background image

Ćwiczenie 5

Temat:

BADANIE LINII DŁUGIEJ

I. ZAGADNIENIA

1.

Badanie   linii   długiej   w   stanie   jałowym,   w   stanie  zwarcia   oraz   przy 
obciążeniu impedancją falową.

2.

Badanie linii nieodkształcającej.

II. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

Parametry R

0

  ,  L

0

  , C

0

  , G

0

  w liniach elektrycznych rozłożone  są  w  sposób 

ciągły,   co   w   liniach   telekomunikacyjnych   o   większej   długości   (rzędu   setek 
i tysięcy kilometrów) wywiera duży wpływ na przebiegi prądów i napięć,
Parametry linii długiej zależą od rodzaju przewodów i ich rozmieszczenia,
Linię długą należy rozpatrywać jako szereg łańcuchowo połączonych  ze sobą 
elementów, jak na rys, 5.1., gdzie: R- rezystancja przewodów, L- indukcyjność 
pętli utworzonej przez przewody, lub przy uwzględnieniu ziemi - indukcyjność 
robocza pętli, C

0

 - pojemność międzyprzewodowa, lub też przy uwzględnieniu 

pojemności   przewodów   względem   ziemi   -   pojemność   robocza 
międzyprzewodowa,   G   -   konduktancja   (upływność)   międzyprzewodowa, 
występująca   wskutek   niedoskonałości   środowiska   izolacyjnego   między 
przewodami.
Rozważania   dotyczę   linii   dwuprzewodowej   w   stanie   ustalonym,   przy  czym 
wielkości R

0

 L

0

 , C

0

 , G

0

 oznaczają parametry linii na jednostkę długości (na 1 

km)

Rys. 5.1

Przy zasilaniu sinusoidalnym powyższy obwód można opisać równaniami

background image

U

C

j

G

dx

I

d

I

L

j

R

dx

U

d

)

(

)

(

0

0

0

0

ω

ω

+

=

+

=

 

(5.1)

0

0

0

L

j

R

Z

ω

+

=

- impedancja zespolona jednostkowa podłużna linii w Ω/km

0

0

0

C

j

G

G

ω

+

=

- admitancja zespolona jednostkowa podłużna linii w S/km

β

α

ω

ω

γ

γ

j

C

j

G

L

j

R

Y

Z

Y

Z

+

=

+

+

=

=

=

)

)(

(

0

0

0

0

0

0

2

0

0

(5.2)

γ

 

-

 

stała propagacji lub stała rozprzestrzeniania, zwana także tamownością 

jednostkową
α - stała tłumienia, zwana tłumiennością jednostkową
β - stała fazowa, zwana przesuwnością jednostkową.
Równania hiperboliczne linii długiej maja postać:

x

Z

U

x

I

x

I

x

I

Z

x

U

x

U

C

C

γ

γ

γ

γ

sinh

cosh

)

(

sinh

cosh

)

(

2

2

2

2

+

=

+

=

przy x liczonym od końca linii, lub macierzowo:

=

2

2

cosh

sinh

sinh

cosh

)

(

)

(

I

Z

U

x

x

x

x

x

I

Z

x

U

C

C

γ

γ

γ

γ

 

(5.4)

Powyższe równania pozwalają uzależnić napięcie  prąd na początku linii długiej 
od napięcia i prądu na końcu linii:

l

Z

U

l

I

I

l

I

Z

l

U

U

C

C

γ

γ

γ

γ

sinh

cosh

sinh

cosh

2

2

1

2

2

1

+

=

+

=

(5.5)

gdzie:U

1

,I

1

 – napięcie i prąd na początku linii,

U

2

,I

2

 – napięcie i prąd na końcu linii,

L – długość linii,
Z

C

 – impedancja charakterystyczna (falowa) linii

0

0

0

0

C

J

G

L

j

R

Z

C

+

+

=

ω

ω

(5.6)

(5.6)

Impedancja wejściowa linii długiej:

C

c

c

we

Z

l

Z

l

Z

l

Z

l

Z

I

U

Z

+

+

=

=

γ

γ

γ

γ

cosh

sinh

sinh

cosh

2

2

1

1

(5.7)

Jeżeli Z

2

= Z

C

 – stan pracy linii nazywamy dopasowaniem falowym 

Z

WE

= Z

C

 

(5.8)

Jeżeli Z

2

= ∞ – stan pracy linii nazywamy stanem jałowym

l

cth

Z

Z

C

we

=

γ

0

 

(5.9)

Jeżeli Z

2

= 0 – stan pracy linii nazywamy stanem zwarcia

l

th

Z

Z

C

z

we

=

γ

 

           

(5.10)

W zestawieniu powyższych wzorów otrzymujemy:

background image

z

we

we

C

Z

Z

Z

=

0

(5.11)

Przy dopasowaniu falowym istnieje tylko fala pierwotna napięcia prądu, a nie 
powstaję fale odbite. Linia długa ma własności linii nieskończenie długiej.
Linię   bez   strat   nazywamy   taką   linię   długą,   w   której   R

0

=0   i   G

0

=0. 

W rzeczywistości   linia   bez   strat   nie   istnieje,   jednak   w   wielu   przypadkach 
z wystarczającą dla praktyki dokładnością, można pominąć R

0

 i G

0

β

ω

γ

ω

ω

j

C

L

j

Y

Z

C

j

Y

L

j

Z

=

=

=

=

=

0

0

0

0

0

0

0

0

(5.12)

0

0

C

L

Z

C

=

 

(5.13)

Równania hiperboliczne linii bez strat przyjmują postać:

l

Z

U

j

l

I

I

l

I

Z

j

l

U

U

C

C

β

β

β

β

sin

cos

sin

cos

2

2

1

2

2

1

+

=

+

=

 

(5.14)

Linię   długą   nazywamy   nieodkształcającą,   jeżeli   sygnały   o   różnej 
częstotliwości rozchodzę się w linii z jednakową prędkością i są jednakowo 
tłumione,   tzn.   prędkość   fazowa   w   linii   i   stała   tłumienia   nie   zależę   od 
częstotliwości.
Linia   długa   jest   linią,   nieodkształcającą,  jeżeli   parametry   linii   spełniają 
proporcję:

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

C

L

G

R

Z

C

L

j

C

L

j

G

R

G

C

R

L

C

=

=

=

=

+

=

+

=

=

β

ω

ϑ

β

α

ω

γ

(5.15)

background image

III. POMIARY

Pomiary napięć i prądów wszystkich analizowanych stanów pracy linii długiej 
należy wykonać miernikami cyfrowymi.

1. Parametry linii długiej:

 

2647

,

0

0

=

R

 





 Ω

km

;

 

85

,

1

0

=

L





km

mH

;

 

08

,

6

0

=

C





km

nF

;

 

068

,

0

0

=

G





km

S

µ

;

 

300

=

l

[ ]

km

;

 

314

=

ω





s

rad

;

 

1

max

=

I

[ ]

A

.

2. Stan jałowy linii długiej 

(

)

=

2

Z

2.1  Badanie linii długiej w stanie jałowym należy przeprowadzić w układzie 

pomiarowym przedstawionym na rysunku poniżej:

Rys.5.2. Układ pomiarowy do badania linii długiej w stanie jałowym.

2.2  Wyniki pomiarów umieścić w tabeli pomiarowej:
2.3  Obliczyć impedancję wejściową w stanie jałowym z poniższego wzoru:

10

10

I

U

o

Z

=

 cos

ϕ

  V

cyfr

  A

cyfr

  V

cyfr

Linia 
długa

we

wy

background image

2.4  Obliczyć teoretycznie impedancję wejściową linii w stanie jałowym ze 

wzoru:

l

ctgh

Z

o

Z

C

=

γ

i porównać ją z wartością otrzymaną z pomiarów.

2.5  Obliczyć   napięcie   oraz   prąd   na   wejściu   linii  wykorzystując   zmierzone 

wartości napięć na wyjściu linii oraz wartość impedancji falowej:

l

Z

U

U

C

=

γ

cosh

20

10

l

Z

U

I

C

=

γ

sinh

20

10

3. Stan zwarcia linii długiej 

(

)

0

2

=

Z

3.1  Badanie   linii   długiej   w   stanie   zwarcia   przeprowadzić   w   układzie 

pomiarowym przedstawionym na rysunku poniżej:

Rys.5.3. Układ pomiarowy do badania linii długiej w stanie zwarcia.

Pomiary należy przeprowadzić przy prądzie nie przekraczającym 1 [A] (

1

=

dop

I

[ ]

A

).

3.2  Wyniki pomiarów umieścić w tabeli pomiarowej:
3.3  Obliczyć impedancję wejściową w stanie zwarcia:

Z

Z

Z

I

U

Z

1

1

=

3.4  Obliczyć teoretycznie impedancję wejściową linii w stanie zwarcia ze 

wzoru:

l

tgh

Z

Z

C

Z

=

γ

i porównać z otrzymaną z pomiarów.

3.5  Na podstawie wyników obliczeń dla stanu jałowego oraz dla stanu 

zwarcia dowieść, że:

Z

C

Z

o

Z

Z

=

 cos

ϕ

  V

cyfr

  A

cyfr

Linia 
długa

we

wy

  A

cyfr

background image

3.6  Obliczyć   napięcie   oraz   prąd   na   wejściu   linii  wykorzystując   zmierzone 

wartości prądów na wyjściu linii oraz wartość impedancji falowej:

l

Z

I

I

C

Z

Z

=

γ

cosh

2

1

l

I

I

Z

Z

=

γ

sinh

2

1

4. Stan dopasowania falowego (Z

= Z

C

)

4.1  Badanie   linii   długiej   w   stanie   dopasowania   falowego   przeprowadzić 

w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku poniżej:

Rys.5.4. Układ pomiarowy do badania linii długiej w stanie dopasowania 

falowego.

Pomiary przeprowadzić obciążając linie impedancją falową 
(Z

= 567 – j112

 

) [Ω] dla kilku wartości napięcia zasilającego.

4.2  Wyniki pomiarów umieścić w tabeli pomiarowej:
4.3  Impedancję wejściową i wyjściową oraz sprawność obliczyć ze wzorów:

1

1

1

I

U

Z

=

;

1

2

2

I

U

Z

=

;

1

2

P

P

=

η

4.4  Sprawdzić czy:

C

Z

Z

Z

=

=

2

1

l

e

P

P

=

=

α

η

2

1

2

l

e

P

P

U

U

=

=

α

1

2

2

1

4.5  Mając dane 

2

U

2

I

z pomiarów obliczyć 

1

U

 i 

1

I

z równań hiperbolicznych 

linii długiej.

 cos

ϕ

 cos

ϕ

  A

cyfr

  A

cyfr

  V

cyfr

  V

cyfr

  Z

Linia 
długa

we

wy

background image

5. Linia nieodkształcająca obciążona impedancją falową (Z

= Z

C

)

Linię długą nazywamy nieodkształcającą, jeżeli sygnały o różnej częstotliwości 
rozchodzą się w linii z jednakową prędkością i są jednakowo tłumione, tzn. 
prędkość fazowa w linii i stała tłumienia nie zależą od częstotliwości.
Linia długa jest nieodkształcająca, jeżeli parametry linii spełniają proporcje:

0

0

0

0

G

R

C

L

=

β

α

ω

γ

j

C

L

j

G

R

+

=

+

=

0

0

0

0

0

0

1

C

L

=

=

β

ω

υ

'

0

0

0

0

G

R

C

L

Z

C

=

=

Aby   były   spełnione   powyższe   proporcje   należy   dołączyć   w   gałęziach 
poprzecznych   czwórników   dodatkową   rezystancje   o   wartości   R   =   40   [kΩ] 
(przełączamy przełączniki na modelu linii). Wtedy G

0

 = 0,88 [μS/km].

0

0

0

0

'

C

L

G

R

Z

C

=

5.1  Badanie   linii   długiej   niezniekształcającej   obciążonej   impedancją   falową 

przeprowadzimy   w   układzie   pomiarowym   przedstawionym   na   rysunku 
poniżej:

Rys.5.5. Układ pomiarowy do badania linii niezniekształcającej obciążonej 

impedancją falową

5.2  Wyniki pomiarów umieścić w tabeli pomiarowej:
5.3  Impedancję wejściową i wyjściową oraz sprawność obliczyć ze wzorów:

1

1

1

I

U

Z

=

;

2

2

2

I

U

Z

=

;

1

2

P

P

=

η

5.4   Sprawdzić czy:

C

Z

Z

Z

=

=

2

1

 cos

ϕ

 cos

ϕ

  A

cyfr

  A

cyfr

  V

cyfr

  V

cyfr

  Z

Linia 
długa

we

wy

background image

l

e

P

P

=

=

α

η

2

1

2

l

e

P

P

U

U

=

=

α

1

2

2

1

5.5  Mając dane 

2

U

2

I

z pomiarów obliczyć 

1

U

 i 

1

I

z równań hiperbolicznych 

linii długiej.

l

Z

I

l

U

U

c

+

=

γ

γ

cosh

cosh

2

2

1

l

Z

U

l

I

I

C

+

=

γ

γ

sinh

cosh

2

2

1

l

Z

l

Z

l

Z

l

Z

Z

Z

C

C

C

+

+

=

γ

γ

γ

γ

cosh

sinh

sinh

cosh

2

2

1

Po   wykonaniu   obliczeń   należy   porównać   odpowiednie   wyniki   otrzymane   z  
pomiarów   oraz   z   równań   hiperbolicznych   i   na   tej   podstawie   wyciągnąć 
odpowiednie wnioski