关于定压式公共广播传输线路的衰耗问题

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关于定压式公共广播传输线路的衰耗问题


《公共广播系统工程技术规范（草案）》的有关规定，探讨了定压式公共广播系统传输线路的有关问题，并根据工程实际建立起一个线路计算模型，进而对线路截面、传输电压和传输损耗等问题进行了讨论。

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一、前言
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定压式公共广播系统是目前公共广播工程的主流。尽管有些规模很大的公共广播系统使用了网络传输，但在网络的终端、在系统分控中心所属的广播服务区内，大多数仍然是使用定压式功率线路传输。

3 ]& R* \* A. l/ b5 g: z8 H& j& ^: K随着经济的发展，大规模的共广播系统越来越多，其覆盖尺度动辄以千米计。例如：天安门广场：南北长880m，东西宽500m（44公顷）；广州动物园：400m×1100m（约43公顷）；华南植物园300公顷；浙江大学：136公顷；北京火车站每个站台长度：约600m；北京奥林匹克公园： 680公顷森林公园，405公顷场馆中心区….。即便是在室内，一些大型场馆如机场、会展中心、科技展览馆、大型超市，其尺度也非常大。因此，传输线路成为不可忽视的问题，其工程量和投资额度往往“喧宾夺主”，成为工程主体。
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: c  v) q2 P) H0 ?' _- k定压式公共广播传输线路的工程问题有两个方面。一个是线路的路由及其拓扑结构；另一个是线路的实体，包括传输电压、线路截面和线路损耗等问题。本文仅针对后者。
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二、定压式公共广播的传输线路模型
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9 u6 D9 j5 @3 s7 V2 a8 ?! R虽然现在很多定压式公共广播的传输线路可能很长，但却不能认为是“长线”。因为传输的是声频信号，其理论频带为20Hz~20kHz（工程中实际传输频率在12.5kHz以下）。以其最高分量——20kHz计，传输信号的最短波长为：
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式中λ为波长（m），C为光速（m/s），f为频率（Hz）。
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: q1 q/ M4 |; ?* ]$ D可见波长仍然比实际线路长得多。所以这种线路仍可用集总参数来描述，分布电抗也可忽略不计，其模型见图一。
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对于工程来说，大家关心的是如何选择传输线，特别是如何确定传输线路的截面。毫无疑问，线路截面与传输电压、负载、允许衰耗等因数有关。

; g9 b/ Z# s) w" E2 C" a# |下面，我们就以线路截面为应变量来建立计算模型。


' {6 d, x. t' r) L* M1， 定压式广播扬声器的等效电阻

2 x+ v; `+ {) D) E, j8 m定压式广播扬声器通常有额定工作电压U（该电压必须与线路传输电压相容，因此也即是传输电压）、额定功率P两个参数。其等效电阻为：

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9 s1 ?) V3 n: v0 e6 i+ |$ g5 A式中U为扬声器额定工作电压（V），P为扬声器额定功率（W）。

% d  t. G) S; J# j1 w6 y" T2， 传输线路的增益和衰耗

根据增益的定义：
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式（4）表明，如果传输距离、负载功率已定，则为了减小线路截面以节约投资，最有效的办法是提高线路传输电压U。线路传输电压每提高1倍，线路截面即可减小4倍。经验证明，传输距离超过1 km时，就应考虑使用120V～200V的传输电压，尤其是在室外。此外，合理地确定允许的传输损耗，也是一个重要的方面。
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* r7 H% d, Z( d! z& Q经验指出，当扬声器不是集中在线路终端，而是沿线均匀分布时，可大体认为负载集中挂在传输线路的中点，这时式（4）中的L可折半估算，其推导过程不再赘述。
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3 Q9 ^1 b: ^$ F: @* b当传输电压为100V、传输线为铜线、广播扬声器沿线路均匀分布、且允许传输损耗为3dB时，式（4）可简化为

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式（5）十分便于工程应用。请注意：式中传输里程L的单位是km，功率P的单位是kW。

三、线路衰耗的争议
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在编制国家标准《公共广播系统工程技术规范》的过程中，有关传输线路允许的传输损耗有不同的看法。主要是3dB与1dB之争。前者认为，线路允许的传输损耗太小，例如小至1dB，将会过分增加工程投资和增加施工困难。后者认为，线路允许的传输损耗太大，例如大至3dB，将会降低工程运行质量，增加运行负担。笔者倾向于前者。
8 B; H0 \) p. D以传输电压为100V，负载扬声器的总功率为0.5kW，传输里程为1.0 km，使用铜导线传输为例， 由式（4）计算出不同的允许衰耗所对应的线路截面（及线材估价）见表2。

) ^1 f2 ]2 Y6 j3 }" E& z表2 100V/0.5kW/1.0 km 对应的线路截面及线材估价
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- I4 Q, |6 ]6 u6 d*以RVV 双芯线约2.5元 / m · mm2估算。

由线材引起的投资，实际上还应考虑线管和布线施工的费用，表2未计及这些考虑。


7 `2 m% z; \* A) |  r2 Q$ ^7 O由表2可见，从投资和施工的角度来看，线路衰耗不大于1dB的方案所需线径太粗、价格太贵，是不容易接受的。

那么，表2所对应的规模是否过分夸张？不是的。根据我们的经验，2kW / 2 km也是常有的事。这时，如果按线损1dB计算，线路截面将达131 mm2，广播线将比动力线还粗！
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放宽对功率传输线路衰耗的限制，如上例，将线路衰耗由1dB放宽到3dB，则不仅节省近3倍的线材，而且布线施工会容易很多，因而费用会节约很多。
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& W1 x7 z/ w% i) }+ }0 v! m" }* F但放宽对功率传输线路衰耗的限制，表面上看来，将有大量功率耗散于线路，从而须额外增加功率放大器的输出功率，同时增加日常运行的成本。但是，实际情况并不完全是这样。

& N' _+ q  j/ ?& S; Q; ]2 \众所周知，衰耗放宽到3dB，听觉上不会有太大变化。而且广播扬声器通常备有相差3dB的端子（例如100V端子和70V端子），其用意之一，就是为了便于适应衰耗较大的线路末端——3dB衰耗所对应的线路终端电压正是0.707U。当传输电压为100V且广播扬声器沿线大体均匀分布时，如果线路有3dB衰耗，则线路末端的少数广播扬声器便可以使用70V端子以求改善。所以原则上不必为此而增大功放的容量。
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3 U- [( Y$ D) l$ a其实，改革开放以前，遍布我国大地的农村有线广播线路，是按终端电压不低于0.63U计算的[1]，运行了多少年都很正常。
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接下来的问题是会不会增加日常运行的成本。因为损耗增加了，必须开大音量。如果损耗为3dB，则意味着有半数功率损耗在线路上。乍看起来，电费将增加一倍。其实不然。因为即使是损耗1dB,线路上也有功耗，大约是21％。所以，满打满算，损耗3dB也只是增加了30％的功耗。实际上，在正常情况下，系统一般会在不大于四分之一功率的状态下运行（例如所谓“最高可用增益”状态），而且语言和音乐信号都有许多低潮和间歇，因而电费的增加就极其有限。如上所述，以1000W容量匡算，大概每20小时增加1度耗电。由此看来，即使把所增加的运行电费当作部分“分期付款”，也是划算的。何况，以上说的衰耗是“宽限”，不是要求一定达到3dB。不过，如果把线损进一步放宽至6dB，则功放和运行成本就会成为一个需要考虑的问题了。