Оптические кабели (ОК), также как и традиционные кабели связи с медными жилами, при наличии в их конструкции одного или нескольких металлических элементов (металлическая оболочка, броня, медные жилы и т. п.) подвергаются воздействию ударов молнии и поэтому при эксплуатации в условиях воздействия молнии требуется оценка их работоспособности. К числу оптических кабелей, которые могут подвергаться воздействию ударов молнии, относятся и полевые оптические кабели, в конструкции которых содержится металлическая броня. Авторы предлагают методику расчета работоспособности таких систем, подтверждая ее табличными данными.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В.
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #5-6/2010
Ю.Ларин, А.Воронцов, А.Корякин, И.Лукин
Работоспособность полевых оптических кабелей связи при ударах молнии
Просмотры: 3210
Оптические кабели (ОК), также как и традиционные кабели связи с медными жилами, при наличии в их конструкции одного или нескольких металлических элементов (металлическая оболочка, броня, медные жилы и т. п.) подвергаются воздействию ударов молнии и поэтому при эксплуатации в условиях воздействия молнии требуется оценка их работоспособности. К числу оптических кабелей, которые могут подвергаться воздействию ударов молнии, относятся и полевые оптические кабели, в конструкции которых содержится металлическая броня. Авторы предлагают методику расчета работоспособности таких систем, подтверждая ее табличными данными.
Стойкость оптических кабелей к ударам молнии определяется допустимым током молнии в металлических элементах (токопроводящих жилах, оболочке или бронепокрове) ОК, при котором не возникает повреждения кабеля с разрывом связи. Допустимый ток зависит от механической прочности кабеля, тепловых характеристик кабельных материалов, электрической проводимости металлических оболочек (бронепокрова), электрической прочности изоляции жил дистанционного питания или иных электрических цепей, оболочек и металлических элементов.
Различают повреждения, вызванные прямым ударом молнии, которые относят к категории первичных. Они вызывают перерыв в работе (обрыв одного и более оптических волокон – ОВ), недопустимое увеличение затухания ОВ или обрыв цепи дистанционного питания, если оборудование питается по металлическим проводам внутри ОК. К ним также можно отнести нарушение защитного покрытия, водонепроницаемого барьера (металлической оболочки), соединительных элементов и гидрофобного заполнения, которые, вследствие другого механизма воздействия, будут приводить к недопустимому увеличению затухания ОВ.

Повреждения, которые относят к вторичным, возникают в связи с воздействием на объект электромагнитного поля близких разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая – изменением тока молнии во времени. Эти составляющие иногда называют электростатической и электромагнитной индукцией.
Электростатическая индукция проявляется в виде перенапряжения, возникающего на металлических конструкциях объекта, зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя. При отсутствии надлежащего заземлителя перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения людей и перекрытий между разными частями объекта.

Предпосылки расчЕта
Наибольшую опасность для кабельных линий представляют прямые удары молнии. Специфика эксплуатации полевых ОК связана с кратковременным характером использования таких линий связи (быстрое развертывание, кратковременная работа и свертывание с передислокацией на новое место) и особенностями прокладки (подземная и воздушная путем подвески на высокостоящих объектах). Все дальнейшие расчеты справедливы для конструкции ОК марки ОК‑В-М-4Т с диэлектрической сердцевиной и металлической броней, обеспечивающей механическую прочность конструкции при растяжении (рис.1). Это кабель с внешним диаметром (dk) до 6 мм, диамером по металлической броне (dd) до 4,4 мм с номинальным диаметром проволок брони (dпр) 0,7 мм [1].
В оптическом кабеле с металлической броней электрическое поле имеет радиальную конфигурацию, как в коаксиальном кабеле. Однако эта конструкция не однородна по радиусу и длине. Для упрощения последующих рассуждений примем, что кабельная структура (все, что находится под металлической броней) характеризуется следующими параметрами: относительной диэлектрической проницаемостью (e), напряженностью электрического поля (Е), пробивным напряжением (Uп), первичными параметрами и волновым сопротивлением (S).
Значения параметров, необходимых для расчетов, приведены в табл.1.
Выбор испытательного напряжения в дальнейших расчетах определен из условий, что испытательное напряжение элементов кабеля (Uисп) должно составлять 60% от пробивного напряжения (Uп), а допустимое напряжение (Uдоп) – 60% от испытательного [2]. Разброс импульсных характеристик зависит от формы импульса, а коммутационный импульс (импульсное напряжение Uмин) высокой частоты, имеющий место в молнии, имеет коэффициент пересчета 1,2: Uимп = 1,2Uисп.
При заданных исходных данных (табл.1) и расчетной схеме [3] электрическое сопротивление брони на 1 км составит R = rvсl/(ns) =
= 0,1·1000·4/(p·0,72 ·19) = 13,68 Ом, где s – площадь сечения проволок брони, n – число проволок брони,
l = 1000 м – длина участка кабеля.
Вторичный параметр – волновое сопротивление ОК (значения электрического сопротивления брони и проводимость полиэтиленового шланга значительно меньше величин электрических емкости и индуктивности, поэтому и их можно не учитывать в расчетах):


РасчЕт допустимого тока молнии
Определим допустимую величину тока, который может воздействовать на ОК. Для этого будем исходить из среднегодовой продолжительности гроз на территории России (рис.2) и соотношения между среднегодовой продолжительностью гроз в часах и удельной плотностью ударов молнии в землю n [1/(км2·год)] (табл.2) [4].
При продолжительности гроз до 40 часов в год на почти 50% площади РФ или почти 90% территории с плотностью населения более 5 человек на 1 км2 удельная плотность удара молнии составит от 2 до 4 1/(км2∙год) [4]. Для электрического сопротивления брони 13,68 Ом/км испытательного напряжения Uисп = 10 кВ вероятное число повреждений кабеля от удара молнии составит 0,3 при минимальном значении rvз земли 100 Ом·м и 1,0 при максимальном удельном сопротивлении rvз земли 1000 Ом·м. Тогда при прокладке в земле для вероятности 0,3 величина тока молнии не будет превышать 30 кА, а для вероятности 1 – 20 кА (рис.3). Для воздушной прокладки эти величины составят 20 и 10 кА, соответственно.
Приведенные расчеты подкрепляются данными работы [5], в которой указывается, что молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 20 кА возникают в 0,7–1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов. Удары молний с величиной тока 20 кА составляют порядка 50%. Для горных местностей и при воздушной прокладке вероятность больших токов снижается вдвое, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях.
Минимальный ток в броне, могущий создать напряжение пробоя
Is = Uимп/R = 12/13,68 = 0,877 кА.
Для подземной прокладки уточненное значение тока в броне с учетом электрического сопротивления земли [1] Is = Uимп·L/(KR), кА, где К = 8 – коэффициент формы волны для тока молнии (10/350 мс),
[(м/Ом)0,5]; R – сопротивление металлической оболочки на единицу длины L = 1 км, Ом; Uимп – импульсное пробивное напряжение ОК между броней и землей; rvз – удельное электрическое сопротивление земли, Ом·м. Соответственно
Is = 10,964 кА для минимального значения rvз = 100 Ом·м.
Ток прямого удара молнии I не должен превышать удвоенного значения (Is) [1], что обеспечивает с 50%-ной вероятностью работоспособность ОК при грозовых разрядах молнии с амплитудой 20  кА. При удельной плотности удара молнии (2–4) 1/(км2∙год) результирующая вероятность уменьшается в десятки раз.
Для воздушной прокладки без заземления в соответствии с [1] ток прямого удара молнии I = 4 Is2/K, где K = rvE0/S2. Тогда

Для максимальных значений rvз = 1000 Ом·м и напряженности пробоя грунта Е0 = 500 кВ/м и при волновом сопротивлении S = 933,78 Ом ток прямого удара молнии может достигать 5,364 кА. В соответствии с рис.3, ток прямого удара составляет 10 кА. Погрешность расчета можно объяснить усредненной величиной удельного сопротивления земли, которая колеблется в значительных пределах.
Для воздушной прокладки с заземлением расчет аналогичен расчету для подземной прокладки [1].
Таким образом, ОК с металлической броней обеспечит эксплуатацию линии связи при прямом ударе молнии как при прокладке под землей, так и при воздушной прокладке.

Частота первичных повреждений ОК при ударе молнии
Среднее годовое число ожидаемых первичных повреждений волоконно-оптических линий связи вследствие прямых ударов молнии Np определяется как
Np = Npb + Npa + Nps,
где Npb, Npa и Nps – число первичных повреждений в год подземных, воздушных кабелей и сооружений, в которое входит ОК, соответственно, вследствие прямых ударов молний.
Для подземной прокладки Npb = KdNdp повреждений/год [1], где
Kd = 3 – поправочный защитный коэффициент, позволяет приблизительно оценить частоту первичных повреждений (применяется для приблизительной оценки расстояния d между точкой удара молнии в землю и подземным кабелем с использованием приближенного решения, основанного на концепции эквивалентного расстояния пробоя земли D); р – вероятность того, что амплитуда тока молнии будет равной или выше величины I; Nd – плотность ударов молнии в землю на площади 2DL. При выбранном значении I = 20 кА вероятность составляет 50%.
Проверим соответствие табличных значений расчетным. Nd рассчитывается с помощью выражения Nd = Ns·2DL/1000 ударов/год, где Ns – плотность ударов молнии в землю, км2∙год; D – эквивалентное расстояние пробоя земли (среднее расстояние от подземного кабеля, перекрываемое разрядом молнии в земле), м; L – длина трассы, км. В соответствии с табличными данными, параметр Ns принят равным 2–4 или в среднем 3.
Величина Ns может быть оценена из следующего соотношения, которое зависит от климатических условий: Ns = 0,04 Td1,25, где Td – число грозовых дней в году в точке наблюдения. Td может быть найдено из изокеранических карт (принято равным 40). Более подробные изокеранические карты на ограниченных площадях имеются в национальных правительственных учреждениях.
2DL – площадь, на которой кабель подвержен прямым ударам молнии или пробою от точки удара молнии через землю.
D = 0,482, м для rvз ≤ 100 Ом∙м;
D = 0,283, м для rvз ≥ 1000 Ом∙м.
Тогда D = 4,82 м для rvз ≤ 100 Ом∙ м, 2DL = 9,64.
Ns = 0,04·401,25 = 4,02, что является хорошим совпадением с табличными значениями. Соответственно
Nd = 0,04 и Npb = 3· 0,04·0,5 = 0,06 – частота первичных повреждений подземных ОК вследствие прямых ударов молний (число повреждений в год).
Для воздушной прокладки частота первичных повреждений Npa = Nd·p. Защитный поправочный коэффициент Kd не включен, поскольку выражение позволяет приближенно оценить число прямых ударов молнии в воздушный кабель. Соответственно Npa = 0,02. Обратная величина Npa показывает среднее время в годах между первичными повреждениями (50 лет).
Для оценки защищенности ОК при прямом ударе молнии в аппаратную исходят из того, что ток молнии при прямом ударе в сооружение поступает в его систему заземления и в кабели, заходящие в сооружение. Поэтому часть тока молнии попадает в места подключения кабеля и в оболочку ОК.
Этот ток может вызвать первичные повреждения, когда он больше Is или тока в соединении Ic. Следовательно, частота повреждений Nps может быть оценена как
Nps = Nd·p (I), где Nd – частота прямых ударов в сооружение и соединение сооружения. Согласно рекомендациям Международного союза электросвязи [6], Nd принимается равной удельной плотности удара молнии и равняется 3.
I – амплитуда тока молнии при прямом ударе в сооружение, который создает ток в оболочке Is или ток в соединении Ic. Ток Ic определяется в предположении, что 50% тока молнии, ударяющего в сооружение, течет в систему заземления сооружения, а оставшиеся 50% тока распределяются между несколькими кабелями, заходящими в сооружение. При величине амплитуды тока I = 20 кА значение Ic составит 10 кА. Вероятность p(Ic) амплитуды тока молнии, ударяющего в сооружение, определяется из рис.4 и для I = 20 кА (Ic = 10 кА) равна 90%. Для приведенных значений Nps = 2,7.
Соответственно суммарная частота первичных повреждений Np = 0,06 + 0,02 + 2,7 = 2,8, что не выше величины удельной плотности удара молнии.
Вероятность повреждения ОК для подземной прокладки может быть уменьшена с помощью экранирующих проводов. Экранирующие провода перехватывают часть тока молнии, уменьшая этим величину тока, поступающего в кабель. Однако их применение для ОК экономически не выгодно.
На основании обобщенных данных (табл.3) можно сделать следующие выводы:
вероятность повреждения ОК при воздействии прямых ударов молнии настолько низка, что в конструкции ОК нецелесообразно использовать полимерные грузонесущие материалы, требующие дополнительных исследований в части подтверждения надежности кабельных конструкций;
применение экранированных проводов технически нецелесообразно;
при наличии современных средств защиты аппаратных комплексов связи от грозы вероятность повреждения системы «кабельная линия длиной 30–40 км совместно со средствами связи аппаратной» соизмерима с вероятностью повреждения аппаратной.

Литература
Расчет стойкости оптического кабеля марки ОК-В-М-4Т. – М.: ООО “ВНИИКП-ОПТИК”, 2010.
Методика “Расчет характеристик работоспособности оптических полевых кабелей связи при ударе молнии”. – М.: ООО “ВНИИКП-ОПТИК”, 2010.
ITU-T K.25. Protection of optical fiber cables. – ITU-T, 2000.
Воронцов А.С., Яцына Е.И., Портнов Э.Л., Соколов С.А. (при участии Л.Д. Разумова и В.В. Захарова). Руководство по защите оптических кабелей от ударов молнии. – М.: ЦНИИС, 1996.
Молния – источник грозовых перенапряжений. –
www.rubatech.ru/node/430
ITU-T K.39. Оценка вероятности повреждения сооружений электросвязи грозовыми разрядами. – ITU-T, 1996.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art