Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение оптических кабелей в тропическом климате Республики Союз Мьянма 9
1.1. Тенденции в развитии связи в Республике Союз Мьянма 9
1.2. Особенности применения оптических кабелей в тропическом климате Республики Союза Мьянмы 11
1.3. Обзор результатов ранее проведенных исследований по влиянию повышенной температуры, влажности и солнечной радиации на свойства материалов кабельных изделий 14
1.4. Современные конструкции подвесных и самонесущий оптических кабелей 20
Глава 2. Разработка теоретических моделей исследования и выбор математических методов обработки экспериментальных результатов 31
2.1. Моделирование распределения механической нагрузки на кабель в подвешенном состоянии 31
2.2. Моделирование изменения механических свойств кабеля в процессе длительной эксплуатации 33
2.3. Математические методы, используемые для обработки экспериментальных результатов 37
2.3.1. Метод наименьших квадратов 38
2.3.2. Определение коэффициента корреляций 39
2.3.3. Расчет доверительных границ 40
Глава 3. Экспериментальные исследования влияния механических и климатических факторов на характеристики подвесных и самонесущих оптических кабелей
3.1. Условия нсталяции кабелей 43
3.2. Изменение стрелы провиса кабеля в процессе испытаний 46
3.3. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 50
Глава 4. Прогнозирование долговечности подвесных и самонесущий оптических кабелей 58
4.1. Ускоренные испытания на растяжение подвесных и самонесущий кабелей 58
4.2. Установление предельного значения стрелы провиса 64
4.3. Прогнозирование допустимого срока службы подвесных и самонесущий кабелей 67
Заключение 69
Список литературы
- Обзор результатов ранее проведенных исследований по влиянию повышенной температуры, влажности и солнечной радиации на свойства материалов кабельных изделий
- Моделирование изменения механических свойств кабеля в процессе длительной эксплуатации
- Изменение стрелы провиса кабеля в процессе испытаний
- Прогнозирование допустимого срока службы подвесных и самонесущий кабелей
Обзор результатов ранее проведенных исследований по влиянию повышенной температуры, влажности и солнечной радиации на свойства материалов кабельных изделий
Эксплуатация кабелей и проводов на открытом воздухе в условиях тропического климата сопровождается интенсивным воздействием тепла, влажности и солнечной радиации. изменении цвета, Воздействие этих факторов может приводить к появлению на поверхности изоляции кабелей беспорядочной сетки мелких трещин. В отличие от теплового старения эти нарушения происходят не по всей толще, а лишь на внешней поверхности, тем не менее, наблюдаемые изменения материала изоляции могут сопровождаться потерей первоначальных физико-механических и электрических свойств. Степень этих изменений тем больше, чем активнее интенсивность воздействия. Исследованию стойкости кабельных изделий к воздействию тропического климата посвящена работа [6]. В данной работе проведены исследования долговечности проводов типа СИП-3 с полиэтиленовой изоляции. Провода типа СИП-3 эксплуатируют на открытом воздухе, при этом электрические параметры изоляции практически не изменились за время испытаний, а чувствительным к тепловому старению параметром является механический параметр: относительное удлинение при разрыве. Результаты показывают, что между относительным удлинением и временем старения существует постоянное соотношение. Константу скорости процесса старения при эффективной температуре эксплуатации использовано соотношение Аррениуса: -кг ко exp(-Еа/RT) (1.1) где ко предэкспоненциальный множитель; Еа эффективная энергия активации процесса старения; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура старения;
Далее используя уравнение (1.1) рассчитали константу скорости процесса старения при эффективной температуре эксплуатации, которая составила 4,7 10 6 мин."1 Задавшись допустимым значением относительного удлинения рассчитали срок службы провода, который составил 44 года, что подтверждает возможность длительного применения проводов типа СИП в тропическом климате.
Для повышения стойкости полиэтилена к тепловому старению начато в нашей стране в начале 50-годов прошлого века. В полиэтилен кабельных марок стали вводить специальные вещества — стабилизаторы, предназначенные для предохранения изоляции от разрушения при воздействии тепла и солнечного света. В работе [6] приведены результаты одних из первых длительных натурных испытаний пластических масс, используемых для изоляции кабелей. В процессе старения у пластмасс в первую очередь снижаются физико-механические характеристики. Рост температуры, и в особенности интенсивность солнечного света, существенно ускоряет этот процесс.
На рис. 1.3 показано изменение относительного удлинения образцов стабилизированного и не стабилизированного полиэтилена низкой плотности марки ОХК-501 в процессе атмосферного старения при открытой экспозиции. Как видно из рисунка, за четыре месяца испытаний относительное удлинение образцов полиэтилена снизилось до 70 %. При этом видно, что величина относительного удлинения образцов стабилизированного полиэтилена как в исходном состоянии, так и в начальный период старения, до четырех месяцев, несколько выше, чем нестабилизированного.
Изменение относительного удлинения образцов полиэтилена марки ОХК-501 толщиной 2 мм в процессе старения при открытой экспозиции: 1 — стабилизированный полиэтилен; 2 — нестабилизированный полиэтилен
Для замедления старения и защиты от солнечной радиации изоляционные материалы современных рецептур кабельных марок полиэтилена содержат достаточно эффективные стабилизаторы, в них добавляют светостабилизаторы, в частности в полиэтилен добавляют сажу (до 2,5%), которая придает полиэтилену и изделиям из него традиционный черный цвет и повышает стойкость материала к солнечным лучам. Это позволяет кабельной изоляции из полиэтилена надежно работать в течение нескольких десятилетий.
Оценку возможности длительной эксплуатации полиэтилена производят по величине индукционного периода окисления полиэтилена. В работе [6] использовали метод дифференциального термоанализа для определения индукционного периода окисления. Испытания проведены согласно международным нормам ISO 10837. Навеска образца изоляции кабеля, срезанная с поверхности в количестве 15 мг, помещали в камеру прибора, где нагревалась со скоростью 20 С/мин. в потоке инертного газа-носителя (азот) до температуры 200 С. По истечении 5 минут поток газа переключали на кислород, этот момент зафиксировали как «начало окисления». Интервал времени, определенный с «начала окисления» до начала экзотермического пика, принимали в качестве индукционного периода окисления.
В работе [6] индукционного периода окисления полиэтилена определяли по кривые изменения теплового потока во время проведения дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) в потоке воздуха при постоянной скорости нагрева от комнатной температуры до момента возникновения пика окисления. На рис. 1.4 приведена эта кривая.
Моделирование изменения механических свойств кабеля в процессе длительной эксплуатации
Аппарат для сварки типа «Fujikura 4SM 40S снабжен системой юстировки оптических волокон LID, которая предусматривает изгиб свариваемых волокон с малым радиусом, ввод в сердцевину одного из свариваемых волокон (через оболочку) оптического излучения и обнаружение этого излучения в сердцевине другого ОВ. Это позволяет выполнить автоматическую, под управлением микропроцессора, юстировку оптических волокон до обеспечения максимального уровня принимаемого оптического сигнала. Система типа LID позволяет обеспечить юстировку оптических волокон по их сердцевинам. Вместе с тем, в результате действия сил поверхностного натяжения при сварке ОВ может происходить смещение предварительно отъюстированных оптических волокон.
После соединения волокон образуется шлейф, который подключали через компенсационную катушку к рефлектометру типа «YOKOGAWA AQ7275» (рис. 2.5) Образец кабеля пропускали через систему роликов и закрепляли на стенде типа «РРК-ЕК2». Крепление образца осуществляли в специально сконструированных захватах, исключающих проскальзывание и раздавливание закрепляемых концов оптического кабеля, а также обеспечивающих осесимметричное приложение растягивающей нагрузки к образцу.
Оптический рефлектометр Yokogawa AQ7275 это универсальная модульная измерительная платформа, последняя разработка известной японской компании Yokogawa (ранее известной как ANDO). Измерительная платформа Yokogawa AQ7275 пришла на смену платформе Yokogawa AQ7270 и включила в себя ряд небольших усовершенствований и доработок. На данный момент Yokogawa AQ7270 снята с производства. Как и полагается измерительной платформе - Yokogawa AQ7275 универсальна. В первую очередь это, конечно же, оптический рефлектометр характеристики которого зависят от установленного оптического модуля. Кроме основного назначения Yokogawa AQ7275 – оптического рефлектометра, прибор может выполнять такие функции как источник стабилизированного оптического излучения, оптический измеритель мощности и источник видимого излучения (визуализатор дефектов VFL). Все эти функции входят в базовый комплект поставки платформы и не зависят от установленного оптического модуля (опции). С изменением опции изменяются только длины волн и динамический диапазон. В данной работе измерения затухания сигнала в оптическом волокне проводили на длине волны 1550 нм.
Оптический рефлектометр Yokogawa AQ7275 традиционно обладает широким функционалом. У него присутствует возможность автоматической настройки на параметры линии, в этом режиме оператор не делает никаких настроек – прибор сам на основании анализа оптической линии выбирает оптимальные параметры измерения. Также для удобства работы есть режим «помощник измерений», который комментирует каждое действие пользователя, подсказывая ему параллельно с измерениями, это очень полезно, когда оператор затрудняется выбрать один из параметров. Получив же комментарий, оператор видит какой из доступных режимов больше подходит для данной ситуации. Еще одной важной функцией у рефлектометра Yokogawa AQ7275 является проверка наличия оптического излучения в измеряемой линии. Если эта функция активирована, то прибор сообщит о наличии излучения в оптическом волокне и прекратит проведение измерения для того, чтобы исключить возможность повреждения прибора [11].
Для наилучшего математического описания экспериментальных результатов получаемые данные представляли в виде диаграмм рассеяния, которые состоят из оси x (горизонтальная ось), оси y (по вертикальная ось), а также ряда точек. Каждая точка на диаграмме рассеяния представляет собой одно наблюдение из набора данных. Положение точки на диаграмме рассеяния определяют значения переменных x и y. Диаграмма рассеяния представляет собой графический инструмент, используемый для отображения отношений между двумя количественными переменными.
В уравнениях (2.6), (2.7) и (2.8) для наиболее точной оценки истинных значений коэффициентов использовано интервальное оценивание связанных со стандартными ошибками статистики полученных результатов. Поскольку нет никаких оснований рассчитывать на то, что выборочное среднее будет в точности равно генеральному среднему значению параметра, то возникает необходимость точно оценить интервал (доверительные границы), предположительно включающий истинное среднее измеренного параметра. Выборочное распределение среднеарифметических значений параметра принимает вид нормального распределения со средним, равным среднему выборочному значению, и со стандартным отклонением, равным стандартной ошибке среднего. Для оценки правильности принятия того или иного уравнения для математического описания полученных экспериментальных зависимостей рассчитывали коэффициент корреляции.
Для математического описания полученной экспериментальной зависимости, имеющей признаки линейного характера уравнения регрессии, целесообразно использовать метод наименьших квадратов.
Поскольку результаты эксперимента носят случайный характер, можно предположить нормальное распределение результатов эксперимента. Среднеквадратическая ошибка при аппроксимации, согласно методу наименьших квадратов, должна быть рассчитана по уравнению:
Изменение стрелы провиса кабеля в процессе испытаний
Под действием растягивающего усилия с течением времени происходит вытяжка кабеля и, следовательно, меняется стрела провиса. Кроме того, в зависимости от времени года меняется температура, которая так же влияет на стрелу провиса. В осенние месяцы стрела провиса медленно уменьшается, когда становится прохладнее, и начинает увеличиваться с окончанием зимы от весны к лету. На рис. 3.2 представлена диаграмма рассеяния параметра – стрела провиса, для кабеля марки ОПЦ-4А-4 в течение одного года. Из этой диаграммы можно видеть, как изменяется стрела провиса в течение года старения кабеля. На рис. 3.3 представлена диаграмма параметра – температура окружающей среды во время замера стрелы провиса[135].
Изменение температуры в течение года при наблюдении за стрелой провиса кабеля Растягивающее усилие приводит к вытяжке кабеля, которая имеет место для всех типов кабелей, но зависит от конструкции кабеля и материалов, используемых в качестве армирующих элементов. Величина вытяжки определяется так же величиной растягивающего усилия. Условия, при которых вытяжка кабеля при эксплуатации будет наибольшей, определяются с одной стороны условиями подвески: длина пролета, стрела провеса; внешними климатическими нагрузками: температура, ветровая нагрузка, оседание пыли, снега, обледенение и с другой стороны конструкцией и свойствами материалов, используемых для изготовления кабеля.
По результатам проведенных исследований удалось определить уравнения для подвесных и самонесущих оптических кабелей, характеризующих изменение стрелы провиса кабеля в зависимости от времени экспозиции и температуры.
Расчеты показали, что зависимость стрелы провиса от длительности воздействия растягивающей нагрузки для кабеля марки ОПЦ-4А-4 можно описать уравнением регрессии аналогичным (2.6): 5(т) = А 1п(т) + В (3.1) где т - длительности воздействия растягивающей нагрузки, дней; А, В- коэффициенты уравнения (3.1). Зависимость стрелы провиса от температуры этого же кабеля можно описать уравнением аналогичным (2.7): S(T) = С Т + D (3.2) где Т - температура окружающей среды, С Расчетные зависимости стрелы провиса от длительности воздействия растягивающей нагрузки для кабеля марки ОПЦ-4А-4 уравнением: 5(т) = 0,033 1п(т) + 0,57 (3.3) Расчетные Зависимости стрелы провиса от температуры этого же кабеля можно описать уравнением аналогичным (2.7): S(T) = 0,005 Т + 0,54 (3.4)
Полученные зависимости (3.1) и (3.2) представлены графически на рис. 3.4 и 3.5. Зависимость изменения стрелы провиса от температуры построена из условия, что за короткий промежуток времени, в течение трех месяцев, влияние старения кабеля значительно меньше, чем влияние температуры. Из рисунка отчетливо виден линейный характер уравнения регрессии.
Зависимость стрелы провиса кабеля марки ОПЦ-4А-4 от длительности воздействия растягивающей усилия при одинаковой температуре +12 С При построении зависимости, представленной на рис 3.5, исходили из условия равенства температуры в момент измерения стрелы провиса, при этом учитывали лишь время старения кабеля.
На этих рис. 3.4 и рис. 3.5 линии представляют собой расчетные результаты, а точками показаны экспериментальные результаты, которые выбраны из множества данных фактических результатов измерений стрелы провиса при определенных условиях. Расчетные результаты хорошо совпадают с данными экспериментальных исследований. Контроль затухания сигнала в оптическом волокне показал, что за время старения кабеля в натурных условиях этот параметр практически не изменился, т.е. кабель сохраняет свою работоспособность[135]. 3.3 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований
В ходе дальнейших исследований с целью подтверждения общего характера полученных уравнений набрана статистика данных измерений стрелы провиса для всех марок кабелей, исследованных в данной работе, инсталлированные при различной исходной стреле провиса и подвешенные на опоры, стоящие на различном расстоянии друг от друга. Одновременно с измерением стрелы провиса фиксировали температуру окружающей среды. По результатам экспериментальных исследований построены диаграммы рассеяния параметра – стрела провиса. Далее с использованием метода наименьших квадратов на диаграммах рассеяния построены зависимости стрелы провиса кабеля от температуры (графики на рис. 3.6 3.10) и от времени старения (графики на рис. 3.11 3.15). Построение этих графиков позволило определить значения коэффициентов в уравнениях регрессии (3.1) и (3.2)[137].
Прогнозирование допустимого срока службы подвесных и самонесущий кабелей
Расчёты показали, что представленные зависимости являются линейной аппроксимацией диаграмм рассеяния вышеназванных параметров по методу наименьших квадратов.
Предельное удлинение кабеля соответствовало либо обрыву кабеля, либо возрастанию затухания сигнала в оптическом волокне кабеля выше допустимого значения 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм.
Исследованные образцы кабелей имеют различную конструкцию, в том числе имеют различные силовые элементы, обеспечивающие регламентируемую механическую прочность. Кабель марки ОСД-4х4А-8 (рис.1.4) содержит периферийный силовой элемент в виде обмотки арамидными нитями. Арамидные нити [3], использованные в данном кабеле, имеют в нормальных условиях следующие механические параметры: – предел прочности при растяжении до разрыва лежит в диапазоне мак=(50240) сН/текс; – модуль упругости лежит в диапазоне Е=(60160) ГПа. Кабель марки ОПД-8х4А-12 (рис.1.2) содержит центральный силовой элемент в виде стеклопластикового стержня и вынесенный силовой элемент в виде стального троса. Стальной трос [138], использованный в данном кабеле, имеет в нормальных условиях следующие механические параметры: – предел прочности при растяжении до разрыва мак=240 МПа; – модуль упругости лежит в диапазоне Е=210 ГПа.
Стеклопластиковый стрежень, использованный в данном кабеле, имеет в нормальных условиях следующие механические параметры: – предел прочности при растяжении до разрыва мак=1700 МПа; – модуль упругости лежит в диапазоне Е=55 ГПа.
Кабель марки ОПЦ-4А-4 (рис.1.4) содержит вынесенный силовой элемент в виде стального троса, с теми же параметрами, что в кабеле марки ОПД-8х4А-12 (рис.1.2).
Кабель марки ОСЦ-4А-6 (рис.1.5) содержит вынесенный силовой элемент в виде обмотки арамидными нитями, с теми же параметрами, что в кабеле марки ОСД-4х4А-8.
Рассматриваемые кабели имеют наружную защитную оболочку из полиэтилена, которая при растяжении имеет весьма большое удлинение, поэтому вклад этой оболочки в механическую прочность при растяжении кабеля не значителен.
Исследования подвесные и самонесущие оптических кабелей, проведенные в данной работе, а также результаты ранее проведенных исследований [138], показали, что силовые элементы конструкции подвесных и самонесущих оптических кабелей принимают механическую нагрузку на себя. Из этого следует, что для подвесных и самонесущих кабелей определяющим критерием по оценке долговечности являются механические характеристики силового элемента.
Оптическое волокно при этом испытывает самые незначительные напряжения. Об этом можно судить из графиков, приведенных на рис. 4.1, 4.3, 4.5 и 4.7, которые свидетельствуют о слабой зависимости затухания сигнала в оптическом волокне вплоть до обрыва кабеля. Вместе с тем, для каждой марки кабеля, по этим зависимостям можно установить допустимую величину удлинения, когда величина затухания сигнала в оптическом волокне начнет превышать предельно допустимое значение, в нашем случае 0,22 дБ/км. Полученные в ходе экспериментальных исследований аналитические зависимости могут быть использованы для оценки долговечности самонесущие оптических кабелей. 4.3. Прогнозирование допустимого срока службы подвесных и самонесущий кабелей
Полученные в ходе экспериментальных исследования результаты позволяют прогнозировать поведение подвесных и самонесущих оптических кабелей в условиях тропического климата при длительной эксплуатации.
В процессе инсталляции к кабелям прикладывают растягивающее усилие, которое не превышает 10-й доли от допустимого, поэтому при таком усилии кабель практически не растягивается. Относительное удлинение кабеля составляет тысячные доли процента.
При длительном старении кабель растягивается, о чем свидетельствует рост стрелы провиса, и, следовательно, растет относительное удлинение кабеля. Как показали результаты экспериментов, приведенные в предыдущем параграфе, рост относительного удлинения кабеля приводит к росту затухания сигнала в оптическом волокне кабеля.
Используя уравнения (4.1) и другие зависимости затухания сигнала в оптическом волокне кабеля и задавшись допустимым значением затухания можно рассчитать допустимое относительное удлинение кабеля. Между относительным удлинением и стрелой провиса существует соотношение: каб = 1 + тг (4-9) По величине допустимого относительного удлинения кабеля устанавливаем допустимую стрелу провиса в процессе старения кабеля. Затем рассчитываем срок службы кабеля по уравнению: т = ехр(—) (4.10)
Приведем пример расчета срока службы кабеля марки ОПЦ-4А-4. Задавшись допустимым затуханием сигнала в оптическом волокне кабеля равным 0,20 дБ/км с помощью уравнения (4.3) рассчитаем допустимое удлинение кабеля, которое составило 0.02 м. Если при инсталляции кабель подвешивали со стрелой провиса 1,0 % или 0,5 м, то к концу срока службы стрела провиса не должна превысить 0, 76 м. Используя уравнение (4.10) и зная значения коэффициентов (А) и (В) для кабеля марки ОПЦ-4А-4, приведенные в табл. 3.3, рассчитываем срок службы. Расчет показал, что срок службы кабеля составляет не менее 25 лет.
Таким образом, ускоренный метод определения долговечности подвесных и самонесущих оптических кабелей включает в себя проведение испытаний кабелей на растяжение с усилием, при котором рост затухания сигнала в оптическом волокне кабеля достигает допустимого значения. Затем, используя известные зависимости стрелы провиса от времени старения рассчитывают срок службы кабеля.