天津市電纜總廠第一分廠作者
電纜參數可分為:導體有效電阻R、回路電感L、電容C和絕緣電導G稱為電纜的一次參數,這些參數與傳輸的電壓、電流的大小無關,他們是由電纜本身的結構尺寸,材料和電流的頻率等條件來決定的。
2.1.1 導體有效電阻R(Ω/km)
在介紹導體有效電阻前,先來介紹導體的直流電阻R0。導體直流電阻R0與導體的材料和導體直徑有關,其計算公式如下:
式中 R0——直流電阻(Ω/km);
—— 扭絞系數;
——電阻系數(Ωmm2/m 200C);
L——導線長度(m);
S——導線截面積(mm2);
d——導線直徑(mm)。
上述公式中,導體直流電阻都是在標準溫度200C時的數值,任意溫度下導體直流電阻應按下式進行換算:
式中 Rt——溫度t時電阻值(Ω/km);
R20——溫度200C時的電阻值(Ω/km);
——電阻溫度系數
有效電阻是指電纜電路在其工作狀態下的電阻,由于鄰近效應、集膚效應以及金屬損耗等因素會產生附加電阻,因此,電纜回路的有效電阻是由直流電阻R0和通過交流電流時的附加電阻所組成,計算公式如下:
注:當χ>10時
式中 R0——直流電阻(Ω/km);
d——導體直徑(mm);
——導體中心間距mm);
f——頻率(Hz);
P——線對組修正系數(實路對絞組為1.0);
χ——不同頻率的系數;
F(χ)、G(χ) 、H(χ)——為系數χ在不同頻率時的特定函數。
2.1.2 回路電感L(H/km)
對稱回路的電感由兩部分組成,及內電感和外電感。外電感的大小取決于電纜結構的幾何尺寸,與頻率無關;內電感的值與傳輸頻率程反比,頻率越高其集膚效應越顯著,內電感越小。計算公式如下:
注:當χ>10時
式中 λ——電纜總絞入率;
d——導體直徑(mm);
——導體中心間距mm);
f——頻率(Hz);
χ——不同頻率的系數;
Q(χ)——為系數χ在不同頻率時的特定函數。
2.1.3 電容C (F/km)
電容分工作電容和部分電容兩種,工作電容為工作線對上總的電容;部分電容是電纜各芯線之間的電容,是工作電容的組成部分。計算公式如下:
式中 λ——電纜總絞入率;
d——導體直徑(mm);
——導體中心間距mm);
ε——組合絕緣介質的等效介電常數;
d1——導體絕緣層直徑(mm);
d2——絞對線的等效直徑(mm)。
2.1.4 絕緣電導G(S/km)
絕緣電導表示為一個回路的絕緣質量,電纜的絕緣電導值越小,也就說明絕緣層的介質損耗值越小。絕緣電導G是由絕緣不完整的直流絕緣電導G0 和介質極化后的交流絕緣電導G~組成的。在通信電纜中,由于交流絕緣電導比直流絕緣電導所引起的損耗要大得多,因此可以忽略不計直流絕緣電導G0值,計算公式如下:
式中 ——交流絕緣電導(S/km);
——頻率(Hz);
C——工作電容(F/km);
——組合絕緣介質的等效介質損耗角正切值。
2.2 電纜的二次參數
對稱回路的傳輸質量主要是根據回路的二次參數來估價的。
2.2.1 衰減常數 (Np/km, 1 Np=8.686dB)
衰減常數 是影響電纜傳輸距離的一個重要參數,它由兩部分組成:由于導體本身損耗而產生的衰減;由于絕緣介質損耗而產生的衰減;衰減是用以衡量信號能量發生降低和損失大小的一個電氣指標,并隨著傳輸頻率的增加而增大,影響衰減的主要因素包括導體直徑、導體材料、絕緣材料、電纜結構等。因此要改善電纜的衰減性能,可以通過增加導體直徑、選擇更優良的材料以及在生產制造過程中保持電纜幾何結構尺寸的穩定來實現。計算公式如下:
式中 R——導體有效電阻(Ω/km);
L——回路電感 (H/km);
G——絕緣電導(S/km);
C——工作電容(F/km)。
2.2.2 特性阻抗Zc(Ω)
特性阻抗Zc是電磁波沿均勻線路傳播時,在無終端失配影響的情況下所遇到的阻抗。計算公式如下:
式中 L——回路電感 (H/km);
C——工作電容(F/km)。
對稱電纜的阻抗分為特性阻抗Zc和輸入阻抗Zin,特性阻抗Zc隨著頻率的增加而減少,當頻率超過3000 Hz后,則特性阻抗Zc值就不再發生變化。此時輸入阻抗Zin受電纜結構因素的影響,入射信號的反射波圍繞特性阻抗Zc上下波動。從回路電感L和工作電容C的計算公式中可以分析出,影響阻抗的因素有:電纜總絞入率λ、導體直徑d、導體中心間距 以及組合絕緣介質的等效介電常數ε,這些參數都是電纜的結構因素。換言之,能控制好以上四個結構因素的均勻性和穩定性,那么電纜在每段上阻抗值的波動范圍就會控制到zui小。
2.2.3 串音
在對稱電纜中,各回路相互間的干擾是由于橫向電磁場的存在而引起的,此時電磁場在臨近的回路上會產生干擾電流。串音根據主被串回路位置的分類,在被串回路中,與主串回路的信號源同一端受到的串音稱為近端串音,而在另一端受到的串音稱為遠端串音。
近端串音衰減AO是主串回路的發送功率串到被串回路近端后的衰減值,計算公式如下:
式中 AO——近端串音衰減 (Np, 1 Np=8.686dB);
——主串回路的發送功率;
——主串回路的發送功率串到被串回路近端的功率。
遠端串音衰減A1是主串回路的發送功率串到被串回路遠端后的衰減值,計算公式如下:
式中 A1——遠端串音衰減 (Np, 1 Np=8.686dB);
——主串回路的發送功率;
——主串回路的發送功率串到被串回路遠端的功率。
電纜中各線對的扭絞節距、相鄰線對間的節距搭配、線對兩導體間的距離、纜芯的穩定程度等,都是引發線對間串音的重要因素。設計不同的各線對扭絞節距并經過試驗和調整,是目前減小電纜串音較為有效的方法。線對扭絞節距的計算公式參考如下:
式中 H——線對扭絞節距(mm);
h——所設計和考慮的平均扭絞節距(mm);
k——各線對的扭絞系數(1.0-1.4-1.8-2.2 ┈┈)。
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