В рубрику "Защита информации и каналов связи" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
С.А. Соколов, д.т.н., профессор МТУСИ
В ближайшем будущем большинство кабелей, проложенных на всех кабельных магистралях связи страны, будут составлять оптические кабели (ОК). Первоначально предполагалось, что ОК не подвержены воздействию сильных внешних электромагнитных полей, возникающих при ударах молнии или вблизи высоковольтных линий электропередачи. Между тем были зафиксированы случаи повреждения ОК, опровергающие эти предположения как в отношении кабелей с металлическими элементами в конструкции (с металлическими жилами дистанционного питания либо с металлическим экраном или оболочкой), так и в отношении кабелей без металла в конструкции (чисто диэлектрических). С развитием оптической транспортной инфраструктуры связи в нашей стране этот вопрос становится все более актуальным.
В статье рассматриваются механизмы воздействия электромагнитных полей молнии и высоковольтных линий электропередачи на ОК и существующие методы защиты.
Воздействие грозовых разрядов на ОК с металлическими элементами в конструкции
Оптические кабели могут иметь металлическую оболочку или броню для защиты от механических повреждений при прокладке в каменистых, скальных или мерзлых грунтах, упрочняющие металлические элементы, а также жилы дистанционного питания.
Грозовые повреждения подземных ОК
При ударе молнии в землю или в деревья вблизи трассы подземного О К часть или весь ток молнии может попасть в металлическую оболочку кабеля. Причем дуговой разряд, возникающий между точкой удара и кабелем, перекрывает расстояние в несколько десятков метров. Влага, содержащаяся в объеме канала разряда, практически мгновенно испаряется, так как температура в нем составляет сотни и даже тысячи градусов. Фронт расширяющихся паров и газов вблизи разряда создает давление порядка 1000 кг/см2, которое сминает оболочку кабеля еще до попадания туда тока молнии. В данном случае на оболочке может не возникать ни малейших следов оплавления. Это так называемый электрогидравлический эффект. Он в сильной степени зависит от амплитуды тока, его крутизны и влажности грунта. В случае пологой формы импульса тока возникает теплоотвод и возможно оплавление оболочки.
При дальнейшем протекании тока молнии по металлической оболочке кабеля вследствие разницы в параметрах распространения импульсов по земле и по цепи "оболочка - земля" между металлическими элементами ОК и землей возникает напряжение, амплитуда которого достигает нескольких тысяч вольт. В результате этого происходит пробой внешнего шланга или изоляции между металлическими элементами конструкции кабеля. Во время искрового или дугового пробоя могут пострадать расположенные рядом волокна, а через образовавшееся отверстие начнет постепенно проникать влага. Амплитуда возникающего напряжения зависит от двух параметров:
В принципе этот механизм повреждения оптического кабеля с металлическими элементами мало чем отличается от типа повреждения при грозе обычного электрического кабеля с металлическими жилами.
Повреждения изоляции при распространении тока по оболочке могут происходить не только вблизи точки удара молнии, но и на значительном расстоянии от нее вдоль кабеля (до нескольких километров), особенно в местах с ослабленной изоляцией или в точках с механическими повреждениями наружного пластмассового шланга. При одном и том же ударе молнии возможны десятки повреждений изоляции О К на расстоянии от нескольких до сотен метров друг от друга и от точки входа тока в оболочку кабеля.
Грозовые повреждения электрических кабелей связи в металлической оболочке в среднем составляют порядка 10-13% от всех повреждений кабелей в зависимости от грозодеятельно-сти, геологических и географических условий, типа кабеля, способа прокладки и т.п.
Очевидно, что грозовые повреждения ОК с металлическими жилами и оболочкой будут составлять примерно такую же цифру. Если ОК имеет только металлическую оболочку без жил дистанционного питания, то наиболее вероятны повреждения шланга с последующим постепенным проникновением влаги внутрь конструкции. Это необязательно влечет за собой немедленный выход кабеля из строя с перерывом связи, но значительно снижает его надежность.
Существует минимальный ток молнии J, который при ударе молнии в землю приводит к образованию электрической дуги от точки удара молнии к кабелю, отчего возникает повреждение. Сила тока зависит от нескольких факторов:
В реальных условиях ток молнии может попасть в О К и через элементы окружающей инфраструктуры - монтажные устройства и соединительные элементы или посторонние металлические конструкции. На практике наиболее часто дуга разряда возникает после удара молнии в высокие деревья и далее проходит по поверхности земли (так как поверхностное пробивное напряжение меньше, чем в объеме) или иногда по корням дерева до кабеля. Это расстояние в среднем составляет 25-30 м, но может достигать и 50-75 м.
Грозовые повреждения воздушных ОК
Повреждения в воздушном О К, подвешенном на деревянных или металлических опорах, также возможны, если металл присутствует в сердцевине или в оболочке кабеля. Подвесные 0К, в отличие от подземных, более открыты воздействию внешних полей, поэтому в их металлических элементах возможны наведения электродвижущей силы (ЭДС) и токов, а следовательно, пробои изоляционных покрытий. Ток молнии в оболочке может вызвать пробой между оболочкой и сердцевиной. Разрушение оптического волокна возможно, если волокна находятся вблизи или на пути дуги или искрового пробоя. Частота прямых ударов молнии в воздушный кабель зависит от плотности ударов молнии на 1 км2 в год в данной местности, высоты и длины линии.
Когда происходит удар молнии с большой амплитудой тока в воздушный кабель, оболочка которого не соединена с землей, значительная часть тока молнии (J) образует дугу (перекрытие) от металлической оболочки по поверхности опоры или изолятора к земле. Если металлическая оболочка воздушного ОК в определенных местах заземлена, то возникновение повреждений зависит от двух величин:
При малых расстояниях между заземлениями (порядка 100 м) и низком сопротивлении заземления (менее 20 Ом) отраженная от заземления отрицательная волна гасит потенциал на оболочке кабеля. Если расстояние между заземлениями велико (свыше 300 м) и сопротивление заземления также большое (порядка 100 Ом), то отраженная от заземления волна не успевает погасить рост потенциала на оболочке и происходит пробой в середине участка между заземлениями.
Оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос высоковольтных линий электропередачи, обычно заранее защищены от возможных повреждений при грозе и температурного нагрева при коротких замыканиях высоковольтной линии с помощью выбранной конструкции троса.
Регламентирующие документы по защите оптических кабелей
Вопросы расчета вероятности повреждений и защиты оптических кабелей от ударов молнии рассматриваются в Рекомендации МСЭ-Т К-25. В разработке этого международного документа принимали участие и российские специалисты.
В России вопросы защиты подземных ОК с металлическими элементами в конструкции регламентированы "Руководством по защите оптических кабелей от ударов молнии". В зависимости от конструкции кабеля, типа металлической оболочки и брони О К разбиты на четыре категории молниестойкости, определяемые максимальным током, который кабель может выдержать при ударе в него молнии. В Руководстве приводятся сведения о допустимом числе опасных ударов молнии (от 0,1 до 0,5 на 100 км трассы в год в зависимости от назначения кабеля и района прокладки) и об уровне молниестойкости основных конструкций отечественных О К, а также таблицы вероятного числа повреждений ОК при различных условиях. Если уровень молниестойкости не соответствует условиям прокладки или вероятное число опасных ударов превышает допустимое, рядом с кабелем рекомендуется прокладка металлических грозозащитных проводов или тросов.
Воздействие токов коротких замыканий ЛЭП на металлические элементы ОК рассматривается аналогично воздействию этих токов на кабели с металлическими жилами (см. "Правила защиты установок связи от влияния линий электропередачи").
Воздействие грозовых разрядов на ОК без металлоэлементов в конструкции
Если ОК не имеет металла в своей конструкции и является полностью диэлектрическим, то, как правило, сам кабель даже при близком ударе молнии не повреждается. Однако передаваемая по ОК световая волна под действием внешнего электромагнитного поля молнии может испытать поворот плоскости поляризации, что приводит к увеличению поляризационной модовой дисперсии (ПМД). При небольших длинах реге-нерационного участка кабеля (менее 100 км) увеличение ПМД незначительно. Вместе с тем в последние годы происходит не только активное внедрение технологии волнового мультиплексирования WDM, но и наблюдается устойчивая тенденция повышения плотности волнового мультиплексирования вплоть до сверхплотного -High Dense WDM (HDWDM), применения распределенного усиления (рамановских усилителей) и увеличения длины усилительных и регенерацион-ных участков до нескольких сотен километров. В этих условиях, а также в тех случаях, когда подключенная к а-белю аппаратура чувствительна к поляризации волны, ПМД начинает играть существенную роль.
Рассмотрим подробнее ситуацию, когда источником ПМД становятся внешние электромагнитные поля, воздействующие на ОК.
Увеличение ПМД в электромагнитном поле
При воздействии электромагнитного поля на оптическое волокно происходит взаимодействие проходящего по волокну света с внешним полем, в результате чего изменяется плоскость поляризации световой волны, которая поворачивается на некоторый угол, зависящий от величины поля. Удар молнии в землю создает вокруг точки удара мощные электрические и магнитные поля. Поворот плоскости поляризации света происходит при взаимодействии поля волны в волокне с внешними поперечным электрическим и продольным магнитным полями. При ударе молнии в землю величина электрического поля может достигать сотен киловольт на метр, а поворот плоскости поляризации пропорционален квадрату величины поля. Угол поворота ф зависит от следующих характеристик:
Чем ближе величина Φ к 45°, тем больше составляющие поля по осям сечения волокна, тем выше ПМД и тем меньше длина регенерационного спектра.
В таблице приводятся значения частоты появления величины ф, большей чем ф0 при различных значениях
удельного сопротивления грунта, длине кабеля l = 100 км, средней грозодеятельности с числом дней с грозой в данной местности за сезон N = 25 при количестве ударов молнии в единицу площади q = 0,1 уд/км2·день.
Наиболее неприятным является поворот плоскости поляризации на 45°, при этом в волокне возникают две ортогональные волны большой величины, которые могут распространяться с разной скоростью, увеличивая общую дисперсию. Различие скоростей по осям приводит к отставанию импульса, поляризованного вдоль "медленной" оси, от импульса, поляризованного вдоль "быстрой" оси.
Как видно из таблицы, поворот плоскости поляризации на 45° при низком удельном сопротивлении грунта порядка 100 Ом.м на участке длиной 100 км происходит примерно один раз за 5-6 лет, а при р = 400 Ом.м уже примерно раз в два года. При р = 2000 Ом.м это случается ежегодно, а при р = 5000 Ом.м - 2-3 раза в год. Для разных типов грунта характерно различное удельное сопротивление:
Грозодеятельность и плотность ударов в землю в некоторых местностях - например, в южных районах страны и предгорьях - может значительно (в несколько раз) превышать принятые при расчете таблицы величины, и тогда количество случаев поворота плоскости поляризации за грозовой сезон соответственно возрастает. Это не приводит к повреждению кабеля, но коэффициент ошибок может существенно увеличиться, особенно при больших скоростях передачи. Длительность задержки и проскальзывания импульсов при каждом таком случае может достигать нескольких пикосекунд.
Мерой защиты от подобных воздействий является экранирование оптических волокон, однако при этом появляется опасность возникновения посторонних токов и напряжений в экране.
Воздействие электрического поля высоковольтной ЛЭП на подвесной ОК
Особый случай воздействия внешнего электромагнитного поля на оптический кабель возникает при подвеске диэлектрического ОК на опорах высоковольтной линии электропередачи (ЛЭП).
Основные высоковольтные линии электропередачи сосредоточены вблизи индустриальных центров; в этих же районах очень высок уровень запыленности атмосферы. Покрытая хотя бы небольшим слоем пыли поверхность подвесного О К даже при незначительном увлажнении становится проводящей. В результате при наличии электрического поля по поверхности оболочки протекает ток, приводящий к ее ускоренному старению, образованию следов на поверхности и даже к постепенному полному разрушению.
Увлажнение поверхности неметаллического подвесного ОК может происходить при дожде, росе, тумане. Загрязнение поверхности происходит постоянно вследствие процессов выветривания, выброса промышленных отходов и т.п.
Увлажнение загрязненных поверхностей приводит к растворению солей и резкому увеличению поверхностной проводимости о, до 2 - 40 мкСм/м. Величина горизонтальной составляющей напряженности электрического поля вдоль поверхности подвешенного кабеля на линиях 110-220 кВ может быть примерно 10 кВ/м, а поверхностный ток может варьироваться от 1,5 до 150 мА при плотности тока по поверхности от 0,03 до 3 мА/мм (по периметру окружности).
При протекании таких токов проводящий слой разогревается, но разогрев происходит неравномерно. Влага также испаряется неравномерно. Испарение влаги приводит к подсушиванию слоя грязи. Подсушивание отдельных участков вызывает увеличение плотности тока на остальных участках окружности, ускоренный их нагрев и образование подсушенной кольцевой зоны с повышенным сопротивлением. В итоге падение напряжения на этом участке увеличивается до тех пор, пока под действием напряженности поля не происходит пробой по подсушенной поверхности. От пробоев остаются следы (треки) на поверхности кабеля, что постепенно приводит к полному разрушению оболочки, а следовательно, и кабеля.
Время разрушения зависит от загрязненности атмосферы в данном районе, наличия химических производств с большим выбросом в атмосферу, влажности и других факторов, причем может составлять величину от нескольких месяцев до десятков лет. Методом защиты кабеля, подвешенного на ЛЭП, является его экранирование поверх оболочки.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #3, 2006
Посещений: 25730
Автор
| |||
В рубрику "Защита информации и каналов связи" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
