziś zaoferować rosyjskim konsumentom? automatyka przemysłowa? Który nowoczesne typy kable są w stanie w pełni sprostać wymaganiom międzynarodowych standardów DSP, które coraz bardziej rozprzestrzeniają się po całym naszym kraju? Co odróżnia je od wcześniej stworzonych projektów? Jaka jest ich przewaga nad zachodnimi odpowiednikami?

Postaramy się znaleźć odpowiedzi na te pytania, biorąc pod uwagę specjalną serię kabli interfejsowych opracowaną i wyprodukowaną przez NPP „Spetskabel” dla szeroko rozpowszechnionych obecnie w Rosji procesorów DSP, wykorzystujących interfejs RS485, DSP z warstwą fizyczną zgodnie z IEC 61158- 2 dla TP działających w sposób ciągły w obszarach niebezpiecznych (Profibus PA i Foundation Fieldbus) oraz kable dla technologii LonWorks (opracowanej przez Echelon Corporation), która stopniowo wkraczała do segmentu przemysłowego i początkowo była wykorzystywana do budowy sieci sterowania w „inteligentnych " Budynki.

Przegląd zacznijmy od kabli interfejsowych (CI) marek KIPEP, KIPEV, KIPvEP i KIPvEV (TU 16.K99-008-2001) z jedną lub kilkoma parami skręconych żył miedzianych cynowanych o średnicy 0,60 mm (24AWG) i 0,78 mm (22AWG), izolowane litym polietylenem (P) lub spienionym polietylenem (PV), z rdzeniem wypełnionym wzdłużnie ułożonymi nieskręconymi nitkami z fibrylacji polipropylenowej we wspólnym ekranie (E), składającym się z taśmy z tlenku glinu i przewodu drenażowego i cynowanego warkocz umieszczony na nim druty miedziane(gęstość oplotu 88...92%), w zwykłej osłonie ochronnej wykonanej ze stabilizowanego światłem polietylenu (P) lub tworzywa sztucznego polichlorku winylu (B) (rys. 1).

Konstrukcja żył kablowych marek KIPEP, KIPEV i KIPvEP, KIPvEV (odpowiednio rozmiar 24AWG (Ř 0,60 mm) i 22AWG (Ř 0,78 mm) z siedmioma cynowanymi żyłami skręconymi zapewnia zgodność z zalecanymi przekrojami otworów dla standardu RS485 złącza interfejsu; zwiększona elastyczność rdzeń (pary żył skręconych ze sobą) kabla, co ma znaczenie przy zastosowaniu w warunkach twardych warunki przemysłowe, w przypadku których nie można wykluczyć prawdopodobieństwa narażenia na powtarzające się zgięcia, załamania, skręcenia, a także drgania podczas instalacji i eksploatacji kabla; i wreszcie lepsza lutowalność i odporność na korozję przewodów podczas instalacji i dalsza praca kabel. Ta ostatnia okoliczność jest szczególnie ważna w przypadku miejsc, w których kabel jest osadzony w złączu; na przykład, jeśli do zakończenia zostanie zastosowana metoda „przesunięcia izolacji”, możliwe jest prześledzenie odsłoniętych przewodów, które w przypadku braku warstwy cyny i kontaktu z środowisko z czasem ulegnie utlenieniu, pogarszając w ten sposób właściwości elektryczne linia kablowa.

Izolacja przewodów wykonana z litego lub spienionego polietylenu (PE) zapewnia tym kablom małą wartość pojemności elektrycznej pomiędzy parami przewodów rzędu 40 pF/m, co daje niewielkie opóźnienie i zniekształcenie sygnału podczas jego propagacji wzdłuż kabel. To z kolei umożliwia przesyłanie sygnałów danych na duże odległości z dużą szybkością transmisji danych.

Należy zauważyć, że izolacja żył z polichlorku winylu (PVC) stosowana w kablach sterowniczych nie jest wcale konkurencyjna w porównaniu z izolacją PE, ponieważ w tym przypadku pojemność jest nie mniejsza niż 2...3 razy większa niż pojemność kabli z izolacją PE. Powoduje to znacznie większe zniekształcenia sygnału danych przy tej samej długości kabla.

Impedancja charakterystyczna tej serii wynosi (120±10) Ohm, co ściśle odpowiada zaleceniom normy RS485, która stawia jedynie wymagania dotyczące charakterystyki elektrycznej interfejsów (wyjść nadajnika i wejść odbiornika), ale nie samego medium transmisyjnego.

Jeśli chodzi o to drugie, norma podaje zalecaną wartość 120 omów, dla której optymalizowana jest praca transceiverów RS485. Norma stanowi, że nadajniki muszą wytwarzać na swoich wyjściach napięcie różnicowe 1,5 V podczas pracy z 32 odbiornikami i dwoma obciążeniami rezystancyjnymi 120 omów (na obu końcach magistrali). Dolny próg dopasowania zakończenia, a co za tym idzie impedancja kabla, dopuszczalny dla sterowników RS485 wynosi 100 omów. Zwiększa to jednak obciążenie prądowe nadajnika i zmniejsza maksymalny zasięg głównego kabla przy niskich częstotliwościach.

Z drugiej strony zaletą jest to, że w powszechnie dostępnym, tanim kablu kategorii 5 typu „skrętka” do sieci Ethernet dostępna jest impedancja charakterystyczna wynosząca 100 omów. W przypadku kabli sterowniczych w izolacji PVC ich impedancja charakterystyczna nie przekracza 80 omów w zakresie 0,1...100 MHz. Ze wszystkich rozważanych typów kabli tylko telefoniczne mają impedancję charakterystyczną 120 omów przy częstotliwościach powyżej 100 kHz. Mają jednak wiele innych wad w świetle ich użycia dla RS485.

Dzięki zastosowaniu w konstrukcji rozważanych kabli wypełniających nitek polipropylenowych pomiędzy skrętkami, uzyskano pewną odległość skrętek od siebie i od ekranu oraz zmniejszenie współczynnika tłumienia w porównaniu do konwencjonalnego kabla ekranowanego. skrętka” kategorii 5 średnio o 15...20% w zakresie częstotliwości 1...100 MHz. Dzieje się tak na skutek zmniejszenia wzajemnego oddziaływania pomiędzy przewodnikami par (efekt zbliżeniowy), a także wpływu ekranu na rdzeń (efekt reakcji ekranu). Zastosowanie spienionego PE w kablach marek KIPvEP i KIPvEV jako izolacji żyły zmniejsza współczynnik tłumienia średnio o kolejne 20%. Kable z izolacją PVC (np. kable sterujące) w tym przypadku nie powinny być w ogóle brane pod uwagę, ponieważ ich współczynnik tłumienia jest 1,5...2,5 razy większy niż współczynnik tłumienia kabli z izolacją PE.

Nici polipropylenowe oprócz zmniejszenia współczynnika tłumienia zapewniają także dodatkową wytrzymałość mechaniczną rdzenia. Ich obecność nadaje kształtowi rdzenia większą okrągłość, znacznie zwiększa wytrzymałość rdzenia na rozciąganie, a także zapewnia jego integralność podczas osiowego skręcania, zginania i zginania, co z kolei zwiększa stabilność Parametry elektryczne pod wskazanymi wpływami.

Należy również zaznaczyć, że omawiane kable charakteryzują się podwyższoną odpornością na zakłócenia, dzięki zastosowaniu dwuwarstwowego ekranu w postaci taśmy aluminiowej i cynowanego oplotu miedzianego, pomiędzy którymi znajduje się przewód drenażowy, zapewniających tłumienie zewnętrznego pola elektromagnetycznego o około 75 dB. .

Jest to szczególnie ważne we wrażliwych środowiskach elektromagnetycznych w środowiskach przemysłowych. Co więcej, obecność oplotu i przewodu drenażowego na wierzchu folii pozwala zabezpieczyć ten ostatni przed niepożądanymi załamaniami podczas powtarzających się zgięć kabla, a także zachować integralność fizyczną i elektryczną ekranu. W kablach LAN, sterowniczych i telefonicznych ekran często wykonywany jest w jednej wersji: jedna aluminiowa folia dakronowa lub oplot z czystej miedzi, której skuteczność ekranowania wynosi zaledwie 40...60 dB.

Istnieje kilka opcji osłon kabli, które pełnią funkcje ochrony kabla przed czynnikami zewnętrznymi, które zależą od warunków instalacji i czynników klimatycznych. Jeśli kabel jest układany wewnątrz budynku, wówczas w tym przypadku bardziej wskazane jest użycie kabli marki KIPEV lub KIPvEV z powłoką PVC; w tym przypadku po pierwsze kabel będzie spełniał wymagania norm bezpieczeństwo przeciwpożarowe, a po drugie, mają mniejszą sztywność, co jest wygodne podczas układania.

Zaleca się stosowanie kabli KIPEP i KIPvEP w osłonie wykonanej z polietylenu światłostabilnego w przypadku braku indywidualne wymagania dotyczące bezpieczeństwa pożarowego oraz kiedy transmisja kablowa powinna być zlokalizowana w miejscu narażonym na bezpośrednie działanie promieniowanie ultrafioletowe(promienie słoneczne), na przykład wzdłuż obwodu lub pomiędzy budynkami w przypadku braku kanałów kablowych, a także w miejscach o stałym wysoka wilgotność(absorpcja wody polietylenu skorupowego jest 10...15 razy mniejsza niż tworzywa PCV).

Jeśli jest niezabezpieczony promienie słoneczne Gdzie położyć kabel z osłoną wykonaną z tworzywa PCV, wówczas ta ostatnia przy długotrwałej ekspozycji na promieniowanie UV z czasem stanie się krucha i pokryta pęknięciami, co jest absolutnie niedopuszczalne. Z reguły zakres temperatur kabli w powłoce polietylenowej KIPEP i KIPvEP mieści się w granicach 60...85°C, kabli w powłoce PCV KIPEV i KIPvEV - 40...70°C. Istnieje możliwość wykonania kabli w powłoce z mieszanki tworzyw sztucznych PVC o podwyższonej mrozoodporności (litera m w oznaczeniu) - marki KIPEVm i KIPvEVm - dla Zakres temperatury 60…70°С, co jest dla nas niezwykle ważne cechy klimatyczne Rosji, a także z powłoką PVC o specjalnej formule stabilizowanej światłem (z dodatkiem sadzy do masy plastycznej), która umożliwia układanie kabla z powłoką PVC w miejscach narażonych na promieniowanie UV.

Aby chronić kable przed wpływami mechanicznymi, stosuje się konstrukcję z jednym z dwóch rodzajów pancerza nakładanego na powłokę ochronną: druty stalowe ocynkowane (w celu ochrony przed korozją) Ø 0,3 mm lub taśma stalowa falista.

Pancerz w postaci oplotu z okrągłych drutów stalowych (litera K w oznaczeniu) jest stosowany w projektowaniu kabli KIPEPKG, KIPEVKG, KIPvEPKG, KIPvEVKG, KIPEVKGm i KIPvEVKGm; litera G (naga) w oznaczeniu marek kabli wskazuje na brak ochronnych plastikowych osłon na pancerzu.

Ten typ pancerz można zastosować np. w przypadku ułożenia kabla w gruncie, co na skutek sezonowych wahań temperatury, a co za tym idzie i gęstości gruntu, będzie miało różne oddziaływania mechaniczne na strukturę kabla, a mianowicie znaczne promieniowe (sedymentacja gruntu ) i rozciągające (przemieszczenie warstw gruntu) (ryc. 2).

Ten rodzaj pancerza powinien być również stosowany, jeśli istnieje ryzyko, że kabel będzie narażony na działanie znacznych sił rozciągających i zginających, które kabel musi wytrzymać. Tym samym kolejną właściwością tego typu pancerza, która może stanowić kryterium jego doboru, jest zachowanie elastyczności konstrukcji kabla, wystarczającej do jego wielokrotnego zginania, zginania i skręcania.

Oprócz, rozsądna decyzja może polegać na zastosowaniu kabla z osłoną ochronną nałożoną na zbroję. Jako dodatkowy przykład dla płaszczy PE (gatunki KIPEPKP i KIPvEPKP) możemy nazwać instalację w piwnicach i na terenach kopalni wysoka wilgotność i braku zagrożenia pożarem i wybuchem, a w przypadku płaszczy z PCV (gatunki KIPEVKV, KIPvEVKV, KIPEVKVm i KIPvEVKVm) - rejony zagrożone pożarem i wybuchem kopalń, a także inne trasy wewnątrzobiektowe wymagające odporności ogniowej (rys. 3).

Oprócz pancerza z drutów stalowych ocynkowanych stosuje się pancerz w postaci stalowej taśmy falistej (litera B w oznaczeniu). Jednakże kwestie związane z wyborem powłoki ochronnej pod i nad pancerzem pozostają takie same, jak opisano powyżej. Dodatkowo szczelina pomiędzy pancerzem a znajdującą się pod spodem skorupą wypełniona jest uszczelniającym materiałem hydrofobowym, który zapobiega wzdłużnemu rozprzestrzenianiu się wilgoci. Kable z tego typu pancerzem można stosować także w obszarach gdzie wymagana jest ochrona przed obciążeniami zgniatającymi. W takim przypadku, w przypadku wymagań ochrony przeciwpożarowej i przeciwwybuchowej, należy stosować kable marek KIPEVBV, KIPvEVBV, KIPEVBVm i KIPvEVBVm, a w przypadku układania w wilgotne miejsca oraz w powietrzu nasłonecznionym - kable marki KIPEPBP i KIPvEPBP (rys. 4).

Generalnie należy zaznaczyć, że kable w powłoce PE należy zawsze układać w gruncie, co wiąże się także z okresowym zawilgoceniem gruntu, jednak jeżeli mówimy o pracy w warunkach, w których występuje ochrona przed rozprzestrzenianiem się płomienia i konieczne jest zainicjowanie wybuchu w środowisku zagrożonym wybuchem, wówczas należy rozważyć kable z powłoką PVC. Potwierdza to dokument „Pozwolenie Służba federalna w sprawie nadzoru środowiskowego, technologicznego i nuklearnego”, otrzymanej przez EJ „Spetskabel” na wszystkie kable ser. Oprzyrządowanie, a także kable do sieci Profibus DP/PA itp. z powłoką wykonaną z mieszanki tworzyw sztucznych PCV (mrozoodpornej, żaroodpornej lub o zmniejszonym zagrożeniu pożarowym) lub poliuretanu o obniżonym zagrożeniu pożarowym.

Należy pamiętać, że zastosowanie taśmy i, w mniejszym stopniu, plecionki pancerza natychmiast schodzi na dalszy plan problem odporności linii przesyłowej na zakłócenia, ponieważ konstrukcja pancerza zapewnia osłabienie zewnętrznego pola elektromagnetycznego o kilkaset decybeli w zakres częstotliwości powyżej 100 kHz; Jednocześnie połączenie pancerza i podwójnego ekranowania kabla wykonanego z folii i oplotu sprawia, że ​​kabel jest praktycznie niewrażliwy na wpływ zakłóceń elektromagnetycznych w środowisku przemysłowym. Na przykład kable w pancerzu taśmowym są zalecane przez Federalne Państwowe Przedsiębiorstwo Unitarne „RTRS” do stosowania przy tworzeniu zautomatyzowanych systemów sterowania dla przedsiębiorstw przemysłowych, w których narażenie na wysoki poziom zakłócenia pochodzące od wielu nadajników radiowych.

Należy pamiętać, że liczba par przewodów w kablach może wynosić 1...4 jednostki. Odbywa się to dla wygody konsumenta, który ma możliwość wyboru organizacji półdupleksu (z jedną lub półtorej pary (z dodatkowym izolowanym przewodnikiem używanym do uziemienia)) lub pełnego dupleksu (z parą komunikacja w dwóch, trzech lub czterech parach). Na przykład, w przypadku czterech par, jedna para będzie używana do nadawania, druga do odbioru sygnału danych przez transiwer, a pozostałe dwie do transmisji sygnału sterującego/potwierdzenia. Dla informacji o liczbie par i średnicy żył w parach w oznaczeniach kabli przyjmuje się wzór: Nx2xd (gdzie N to liczba par w kablu, d to średnica żył w parach, mm), czyli rozmiar znaku będzie wyglądał np. KIPEP 1x2x0,60 lub KIPvEVBVm 4x2x0,78.

Kończąc recenzję specjalnej serii kabli do interfejsu RS485, wyciągniemy następujące wnioski porównawcze na temat możliwości zastosowania niektórych typów symetrycznych skrętek dwużyłowych. Po pierwsze, kable sterujące w izolacji PVC mają cały szereg wad, które czynią je całkowicie nieprzydatnymi do stosowania w systemach RS485: jest to absolutne niedopasowanie impedancji charakterystycznej, a także wysoki współczynnik tłumienia i pojemność elektryczna pary. Jedyne, co można pozytywnie wykorzystać w tych kablach, to wielkość przewodów, która może sięgać 16AWG, co jest przydatne w przypadku stosowania w systemach RS485 pracujących na niskie prędkości. Liczy się tu tylko jedno opór elektryczny przewodników, która jest tym mniejsza, im większa jest ich średnica, a dopasowanie pod względem impedancji falowej nie jest tak istotne. Ponadto takie kable mają zwykle tylko powłokę z PCV i nie są dobrze ekranowane.

W kablach telefonicznych wadą jest mała średnica żył, najczęściej jednodrutowych i niecynowanych oraz wyższy współczynnik tłumienia w porównaniu z kablami szarymi. oprzyrządowanie, chociaż pojemności elektryczne ich par mają całkiem porównywalne wartości. Pozytywna cecha tych kabli ma impedancję charakterystyczną równą 120 Ohm przy częstotliwościach powyżej 1 MHz, co jest zgodne ze standardem RS485. Ponadto kable telefoniczne, podobnie jak kable sterujące, projektowane są z indywidualnym ekranowaniem dla każdej pary, a ich liczba może być dość duża. Jednak w tym przypadku należy spodziewać się wzrostu współczynnika tłumienia ze względu na zwiększony efekt zbliżeniowy i reakcję ekranu.

Należy zwrócić uwagę na możliwość zastosowania ekranowanych kabli LAN. Ich zastosowanie można uzasadnić porównywalnością z ser. Oprzyrządowanie wartości współczynników tłumienia, odpowiedni rozmiar przewodów, niski koszt, dostępność masowa. Jednakże przewodniki w kablach tego typu z reguły nie są cynowane, nominalna wartość impedancji fali jest niższa niż standardowa (100 omów), a pojemność elektryczna pary jest nieco wyższa w porównaniu do szarości. Oprzyrządowanie.

Warto również zwrócić uwagę na brak we wszystkich omówionych powyżej typach kabli elementów wzmacniających w rdzeniu, które zwiększają wytrzymałość konstrukcji na rozciąganie, pomagają zmniejszyć współczynnik tłumienia i zapewniają stabilność właściwości elektrycznych kabla pod naprężeniami mechanicznymi. W przemysłowych warunkach pracy jest to niezwykle istotny dodatek.

Jest zatem oczywiste, że w odróżnieniu od innych kabli symetrycznych skręconych parami, kable zaprojektowane specjalnie dla procesorów DSP z interfejsem RS-485 posiadają wszystkie niezbędny kompleks właściwości, co zapewnia możliwość szybkiej, długodystansowej, wysoce bezpiecznej, niezawodnej i trwałej transmisji sygnałów danych przy tworzeniu procesorów DSP w systemach automatyki dla obiektów przemysłowych w różnych strefy klimatyczne Rosja i kraje WNP.

Profibus DP

Na podstawie kabla typu A ustalonego w standardzie Profibus DP o parametrach podanych w tabeli. 1, NPP „Spetskabel”, będąca członkiem organizacji użytkowników Profibus (PNO), opracowała i produkuje serię kabli dla tej sieci zgodnie z TU 16.K99-012-2003. Kable tej serii występują w dwóch różnych wersjach – zwykłej i elastycznej (z literą G w oznaczeniu) – różniących się konstrukcją żył. Kable (K) składają się z jednej pary żył miedzianych skręconych jednodrutowych o średnicy 0,64 mm (22AWG) w przypadku wersji konwencjonalnej lub żył skręconych z miedzi ocynowanej o średnicy 0,78 mm (22AWG) w przypadku kabla wersja elastyczna (D), izolowana porowatym polietylenem (PP)), pomiędzy którymi ułożone są wzdłużnie nieskręcone nici fibrylowane polipropylenem, zamknięte w ekranie (E), składającym się z taśmy tlenku glinu i nałożonego na siebie oplotu z ocynowanych drutów miedzianych o gęstości 65 % (pomiędzy taśmą a oplotem można ułożyć przewód drenażowy), na który nałożona jest osłona ze światłostabilnego polietylenu (P), tworzywa sztucznego z polichlorku winylu (B) lub termoplastycznego poliuretanu do zastosowań w przemyśle chemicznym środowiska agresywne oraz pod wpływem wibracji (U). Marki tych kabli to KPpEP 1×2×0,64, KPpEV 1×2×0,64, KGPpEU 1×2×0,64, KGPpEP 1×2×0,78, KGPpEV 1×2×0,78 i KGPpEU 1×2×0,78 (patrz rys. 5).

Kable tej serii są podobne do kabli ser. oprzyrządowanie, jednak istnieje kilka charakterystycznych punktów związanych z właściwości techniczne realizacja warstwy fizycznej sieci Profibus DP i jej zakres.

Impedancja charakterystyczna wszystkich kabli tej serii wynosi 150 omów, co wynika z zastosowania polaryzacji ochronnej dla tej sieci w obwodzie obciążenia dopasowującego na końcach magistrali, co zwiększa niezawodność sieci. Jako dodatkowy przykład, instalowany jest również inny schemat polaryzacji ochronnej zgodny ze standardem Profibus DP, w którym kable muszą mieć charakterystyczną impedancję 120 omów. Dla takiego schematu instalowane są kable typu B o parametrach wskazanych w tabeli. 1. Typ B jest w pełni usatysfakcjonowany omawianymi wcześniej szarymi kablami. Oprzyrządowanie.

Natomiast w sieciach Profibus DP stosuje się schemat pierwszy z kablem typu A, co wynika ze średnio dwukrotnej przewagi tych kabli nad konwencjonalnymi kablami RS485 (typ B) pod względem maksymalnego zasięgu transmisji sygnałów danych przy prędkościach powyżej 100 kbit/s. Ta ostatnia okoliczność wynika z faktu, że współczynnik tłumienia i pojemność elektryczna kabli dla Profibus DP są średnio 1,5 razy mniejsze niż dla RS485 (tab. 2).

Profibus PA, Foundation Fieldbus

Fizyczna warstwa danych procesora DSP opisana jest w normie IEC 61158-2, przeznaczona do stosowania bezpośrednio w obszarach zagrożonych wybuchem oraz do przesyłania sygnału danych wraz z napięciem zasilania po jednej parze przewodów i posiada dwupoziomową hierarchię . Na niższym poziomie DSP prędkość transmisji wynosi 31,25 kBit/s, na wyższym poziomie – 1 Mbit/s i 2,5 Mbit/s.

Dla niższego poziomu z małą szybkością transmisji danych norma IEC 61158-2 zaleca stosowanie dwóch typów kabli (tabela 3). Za podstawę normy 61158-2 można uznać kolejną normę IEC 60079-27, która opisuje model obliczeniowy „obwodu iskrobezpiecznego” FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe CONcept – koncepcja wewnętrznie bezpiecznej magistrali polowej), co narzuca jej własne ograniczenia dot parametry elektryczne linie przesyłowe (tabela 4).

Kable IEC 61158-2 znacznie przekraczają wymagania FISCO. Wartości pojemności i indukcyjności pary dla określonych rozmiarów przewodów kabli A i B są typowe dla określonej impedancji charakterystycznej wynoszącej 100 omów przy niskich częstotliwościach. Całkowita długość sieci kablowej dolnego poziomu danych DSP nie powinna przekraczać 1900 m.

NPP „Spetskabel” opracowała i produkuje kable zgodnie z TU 16.K99-012-2003, które odpowiadają typom A i B zalecanym w 61158-2. Kable (K) składają się z jednej pary skręconych żył miedzianych ocynowanych o średnicy 1,2 mm (18 AWG ) według typu A lub 0,78 mm (22 AWG) według typu B, izolowane litym polietylenem (P), zamknięte w ekranie (Ef) wykonanym z taśmy aluminiowo-dakronowej z drenażową linką miedzianą ocynowaną pod spodem ułożony przewodnik, na który nałożona jest osłona ze światłostabilnego PE (P), tworzywa sztucznego PVC (B) lub termoplastycznego poliuretanu (U). Marki kabli to KGPEfP 1x2x1.2, KGPEfV 1x2x1.2, KGPEfU 1x2x1.2, KGPEfP 1x.2x.0.78, KGPEfV 1x.2x.0.78 i KGPEfU 1x.2x0.78 (ryc. 6).

Na najwyższym poziomie H2 organizacji rozważanych procesorów DSP wykorzystywana jest szybka sieć szkieletowa Ethernet z dużymi szybkościami przesyłania danych na duże odległości.

Konstrukcja przeznaczona dla tej aplikacji Kabel jest całkowicie podobny do elastycznego kabla typu A dla sieci Profibus DP, z tym wyjątkiem, że w kablach dla H2 nie ma drugiej warstwy ekranu w postaci oplotu z ocynowanych drutów miedzianych; marki kabli dla tego poziomu to KGPpEfP 1x2x0,78, KGPpEfV 1x2x0,78 i KGPpEfU 1x2x0,78 (ryc. 7).

Należy jeszcze raz zwrócić uwagę na niski współczynnik tłumienia tej serii kabli w zakresie częstotliwości 1...100 MHz, które mogą i powinny być stosowane w szybkich procesorach DSP o dużych odległościach transmisji danych.

LonWorks

Przedstawmy pokrótce kable opracowane i wyprodukowane w Przedsiębiorstwie Badawczo-Produkcyjnym Spetskabel, które są wykorzystywane w technologii LonWorks firmy Echelon Corporation, pierwotnie przeznaczonej do budowy systemów automatyki podtrzymywania życia, a następnie stopniowo spotykane szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu i transportu. Oficjalne uznanie tej technologii określa norma EIA-709 Stowarzyszenia Producentów Elektroniki użytkowej(CEMA – Customer Electronics Manufactures Association) w zakresie automatyki domowej (Home Automation).

Zgodnie z tym standardem sieć sterownicza LonWorks obsługuje różne media transmisji danych: kable symetryczne w oparciu o skrętkę komputerową, kabel koncentryczny, kanał radiowy i podczerwony, linie energetyczne.

Oprócz typowych topologii sieci (magistrala, gwiazda, pierścień) w technologii LonWorks istnieje tzw. topologia swobodna lub arbitralna (Free Topology), która umożliwia łączenie w ramach jednego segmentu (klimatyzacja, oświetlenie, systemy bezpieczeństwa, kontrola dostępu itp.) w systemach zarządzania budynkiem wszystkie trzy standardowy typ topologia.

Topologia swobodna jest najpopularniejsza w systemach zarządzania budynkiem, ponieważ najlepiej do niej pasuje Okablowanie wewnętrzne wewnątrz. Ogólna specyfikacja protokołu LonTalk, na którym opiera się LonWorks, jest ustalona w ANSI/EIA/CEA-709.1, a pozostałe dwie części (709.2 i 709.3) ustanawiają specyfikację dla sieci sterujących w oparciu o linie energetyczne i specyfikacja dowolnej topologii skrętki.

Do nieekranowanych kabli ANSI/EIA/TIA 586A kategorii 5 z przewodami o przekroju 24 AWG.

NPP „Spetskabel” opracowała i produkuje, zgodnie z TU 16.K99-024-2005, dwie marki kabli w wersji bez ekranu i z ekranem, odpowiadającej specyfikacji EIA-709.3.

Konstrukcja kabli nieekranowanych jest następująca: kable automatyki (CA) z jedną lub dwiema parami skręconych jednożyłowych przewodów miedzianych o średnicy 0,64 mm (22AWG), izolowanych porowatym polietylenem, zamkniętych we wspólnej osłonie ochronnej z lekkiego stabilizowany polietylen (P), mieszanka tworzyw sztucznych z polichlorku winylu (V), kompozycja bezhalogenowa (P-NH) lub mieszanka tworzyw sztucznych PVC o obniżonym zagrożeniu pożarowym (Vng-LS).

Konstrukcja kabli ekranowanych jest podobna, z tą różnicą, że skrętki są zamknięte we wspólnym ekranie (Ef), składającym się z taśmy aluminiowo-dakronowej, pod którą ułożony jest drenażowy przewód miedziany ocynowany (rys. 8).

Należy zauważyć, że te marki kabli są zgodne ze specyfikacją kabli poziomu IV NEMA (Krajowe stowarzyszenie producentów urządzeń elektrycznych), która jest zalecana przez samą firmę Echelon dla trzech typów kanałów używanych w sieciach LonWorks z różnymi szybkościami przesyłania danych – TP/FT – 10 (kanał o losowej/wolnej topologii i magistrali, 78 kBit/s, zgodny ze standardem EIA-709.3), TP/XF-78 i TP/XF1-1250 (kanały topologii magistrali, 78 kBit/s i 1,25 Mbit/s).

Kabel ten jest uniwersalny dla wszystkich trzech typów kanałów. Do kanału TP/FT-10 firma Echelon zaleca również inne typy kabli, takie jak konwencjonalny kabel TIA 586A kategorii 5 (można go również zastosować do TP/XF-1250) i kabel JY(st)Y (średnica żyły 0,8 mm).

Kable odpowiadające tym typom, opracowane i produkowane w NPP Spetskabel, noszą odpowiednio marki KVP lub KVPEf i KPSVEV (o średnicach żył 0,52 i 0,8 mm) (Tabela 5).

Ponadto sieci LonWorks mogą wykorzystywać kanał TP-RS485 z interfejsem RS485 w jego rdzeniu. W tym przypadku NPP „Spetskabel” zaleca użycie kabli szarych. RS485 omówione powyżej.

Obok rozpowszechnionych i powszechnie przyjętych otwartych standardów interfejsów i organizacji DSP, istnieje wiele rozwiązań prywatnych pochodzących od indywidualnych dostawców sprzętu dla automatyki przemysłowej.

Biorąc pod uwagę, że krajowy deweloper może potrzebować kabla do połączenia PLC i DCS konkretnego dostawcy, NPP Spetskabel opracowała i produkuje, zgodnie z TU 16.K99-012-2003, dodatkowe marki kabli interfejsowych dla niektórych typów sprzęt takich firm jak ABB/Bailey Controls, Allen-Bradley/Rockwell Automation, Matsushita, Omron, Siemens itp., które wykorzystują ControlNet, Infinet, MICROLINK, Modcell, MICRODCI, DH, DH485, I/Q System, SYSBUS2, SINEC Interfejsy serii L1, L2 itp. Są to kable marki KGPEV 1x2x0,9,

KGPEP 1x2x0,9 i KGPEU 1x2x0,9 (o impedancji charakterystycznej 80 omów); KGPEV 1x2x1,2, KGPEP 1x2x1,2 i KGPEU 1x2x1,2 (100 omów); a także KGPpEV 1x2x1,5, KGPpEP 1x2x1,5 i KGPpEU 1x2x1,5 (120 omów). Konstrukcje tych kabli są podobne do tych dla Profibus DP.

Ponadto kable do interfejsu RS-485, sieci Profibus itp. zostały opracowane i wyprodukowane zgodnie z TU 16.K99-025-2005 i TU 16.K99-027-2005. w wersji ng-LS, przeznaczonej do instalacji grupowej i dopuszczonej do stosowania w głośnikach w systemach klasy 3H, poza strefą ochronną.

Ocena stanu i rozwoju DSP nakreśla perspektywę opracowania specjalnej serii kabli do Ethernetu przemysłowego, które w odróżnieniu od kabli konwencjonalnych, będą przeznaczone do usługowych sieci LAN specjalne środki ochrona mechaniczna, elektromagnetyczna, klimatyczna i specjalna w trudnych warunkach przemysłowych. Na uwagę zasługuje także opracowany przez specjalistów z NPP Spetskabel kabel LAN kategorii 5, który dzięki wypełnieniu masą silikonową charakteryzuje się wyjątkowo wysoką szczelnością wewnętrzną wzdłużną i promieniową w stosunku do przepuszczalności wody; Jednocześnie wymiary tego kabla nie przekraczają 9 mm, a wygoda jego cięcia i montażu pozostaje.

Wniosek

W tym artykule zbadano podstawowe wymagania dotyczące kabli systemy przemysłowe sterowanie za pomocą interfejsu RS-485. Wprowadzono empiryczne wyrażenie definicji maksymalna długość linii kablowej w zależności od prędkości przesyłu danych i parametrów kabla.

W NPP Spetskabel prezentowana, opracowywana i produkowana jest seria kabli dla przemysłowego interfejsu RS-485, a także dla najpopularniejszych standardów budowy DSP - Profibus DP/PA, Foundation Fieldbus, LonWorks i szereg innych, spełniających wymaganiami dostarczanego sprzętu zachodniego.

Pokazano przewagę stosowania krajowych kabli specjalnych w układach automatyki przemysłowej w porównaniu z konwencjonalnymi kablami sterowniczymi, telefonią i lokalnymi sieciami komputerowymi, a także ich wyższość nad kablami zachodnimi w szerszym zakresie parametrów klimatycznych i eksploatacyjnych.

Kable krajowe uwzględniają specyfikę klimatyczną i cechy operacyjne Rosji, która zapewnia maksymalne spełnienie wymagań odbiorców krajowych w zakresie warunków pracy projektowanych systemów centralnego ogrzewania w różnych strefach klimatycznych Rosji dzięki specjalnym projektom płaszczy i dodatkowym zabezpieczenie mechaniczne w postaci pancerza wykonanego ze stalowej taśmy falistej lub plecionki.

Ponadto kable te posiadają niezbędne certyfikaty zgodności od organów regulacyjnych Federacji Rosyjskiej, są w stanie konkurować cenowo z kablami produkcji zachodniej w świetle nie gorszej od nich jakości i mogą być tak szybko, jak to możliwe dostarczane do wszystkich regionów Rosji i krajów sąsiednich oraz możliwość stałej konsultacji bezpośrednio z wysoko wykwalifikowanymi specjalistami ds Róźne problemy zastosowanie kabli w opracowanych procesorach DSP i receptury dla nich dodatkowe wymagania gwarantuje utworzenie niezawodnej, wysoce bezpiecznej i trwałej linii transmisyjnej z bezbłędną transmisją danych w nowoczesnym procesorze DSP.