Электрические характеристики симметричных кабелей: влияние окружающей среды

Время не красит. Эта поговорка касается и кабельных линий. Время и окружающая среда изменяют параметры витой пары далеко не в лучшую сторону. Основное влияние на изменение параметров кабельной линии оказывают колебания температуры окружающей среды. Для кабелей, проложенных в грунте, важны только годовые колебания температуры грунта. Кабели, подвешенные на опорах, находятся в существенно более жестких температурных условиях, поскольку они подвержены не только суточным колебаниям температуры воздуха, но и прямому воздействию солнечных лучей.

ВЛИЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КАБЕЛЕЙ

Теоретически от изменений окружающей температуры зависят все четыре первичных параметра. Однако практически значимыми являются только температурные изменения сопротивления R витой пары, величины которых определяются температурным коэффициентом сопротивления материала жилы. Изменения R с температурой вызывают изменения затухания витой пары, причем температурный коэффициент затухания равен примерно половине температурного коэффициента сопротивления. Например, для меди эти коэффициенты составляют 0, 004 и 0, 002 на градус. Между тем цифровые системы передачи весьма чувствительны к изменениям затухания: так, при увеличении затухания линии на полутактовой частоте всего на 1 дБ коэффициент ошибок может возрасти на один-два порядка. Например, при стандартной величине затухания линии ИКМ-30 на полутактовой частоте (1024 кГц), равной 36 дБ, и увеличении температуры кабеля на 20⁰С при переходе от зимы к лету затухание возрастет почти на 3 дБ, а коэффициент ошибок — по крайней мере на три порядка. Если затуханию 36 дБ соответствует коэффициент ошибок К_ош = 10^-8, то при переходе от зимы к лету он увеличится до 10^-5, что приемлемо при передаче речи и может обернуться катастрофой в случае передачи данных. Поэтому величина затухания линии должна выбираться с учетом реальных годовых колебаний температуры грунта. Еще более аккуратно следует подходить к выбору, если кабель подвешивается на воздушных опорах: необходимо считаться не только с годовыми, но и с суточными колебаниями его температуры — при прямом воздействии солнечных лучей они могут достигать 90⁰С.

Однако самым страшным врагом кабеля является вода. Она может попадать в кабель, вследствие диффузии, повреждения оболочки или негерметичного монтажа муфт. При наличии влаги в сердечнике резко ухудшаются электрические параметры кабелей и возникает опасность короткого замыкания жил. Кроме того, проникновение воды приводит к коррозии (в результате окисления и электролизных процессов) поврежденных жил и их разрушению (обрыву).

Диэлектрическая проницаемость полиэтилена и воды сильно отличаются (2,3 и 80, соответственно). Поэтому при попадании в кабель воды эквивалентная диэлектрическая проницаемость изоляции витой пары существенно увеличивается и зависит от степени заполнения кабеля водой. Так, при полном заполнении она возрастает на 75%.

Наличие влаги в кабеле наиболее сильно влияет на проводимость изоляции G и емкость витой пары C. Рабочая емкость последней увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости. Проводимость изоляции при переменном токе G также возрастает вследствие увеличения проводимости изоляции при постоянном токе G0 (ее величина обратна величине сопротивления изоляции при постоянном токе Rиз, которая обычно указывается в стандартах), емкости витой пары С и угла диэлектрических потерь.

Следствием увеличения емкости и проводимости витой пары при наличии воды в кабеле является изменение ее вторичных параметров передачи — коэффициентов затухания и фазы, а также волнового сопротивления и параметров влияния NEXT и FEXT. Например, при 50-процентном заполнении сердечника кабеля ТПП водой коэффициент затухания на частоте 1 МГц возрастает более чем на 1 дБ, а при 100% — на 2 дБ. В отличие от коэффициента затухания, параметры влияния NEXT и FEXT уменьшаются с ростом степени заполнения кабеля водой на 10—15 дБ. Столь резкое увеличение переходных влияний объясняется изменением частичных емкостей между жилами витых пар, что повышает степень их разбаланса.

Конечно, состояние кабелей зависит от условий их эксплуатации. Но даже в идеальных условиях параметры кабелей изменяются с течением времени. Некоторые выводы о природе этих процессов и их влиянии можно сделать на основе имеющейся, хотя и довольно отрывочной, статистики изменений состояния симметричных кабелей местных телефонных сетей.

Выборочная проверка кабелей ГТС, находящихся в эксплуатации 25—30 лет, показала, что примерно 60—70% кабелей абонентской распределительной сети не соответствует отраслевому стандарту ОСТ 45.36-97. При этом наблюдается снижение сопротивления изоляции 1 км жил в отдельных случаях до 200—300 кОм, увеличение рабочей емкости в два-три раза, рост асимметрии рабочих цепей до 2%, повышение рабочего затухания на 10—15% и уменьшение переходного затухания между цепями на 5—10 дБ.

Основные причины временных изменений параметров существующих кабелей — повышение сопротивлений сростков жил кабелей в местах стыка строительных длин и ухудшение диэлектрических свойств изоляции. Как показали результаты отечественных наблюдений, для кабелей типа ТПП суммарное воздействие указанных факторов приводит к увеличению затухания в среднем на 15—20% за 15—20 лет.

Естественные процессы старения полиэтиленовой изоляции также ослабляют диэлектрическую прочность жил, что особенно критично при их использовании для подачи дистанционного питания.

Сопротивление изоляции измеряется при постоянном токе между данной жилой и другими жилами кабеля, а также между жилой кабеля и его оболочкой. В новом кабеле оно может достигать нескольких тысяч мегом. По мере старения изоляции жил кабеля и воздействия внешних условий (из которых самым опасным является проникновение воды) сопротивление изоляции падает. Как показывает зарубежный опыт, большинство кабелей при нормальных условиях эксплуатации сохраняет этот показатель на уровне нескольких сотен мегом в течение всего гарантированного срока службы. Только в очень старых кабелях с бумажной изоляцией сопротивление изоляции к концу срока службы при нормальных условиях эксплуатации падает до значений порядка десятков мегом. Зарубежный опыт массового внедрения оборудования xDSL свидетельствует, что его нормальная работа обеспечивается при значениях сопротивления изоляции не менее 3,5 МОм.

Следует подчеркнуть, что сопротивление изоляции должно измеряться при напряжении постоянного тока, близкого рабочему напряжению оборудования xDSL или несколько выше. Например, при напряжении дистанционного питания линий xDSL, равном 200 В, следует измерять сопротивление изоляции при измерительном напряжении порядка 250 В. Минимальное испытательное напряжение при тестировании сопротивления изоляции не должно быть менее 70 В.

К типичным повреждениям абонентских линий местных сетей, к которым особенно чувствительна даже низкоскоростная передача данных, относятся и повышенные значения сопротивления сростков жил на стыках строительных длин, выполненных ручной скруткой. Нормированные значения контактного сопротивления сростков жил в разных странах различны и колеблются от 3 до 20 мОм. Увеличение контактного сопротивления для линий, оборудованных системами передачи, не должно превышать 2,5 мОм.

На отечественных телефонных сетях контактное сопротивление сростков, выполненных ручной скруткой, не нормируется. Как показывают результаты испытаний на действующей сети, контактное сопротивление сростков жил реальных линий связи, выполненных ручной скруткой и эксплуатируемых в течение 10—15 лет, колеблется в пределах 40—900 мОм, причем на линиях с обтеканием жил кабеля постоянным током контактное сопротивление сростков имеет меньшую величину и более стабильно.

В местах скрутки может образоваться тонкая пленка окисла, но она легко разрушается при сравнительно небольшом токе (5—10 мА). Если абонентская линия используется для подключения абонента ТфОП, то такая пленка не создает проблемы. Однако для маломощных сигналов оборудования xDSL, где отсутствует постоянная составляющая, она может представлять непреодолимое препятствие. Тем не менее если линия используется не только для подачи сигнала xDSL, но и для аналоговой телефонной линии или дистанционного питания абонентского устройства xDSL, то негативный эффект отсутствует. Для устранения влияния пленки окисла в случаях, когда передается исключительно сигнал xDSL, на пару может подаваться постоянный ток (так называемый ток смачивания).

Влияние сростков на функционирование линий xDSL проявляется двояко. Во-первых, процесс окисления сростков вызывает появление шумов. Они обнаруживаются даже при работе абонентской линии в режиме ТфОП и, естественно, могут оказаться еще более опасными при установке оборудования xDSL на этой линии. Во-вторых, влияние сростков на работу систем xDSL может выражаться в виде резкого увеличения сопротивления шлейфа абонентских линий до значений, превышающих 1 кОм, даже при наличии тока смачивания дистанционного питания. Сразу же стоит отметить, что местоположение сростков на линии легко обнаружить с помощью рефлектометра для металлических кабелей (TDR). Однако при появлении такой неисправности до обследования линии с помощью рефлектометра на нее нельзя подавать высокое напряжение или производить перезапуск модемов xDSL. Любое из этих двух действий способно привести к самовосстановлению дефектного сростка и невозможности его обнаружения.