Забезпечення завадостійкості кабелів на основі витих пар для промислових мереж

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі щодо забезпечення електромагнітної завадостійкості витих пар на технологічній стадії виготовлення кабелів промислових мереж з відповідним комплексом електричних параметрів передачі у широкому діапазоні частоти. Метою дисертаційної роботи є забезпечення завадостійкості кабелів для промислових мереж з відповідним комплексом електричних параметрів передачі на технологічній стадії виготовлення витих пар. Об’єктом дослідження є забезпечення завадостійкості неекранованих та екранованих витих пар на технологічній стадії виготовлення. Предметом дослідження є виті пари промислових мереж з електричними параметрами передачі у границях нормованих значень. У вступі обґрунтовано актуальність теми та визначено задачі дисертаційного дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами, наведено наукову новизну та практичне значення, представлено дані щодо публікацій та апробації результатів. У першому розділі акцентовано на темпах зростання чисельності промислових мереж за останні 10 років у світі, що на фізичному рівні базуються переважно на витій парі. Представлено області застосування технології промислового Ethernet, міжнародні стандарти та категорії кабелів на основі чотирьох та одно парних кабелів на основі витих пар. Досягнення надійної продуктивності і ефективності з можливістю оптимізаціїпромислових операцій, забезпечення кібербезпеки та зменшення незапланованих перебоїв здійснюється із використанням промислових кабелів Ethernet. Мережеві компоненти, до яких відносяться і кабелі, та носії є причиною понад 70% усіх збоїв у мережі, причому на операційні системи припадає менше 20% збоїв. Доведено, що кабель, як інфраструктурний фундамент розгалуженої промислової мережі, є безпосередньою лінією передачі. Для створення таких протяжних завадостійких ліній необхідно використовувати нові різновиди кабелів з відповідним комплексом електричних параметрів. Представлені електромагнітні параметри для оцінки ефективності екранування витих пар. Наведено класифікацію кабелів і ліній різних класів з відповідними значеннями параметрів несиметричної електромагнітної завади в діапазоні частоти (0,1–10) МГц. Проаналізовано шляхи забезпечення завадостійкості кабелів на основі витих пар на технологічній стадії виготовлення витих пар. Наголошено на необхідності компромісу між екрануванням та забезпеченням електричних параметрів передачі у широкій смузі частоти на технологічній стадії виготовлення екранованих витих пар. Сформульовано невисвітлені питання та окреслено пріоритетні задачі дисертаційного дослідження. У другому розділі на підставі обґрунтованої методології чисельного розрахунку електростатичного поля визначено робочу ємність одиночної витої пари в залежності від конструктивного виконання. Доведено, що за умови однакової товщини ізоляції робоча ємність екранованої суцільним металевим екраном на 78% перевищує значення ємності неекранованої пари у захисній полімерній оболонці. Збільшення товщини ізоляції у 2,5 рази забезпечило однаковість значень робочої ємності, тобто втрат електромагнітної енергії, екранованої пари з неекранованою. Більш ефективним способом забезпечення завадостійкості з відповідним значенням робочої ємності є застосування двошарового екрану з полімерною плівкою. Варіювання товщини, способу розташування та діелектричної проникності матеріалу полімерної плівки двошарового екрану забезпечує різницю робочої ємності у 5% порівняно з неекранованою витою парою. Проведеними обчислювальними експериментами доведено зростання на 40,9 % і 39,0 % робочої ефективної ємності витої пари за умови наявності еліптичності суцільного екрану порівняно з неекранованою та екранованою двошаровим екраном конструкціями з діаметрами провідників 0,64 мм. Запропоновано застосування спінення ізоляції для зменшення робочої ємності та втрат електромагнітної енергії у конструкції екранованого кабелю. Таке конструкторсько-технологічне рішення дозволяє збільшити дальність передавання сигналів по витій парі, підвищити гнучкість та зменшити розміри кабелю у цілому. Наявність структурно-технологічних неоднорідностей у конструкції кабелів призводить до появи додаткових втрат електромагнітної енергії у відповідному діапазоні частоти, що підтверджено експериментальними дослідженнями. Це доводить про необхідність вдосконалення типового технологічного процесу виготовлення витих пар для зменшення структурно-технологічних неоднорідностей на завершальній технологічній стадії виготовлення кабелів. У третьому розділі представлено експериментальні дослідження впливу конструктивних особливостей кабелів на параметри електромагнітних завад. Підтверджено ефективність менших кроків скручування на підвищення рівня завадостійкості порівняно з більшими кроками скручування за умови однакової частоти. Максимальні значення взаємних впливів становлять 92 дБ і 62 дБ для частоти 1 МГц для 4-х парного неекранованого 30-парного екранованого кабелів відповідно. Наявність у конструкції кабелю загального екрану призводить до зменшення електромагнітних впливів між витими парами в кабелі. Діапазон значень перехідного згасання на ближньому кінці на верхній граничній робочій частоті 100 МГц для неекранованого та екранованого кабелів з витими парами, кроки скручування у котрих однакові, становить (44 – 54) дБ та (46 –58) дБ відповідно. Встановлено, що коефіцієнт згасання електромагнітної енергії для неекранованих кабелів має менші значення в діапазоні частоти від 1 МГц до 10 МГц. При більш високих значеннях частоти екрановані кабелі мають менші значення згасання, що обумовлено ефектом впливу індуктивності екрану на втрати електромагнітної енергії та обумовлює більш жорсткі вимоги для забезпечення щільної конструкції екранованих кабелів промислових мереж. Підтверджено значний позитивний кореляційних зв’язок між параметрами омічної та ємнісної асиметріями витих пар. Коефіцієнт парної кореляції становить 0,974 для неекранованого та 0,926 для екранованого кабелів. Встановлено значний кореляційний зв’язок між параметрами електромагнітних впливів та асиметрією електричного опору витих пар кабелів. Коефіцієнти парної кореляції становлять 0,90 та 0,93 для неекранованих та екранованих конструкцій кабелів, що обумовлює більш жорсткі вимоги до технологічного процесу виготовлення екранованих витих пар. У четвертому розділі визначено стратегію та обґрунтовано діапазон налаштувань технологічного процесу для досягнення нормованих електричних параметрів передачі та забезпечення завадостійкості кабелів промислових мереж. Показано, що значення відносних опорів провідників на постійному струмі повинні знаходитися у границях ± 3σ та мати позитивні допуски діаметрів провідників пар з різними кроками скручування. Мультиплікативна завада, обумовлена випадковими зміненням у стохастичному технологічному процесі, може призводити до відхилення діаметру у 2 рази від номінального значення на рівні 50% вірогідності. Обґрунтовано методологію синтезу конструкторсько-технологічних рішень регулювання ємності витої пари кабелів промислових мереж на технологічній стадії виготовлення ізольованого провідника. Отримано номограми ефективних діелектричних параметрів та відносних значень ємності ізольованого провідника в залежності від ступеню спінення суцільної поліетиленової ізоляції та товщини захисної плівки. Це дозволяє ефективно регулювати електричну ємність двошарової ізоляції провідника витої пари. Коефіцієнт варіації робочої ємності повинен бути на рівні 0,3% у випадку мультиплікативного характеру зміни стохастичного технологічного процесу. Встановлено, що при односпрямованій скрутці пар і сердечника кабелю для пар з меншими кроками скрутки спостерігається вихід за верхні межі нормованих значень ємності. Для забезпечення параметрів передачі в границях нормованих необхідно застосовувати 100% відкрутку. Експериментально доведено кореляційний зв’язок між хвильовим імпедансом та втратами електромагнітної енергії на структурних неоднорідностях та обґрунтовано більш високу чутливість цих параметрів до стабільності технологічного процесу виготовлення витих екранованих пар. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше доведено вплив конструктивних та діелектричних параметрів полімерної плівки двошарового екрану на електричну ємність витої пари, що забезпечує підвищений рівень завадостійкості та зменшує втрати електромагнітної енергії у робочому діапазоні частоти екранованої витої пари порівняно з неекранованою. 2. Вперше визначено вплив еліптичності конструктивних елементів на структуру електричного поля та робочу ефективну ємність витої пари в залежності від конструктивного виконання кабелю та електричної ізоляції, що дало можливість обґрунтувати доцільність застосування спіненої полімерної ізоляції для регулювання ємності та зменшенню її впливу на втрати електромагнітної енергії у екранованому кабелі. 3. Вперше експериментально встановлено кореляційний зв’язок між параметрами електромагнітних впливів та асиметрією електричного опору витих пар кабелів. Коефіцієнти парної кореляції становлять 0,90 та 0,93 для неекранованих та екранованих кабелів, що обумовлює більш жорсткі вимоги до технологічного процесу виготовлення екранованих витих пар. 4. Вперше визначено діапазони налаштувань технологічного процесу виготовлення витих пар з нормованими електричними параметрами передачі, що забезпечує позитивні допуски діаметрів провідників пар з різними кроками скручування при значеннях відносних опорів провідників на постійному струмі у границях ± 3σ та коефіцієнт варіації ємності ізольованого провідника на рівні 0,3%. 5. Вперше обґрунтовано методологію синтезу конструкторсько-технологічних рішень спінення полімерної ізоляції та отримано номограми ефективних діелектричних параметрів в залежності від ступеню спінення та товщини захисної полімерної плівки, що дозволяє ефективно регулювати електричну ємність двошарової ізоляції ізольованого провідника на технологічній стадії виготовлення витої пари. При ступені спінення 40% діелектрична проникність зменшується на 25%, тангенс кута діелектричних втрат – на 33%, електрична ємність ізольованого провідника – на 20%. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено експериментальними дослідженнями статистично усереднених електричних параметрів передачі витих пар для 10 і 85 вибірок бухт довжиною 305 метрів неекранованих та екранованих кабелів. Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному: – обґрунтована методологія чисельного визначення електричного поля, яка базується на методі вторинних джерел з врахуванням наявності структурно-технологічних неоднорідностей конструктивних елементів кабелів на основі витої пари, може бути застосована для налаштувань технологічного процесу виготовлення ізольованих провідників кабелів різного призначення, в тому числі і силових; – доведено ефективність застосування ламінованого двошарового екрану з неполярною плівкою, що надає можливості варіювання значеннями робочої ємності для зменшення її впливу на коефіцієнт згасання та підвищення завадостійкості витої пари у робочому діапазоні частоти; – обґрунтування щодо розташування ізольованого провідника у воді, що охолоджує, забезпечує в порівнянні з повітряним охолодженням високу чутливість до налаштувань технологічного процесу регулювання ємності ізольованого провідника при варіюванні товщини ізоляції провідника витої пари; – показано, що мультиплікативна завада, обумовлена випадковими змінами у стохастичному технологічному процесі, може призводити до відхилення діаметру у 2 рази від номінального значення на рівні 50% вірогідності; – доведено вихід за верхні границі нормованих значень робочої ємності і втрат електромагнітної енергії для витих пар з меншими кроками скрутки, що дало можливість на технологічній стадії виготовлення при односпрямованому скручуванні сердечника з відкруткою обґрунтувати застосування більших кроків скручування для отримання менших для підвищення завадостійкості витих пар; – встановлено кореляційний зв’язок між хвильовим імпедансом та структурними втратами електромагнітної енергії у витих екранованих парах, що дозволяє застосовувати ці параметри для налаштувань стабільності технологічного процесу; – рекомендації щодо налаштувань технологічного процесу виготовлення екранованих кабелів з витими парами забезпечують підвищення однорідності геометричних та електричних параметрів для зменшення розкиду параметрів електромагнітного впливу у кабелях з витими парами. Результати дисертаційної роботи застосовуються при створенні інноваційної для кабельної промисловості України кабелів на основі витих пар для промислових мереж у науково-виробничому підприємстві «Алай», при модернізації кабельної інфраструктури промислових мереж ДП «НАЕК «Енергоатом» (м. Київ), у навчальному процесі на кафедрі «Електроізоляційна та кабельна техніка» при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка спеціалізації 141.04 Електроізоляційна, кабельна та оптоволоконна техніка.

The dissertation is devoted to the solution of the actual scientific and applied problem of ensuring the electromagnetic immunity of twisted pairs at the technological stage of manufacturing cables of industrial networks with the appropriate set of electrical transmission parameters in a wide frequency range. The purpose of the dissertation is to ensuring the immunity of cables for industrial networks with the appropriate set of electrical transmission parameters at the technological stage of manufacturing twisted pairs. The object of the study is to ensure the interference resistance of unshielded and shielded twisted pairs at the technological stage of manufacturing. The subject of study is twisted pairs of industrial networks with electrical transmission parameters within the limits of normalized values. The introduction substantiates the relevance of the topic and defines the tasks of the dissertation research, shows the connection of the work with scientific programs, plans and topics, provides scientific novelty and practical significance, presents data on publications and approval of results. The first chapter focuses on the rate of growth of the number of industrial networks over the last 10 years in the world, which at the physical level are based mainly on twisted pair. Areas of application of industrial Ethernet technology, international standards and categories of cables based on four-pair and single-pair cables based on twisted pairs are presented. Achieving reliable productivity and efficiency with the ability to optimize industrial operations, ensure cyber security and reduce unplanned outages is carried out using industrial Ethernet cables. Network components, which include cables and media, account for more than 70% of all network failures, with operating systems accounting for less than 20% of failures. It has been proven that the cable, as the infrastructural foundation of an extensive industrial network, is a direct transmission line. To create such long interference-resistant lines, it is necessary to use new types of cables with an appropriate set of electrical parameters. The electromagnetic parameters for evaluating the shielding effectiveness of twisted pairs are presented. The classification of cables and lines of different classes with the corresponding values of parameters of asymmetric electromagnetic interference in the frequency range (0,1 – 10) MHz is given. Ways to ensure interference resistance of cables based on twisted pairs at the technological stage of manufacturing twisted pairs have been analysed. The need for a compromise between shielding and ensuring electrical transmission parameters in a wide frequency band at the technological stage of manufacturing shielded twisted pairs is emphasized. Unexplained questions are formulated and the priority tasks of the dissertation research are outlined. In the second chapter, on the basis of a justified methodology of numerical calculation of the electrostatic field, the working capacity of a single twisted pair is determined depending on the design. It has been proven that, under the condition of the same thickness of insulation, the working capacity shielded by a solid metal screen is 78% higher than the value of the capacity of an unshielded pair in a protective polymer shell. Increasing the thickness of the insulation by 2,5 times ensured the uniformity of the values of the working capacity, i.e. the loss of electromagnetic energy, of a shielded pair with an unshielded one. A more effective way to ensure interference resistance with the corresponding value of the working capacity is the use of a two-layer screen with a polymer film. Varying the thickness, arrangement, and dielectric constant of the polymer film material of the double-layer shield provides a 5% difference in working capacity compared to an unshielded twisted pair. The conducted computational experiments proved an increase of 40,9% and 39,0% in the working effective capacity of the twisted pair, provided the ellipticity of the solid screen is present, compared to unshielded and shielded by a double-layer screen structures with conductor diameters of 0,64 mm. The application of insulation foaming is proposed to reduce the working capacity and losses of electromagnetic energy in the design of the shielded cable. Such a design-technological solution allows you to increase the range of signal transmission over a twisted pair, increase flexibility and reduce the size of the cable as a whole. The presence of structural and technological inhomogeneities in the construction of cables leads to the appearance of additional losses of electromagnetic energy in the corresponding frequency range, which is confirmed by experimental studies. This proves the need to improve the typical technological process of manufacturing twisted pairs to reduce structural and technological inhomogeneities at the final technological stage of cable production. The third chapter presents experimental studies of the influence of the design features of cables on the parameters of electromagnetic interference. The effectiveness of smaller twisting steps in increasing the level of immunity compared to larger twisting steps at the same frequency has been confirmed. The maximum values of mutual influences are 92 dB and 62 dB for a frequency of 1 MHz for 4-pair unshielded and 30-pair shielded cables, respectively. The presence of a common shield in the cable design leads to a reduction of electromagnetic influences between twisted pairs in the cable. The range of near-end transient attenuation values at the upper limit operating frequency of 100 MHz for unshielded and shielded twisted-pair cables with the same twist steps is (44 - 54) dB and (46 - 58) dB, respectively. It is established that the attenuation coefficient of electromagnetic energy for unshielded cables has lower values in the frequency range from 1 MHz to 10 MHz. At higher frequency values, shielded cables have lower attenuation values, which is due to the effect of shield inductance on electromagnetic energy losses and leads to stricter requirements for ensuring the dense construction of shielded cables of industrial networks. A significant positive correlation between the parameters of ohmic and capacitive asymmetry of twisted pairs was confirmed. The pairwise correlation efficient is 0,974 for unshielded and 0,926 for shielded cables. A significant correlation was established between the parameters of electromagnetic influences and the asymmetry of the electrical resistance of twisted pairs of cables. Pair correlation coefficients are 0,90 and 0,93 for unshielded and shielded cable designs, which causes stricter requirements for the manufacturing process of shielded twisted pairs. The fourth chapter defines the strategy and substantiates the range of technological process settings to achieve standardized electrical transmission parameters and ensure interference immunity of industrial network cables. It is shown that the values of the relative resistances of the conductors on direct current should be within the limits of ± 3σ and have positive tolerances of the diameters of the conductors of pairs with different twist steps. Multiplicative interference caused by random changes in a stochastic technological process can lead to a deviation of the diameter by 2 times from the nominal value at the level of 50% probability. The methodology of the synthesis of design and technological solutions for regulating the electrical capacity of twisted pair cables of industrial networks at the technological stage of manufacturing an insulated conductor is substantiated. Nomograms of effective dielectric parameters and relative values of the electrical capacity of the insulated conductor depending on the degree of foaming of solid polyethylene insulation and the thickness of the protective film were obtained. This allows you to effectively adjust the electrical capacity of the double-layer insulation of the twisted pair conductor. The coefficient of variation of the working capacity should be at the level of 0,3% in the case of the multiplicative nature of the change in the stochastic technological process.It was established that with unidirectional twisting of the pairs and the cable core, for pairs with smaller twist steps, the upper limits of the normalized capacity values are observed. To ensure transmission parameters within the normalized limits, it is necessary to apply 100% unscrewing. The correlation between wave impedance and losses of electromagnetic energy on structural inhomogeneities was experimentally proven and the higher sensitivity of these parameters to the stability of the technological process of manufacturing twisted shielded pairs was justified. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. Scientific novelty of the results: 1. For the first time, the influence of the structural and dielectric parameters of the polymer film of the two-layer screen on the electrical capacity of the twisted pair has been proven, which provides an increased level of interference immunity and reduces the loss of electromagnetic energy in the operating frequency range of the shielded twisted pair compared to the unshielded one. 2. For the first time, the influence of the ellipticity of structural elements on the structure of the electric field and the working effective capacity of the twisted pair depending on the design of the cable and electrical insulation was determined, which made it possible to substantiate the feasibility of using foamed polymer insulation to regulate the capacity and reduce its impact on the loss of electromagnetic energy in the shielded cables. 3. For the first time, a correlation between the parameters of electromagnetic influences and the asymmetry of the electrical resistance of twisted pairs of cables was established experimentally. Pair correlation coefficients are 0,90 and 0,93 for unshielded and shielded cables, which causes stricter requirements for the manufacturing process of shielded twisted pairs. 4. For the first time, the ranges of settings for the technological process of manufacturing twisted pairs with standardized electrical transmission parameters were defined, which ensures positive tolerances of the diameters of the conductors of pairs with different twist steps at the values of the relative resistances of the conductors at direct current within the limits of ± 3σ and the coefficient of variation of the capacity of the insulated conductor at the level of 0, 3%. 5. For the first time, the methodology of the synthesis of design and technological solutions for the foaming of polymer insulation was substantiated and nomograms of effective dielectric parameters were obtained depending on the degree of foaming and the thickness of the protective polymer film, which allows to effectively regulate the electrical capacity of the double-layer insulation of the insulated conductor at the technological stage of twisted pair production. At a degree of foaming of 40%, the dielectric permeability decreases by 25%, the tangent of the dielectric loss - by 33%, the electrical capacity of the insulated conductor - by 20%. The validity of the theoretical dissertation studies was confirmed by experimental studies of statistically averaged electrical transmission parameters of twisted pairs for 10 and 85 samples of bays with a length of 305 meters of unshielded and shielded cables. The practical significance of the results obtained is as follows: – a reasonable methodology for the numerical determination of the electric field, which is based on the method of secondary sources, taking into account the presence of structural and technological inhomogeneities of the structural elements of cables based on twisted pair, can be applied to the settings of the technological process of manufacturing insulated conductors of cables for various purposes, including power ones; – the effectiveness of the application of a laminated two-layer screen with a non-polar film, which provides the possibility of varying the values of the working capacity to reduce its influence on the attenuation coefficient and increase the immunity of the twisted pair in the working frequency range, has been proven; – the justification for the location of the insulated conductor in the cooling water ensures, in comparison with air cooling, high sensitivity to the settings of the technological process of adjusting the capacity of the insulated conductor whe varying the thickness of the insulation of the twisted pair conductor; – it is shown that the multiplicative disturbance caused by random changes in the stochastic technological process can lead to a deviation of the diameter by 2 times from the nominal value at the level of 50% probability; – it is proved that the upper limits of the normalized values of working capacity and losses of electromagnetic energy for twisted pairs with smaller twist steps are exceeded. This made it possible to substantiate the use of larger twisting steps to obtain smaller twisted pairs to increase interference resistance at the technological stage of manufacturing during unidirectional twisting of the core with a screwdriver; – a correlation between wave impedance and structural losses of electromagnetic energy in twisted shielded pairs has been established, which allows these parameters to be used to adjust the stability of the technological process; – recommendations regarding the settings of the manufacturing process of shielded twisted-pair cables provide an increase in the homogeneity of geometric and electrical parameters to reduce the spread of electromagnetic influence parameters in twisted-pair cables. The results of the dissertation work are used in the creation of innovative for the cable industry of Ukraine cables based on twisted pairs for industrial networks at the research and production enterprise «Alay», in the modernization of the cable infrastructure of the industrial networks of SE «NAEK» Energoatom» (Kyiv), in the educational process at the department «Electrical insulation and cable Engineering» in the preparation of bachelors and masters in the speciality 141 – Electrical Engineering, Power Engineering and Electromechanics specialization 141.04 Electrical insulation, cable and optical fiber technology.