Содержание к диссертации
Введение. 4-13
Глава 1. Анализ совместного использования трасс силовых кабелей и кабелей связи.
1.1. Совместная прокладка силовых кабелей и кабелей
связи. 14-20
-
Возможности совместной прокладки силовых и оптических кабелей.
-
Состояние сети подземных силовых кабелей.
-
Температурные характеристики оптических волокон, оптических кабелей, муфт и соединителей. Выводы.
Глава 2. Прокладка оптического кабеля внутри конструкции силового кабеля.
-
Температура внутри конструкции силового кабеля. 60 - 65
-
Расчет теплового сопротивления одножильного
силового кабеля. 65 - 67
2.3. Расчет теплового сопротивления многожильных
кабелей. 67-69
2.4. Расчет тепловых потерь силового кабеля в
зависимости от времени. 69 - 75
Выводы. 76
Глава 3. Прокладка оптического кабеля с силовым кабелем в грунте, канализации и туннеле.
-
Прокладка силового кабеля непосредственно в грунте. 77 - 78
-
Прокладка силового кабеля в канализации. 78 -105
-
Прокладка силового кабеля в туннеле. 105
-
Изменение удельного сопротивления земли
под воздействием влаги и температуры. 105 - 119
3.5. Определение термического сопротивления
окружающей среды при прокладке кабеля в земле. 119 - 121
3.6. Определение термического сопротивления
окружающей среды при прокладке кабеля в
каналах и блоках канализации. 121 - 123
3.7. Исследование характеристик ОВ, ОС и ОК,
проложенных в земле. 123-132
Выводы. 133
Глава 4. Определение коэффициента взаимной индукции между силовым кабелем и оптическим кабелем при совместной прокладке.
4.1 Глубина проникновения электромагнитного
поля в толщу земли. 134 - 136
4.2. Точное решение коэффициента
взаимной индукции между однопроводными
цепями при различных структурах земли. 136 - 137
4.3. Модель влияния между силовой и
оптической кабельными линиями, проложенными
в одной траншее. 137-139
4.4. Учет прокладки силовой и оптической
кабельными линиями в одной траншее. 139 - 142
4.5. Корректирующий член при наличии
вертикальных слоев земли. 142 - 143
4.6. Силовая и оптическая кабельная линия в туннеле. 143-146
Выводы 147
Глава 5. Рекомендации по совместной прокладке силовых и оптических
кабельных линий.
-
Методика определения воздействия температуры на оптический кабель, проложенный в одной траншее с силовым кабелем.
-
Расчет с учетом первичного теплового воздействия силового кабеля. Выводы.
Заключение.
Библиография.
Приложение 1. Коэффициенты защитного действия (экранирования) и параметры металлических покровов оптических кабелей.
Приложение 2. Документы о внедрении результатов работы. 175-177
Введение к работе
Сеть связи представляет собой комплекс сооружений, содержащих различные направляющие системы, среди которых важное место занимают оптические кабели связи [1]. Оптические кабели и оборудование связи подвержено воздействию внешних электромагнитных полей различных источников. В таблице 1 приведены основные внешние источники, воздействующие на оптические кабели связи и системы связи и создающие опасность для линий связи, оборудования и обслуживающего персонала. В настоящее время известно, что нет кабельной магистрали, которая не имела бы сближения с линией электропередачи или электрифицированной железной дорогой. Вместе с тем в грозовые сезоны отмечается значительное повреждение кабельных магистралей и линий электропередачи. Имея сближения с линиями связи, грозовые отключения линий электропередачи приводят к грозовым повреждениям и на линиях связи, усугубляющимися воздействием токов короткого замыкания на высоковольтной линии. Согласно статистике (1) доля однофазных коротких замыканий на В Л составляет в среднем, на В Л с глухим заземлением нейтрали, 110-750 кВ 75-85% [2, 3, 4].
Если на В Л происходит 1-2 повреждения на 100 км линии в год, то эл.ж.д. переменного тока 10-15 повреждений на 100 км линии в год.
Поэтому существует определенная опасность повреждения оптических кабелей связи от электромагнитных воздействий.
Очень перспективными на сети связи являются полностью диэлектрические кабели связи, не подверженные воздействию сильных электромагнитных полей. Однако их применение требует новых решений, в части функционирования линий связи, таких как защита кабеля и, особенно, волокон от механического воздействий (температуры, землетрясений, вечная мерзлота, подвижка пластов, оползни, селевые потоки, камнепады), повреждения грызунами и насекомыми, обеспечения электропитания необслуживаемых пунктов, передачи сигналов телеконтроля, телемеханики и служебной связи, обнаружения трассы подземного кабеля при необходимости ремонта линии на загородных участках, от проникновения паров воды с примесями и другими источниками атомарного водорода, способствующего коррозии кварцевых волокон [1].
Актуальность работы.
Кабели с металлическими элементами в настоящее время широко используются в подземных, подвесных, подводных конструкциях на магистральных, зоновых и местных сетях, в районах с вечно-мерзлотными и оползневыми участками, в местах обитания большого количества грызунов.
Следует различать две большие группы ОК:
Диэлектрические;
С металлическими элементами.
Первую и вторую группы можно разделить на три подгруппы:
Таблица 1
Источники, создающие опасные влияния на оптичеких кабелях связи
электроэнергия высоковольтные линии энергоподстанции внеземные магнитные бури I естественные земные атмосферное электричество искусственные электрифициро ванные железные дороги а) OK, содержащие армирующие элементы (диэлектрические или металлические) в центре конструкции кабеля; б) ОК, содержащие армирующие элементы по периферии оптического сердечника; в) ОК, содержащие армирующие элементы и в центре и на периферии.
При выборе того или итого типа оболочек (диэлектрическая, металлическая, металло-диэлектрическая) необходимо рассматривать большое число различных факторов, кроме электромагнитного воздействия: генерация атомарного водорода; климатические условия; проникновение воздуха; сопротивление проникновению примесей; механическое сопротивление; диаметр кабеля; вес кабеля; термостойкость и огнестойкость; сопротивление грызунам и насекомым; метод соединения оболочки на строительных длинах. Рассматриваемые конструкции ОК относятся к группе кабелей с активными и пассивными металлическими элементами, поэтому важным моментом является вопрос электромагнитной совместимости ОК в условиях воздействия сильных электромагнитных полей.
Согласно рекомендации К-19 МСЭ-Т 1980 г. совместная прокладка кабелей электросвязи и силовых кабелей в траншеях и туннелях при благоприятных условиях может иметь следующие преимущества: - снижение общих затрат; более рациональное использование доступной площади для подземных сооружений; сокращение объема дорожно-ремонтных работ и, как следствие, сокращение задержек транспорта; более точно выполняемое разделение силовых кабелей и кабелей электросвязи.
Силовые кабели и кабели электросвязи, как правило, прокладывают в земле глубже, чем кабели электросвязи [5].
Силовые кабели и кабели электросвязи должны располагаться на надлежащем расстоянии друг от друга в зависимости от: напряжения силового кабеля; типа силового кабеля; типа кабеля электросвязи; вида изоляционного материала, разделяющего кабели. Минимальное расстояние оговаривается в национальных стандартах.
Национальные стандарты могут допускать меньшие расстояния при следующих условиях: силовой трехфазный кабель с общей оболочкой в качестве нейтрали имеет низкое напряжение, а кабель электросвязи имеет заземленную броню; кабели разделены бетонными перегородками или аналогичными материалами.
Для безопасности персонала, занятого земляными работами, высоковольтные силовые кабели должны иметь надежные защитные ограждения, выполненные из подходящих материалов (кирпич, бетон и т.д.).
Во избежание чрезмерно большой опасности повреждений и помех в кабелях электросвязи от влияния силовых кабелей необходимо соблюдать указания Директив. Такие последствия можно особенно ожидать, когда: a) силовой кабель является частью сети с глухозаземленной нейтралью; b) все три фазовых провода силовой линии являются отдельными кабелями (например, силовая линия с тремя отдельными однофазными кабелями); c) токи в силовых линиях содержат большое число гармоник. Опасность и помехи отсутствуют, если: силовой кабель работает в нормальном режиме эксплуатации, а в случае трех отдельных однофазных кабелей они должным образом расположены и транспонированы; длина параллельного участка сближения сравнительно невелика (например, несколько сотен метров).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Целью работы является исследование и разработка методики расчета воздействия электромагнитного и теплового поля силовых кабелей на оптические кабели связи при их прокладке в одной траншее или канализации.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
Проведен сравнительный анализ существующей практики совместной прокладки силовых кабелей и кабелей связи.
Разработана единая методика расчета электромагнитного и теплового влияния силовых кабелей на оптические кабели с металлическими элементами.
Разработана методика расчета теплового влияния силовых кабелей на полностью диэлектрические конструкции ОК.
Определены критические длины совместной прокладки силовых кабелей с ОК с учетом специфики прокладки ОК.
Разработаны рекомендации по совместной прокладке силовых кабелей и ОК.
6. Определены условия воздействия теплового поля на характеристики передачи по ОВ.
7. Определены значения магнитного влияния на металлические элементы ОК без учета теплового поля, так и с учетом теплового поля.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы теории электромагнитного поля, электродинамики, теплотехники, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, методы и средства вычислительной математики и вычислительной техники.
Научная новизна.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:
1. Впервые решена задача совместного воздействия электромагнитного и теплового поля силового кабеля на оптические кабели связи.
Разработана единая методика расчета влияния силовых кабелей на оптические кабели связи при их совместной прокладке.
Полученная методика позволяет определить критические длины совместной прокладки силовых кабелей и кабелей связи при их ненормированных расстояниях.
Решены задачи совместной прокладки силовых и оптических кабелей в одной траншее, в канализации, в туннеле, в единой конструкции с учетом теплового поля и электромагнитного поля силового кабеля и с учетом вторичного поля (электромагнитного и теплового) оптического кабеля связи.
Предложена конструкция ОК с металлическими элементами, позволяющая значительно уменьшить влияние вторичного поля.
6. Предложены рекомендации по возможности использования совместной прокладки силового и оптического кабелей.
Практическая ценность.
Материалы диссертационной работы вошли в хоздоговорные НИР «Аспект», 1999 г. - 2000 г., которые выполнялись в научно-исследовательской лаборатории НИЛ-17 научного центра Московского технического университета связи и информатики.
Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре Линий связи для дипломного проектирования и в курс лекций «Линии связи» факультета МЭС МТУСИ.
Публикации.
По теме диссертационной работы автором опубликовано 18 печатных работ, в том числе 5 единолично, получено одно положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Апробация результатов.
Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на ежегодных научно-технических конференциях МТУСИ в 1998 -2002 гг., а также на ежегодной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова в 1999, 2001, 2002 гг. и Международной конференции информатизации 1999-2002 гг.
Внедрение результатов работы.
Практические и теоретические результаты диссертации были использованы в научно-исследовательской работе «Аспект» Министерства связи РФ, в учебном процессе МТУСИ, в патентах на изобретение, что подтверждено соответствующими документами.
Структура и объем диссертации.
Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 174 страницах машинописного текста, в том числе 64 рисунках, 58 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 159 наименований, а также документов о внедрении результатов работы.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика расчета электромагнитного влияния силового кабеля на оптический кабель связи с учетом воздействия теплового поля силового кабеля на изменение удельного сопротивления земли.
Методика расчета внешнего теплового поля силового кабеля, проложенного непосредственно в земле.
Методика расчета внешнего теплового поля силового кабеля, проложенного в блоках канализации.
Методика расчета внешнего теплового поля силового кабеля в зависимости от времени.
5. Воздействие электромагнитного и теплового поля силового кабеля на оптические кабели, проложенные в одной траншее.
Разработка рекомендаций по использованию малых расстояний сближения силового кабеля с оптическим кабелем на длинах большой протяженности.
Воздействие теплового поля силового кабеля на передаточные параметры ОВ в ОК.
Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, предмет исследования, методы исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ совместного использования трасс силовых кабелей и кабелей связи. Показано, что во всех развитых странах используется совместная прокладка силовых кабелей и кабелей связи как в одной траншее, так и в канализации и туннеле. При этом минимальные расстояния между силовым кабелем и кабелем связи определяются национальными правилами и рекомендациям К-19 Международного союза электросвязи. Длина совместной прокладки этих кабелей ограничивается не столько опасным влиянием на медные жилы кабелей, сколько помехами в телефонном канале. Учитывая то, что оптическое волокно не подвержено воздействию сильного электромагнитного поля было предложено также использовать оптические кабели для совместной прокладки не только в одной траншее, канализации и туннеле, но и в конструкции непосредственно самого силового кабеля. При этом возможности совместной прокладки никак не ограничиваются мешающими влияниями.
Однако большое число конструкций оптических кабелей содержат металлические армирующие элементы, и это усложняет задачу совместной прокладки оптических кабелей и силовых кабелей в одной траншее.
Исследования отечественной и зарубежных силовых сетей показывают на участках распределительной сети их допустимые протяженности и достаточно высокую аварийность. На примере распределительной кабельной силовой сети США показано, что в первые пять лет эксплуатации повреждаются большей частью кабельные муфты, а в дальнейшем преобладают повреждения кабеля за счет старения изоляции.
Показано, что допустимые температуры силовых проводников в нормальном режиме эксплуатации не превышают 85 - 90С, при перегрузках 110-130 С, ав режиме короткого замыкания 250 С.
Показано, что температурные характеристики оптических волокон не должны превышать +85 С, оптического кабеля, соединителей, муфт -60С.
Отмечается, что превышение указанных положительных температур может привести к увеличению затухания оптического волокна и увеличению числовой апертуры.
Вторая глава посвящена исследованию возможности создания совместной конструкции силового и оптического кабеля.
Во второй главе рассматривается тепловое уравнение внутри силового кабеля на проводнике, изоляции и в канализации.
На основании решения теплового уравнения получено распределение теплового поля в течение 40 часов как при изменении нагрузки в течение суточного цикла, так и в случае нестационарного процесса.
Были определены тепловое сопротивление окружающей среды, тепловое сопротивление защитных покровов, суммарные потери в кабеле с учетом температуры окружающей среды.
Учитывая, что температура в силовом кабеле в нормальном режиме находится в пределах 85С, а в режиме перегрузки 110С, а в аварийном режиме может достигать 250С необходимо, чтобы конструкция оптического кабеля выдерживала самые высокие температуры до 250С. Другими словами, следует создать конструкцию оптического кабеля в силовом кабеле с высоким уровнем термозащиты, кроме того, следует ограничить уровень напряжения силового кабеля, в котором используется оптический кабель.
Одним из важных ограничений, кроме температуры, является малая строительная длина силового кабеля (не более 520 м для уровня напряжения 20-35кВ).
Экспериментальные изменения температур в нормальном режиме в течение суточного цикла показывают, что температура может изменяться от 70С до 92 С при нормальных условиях эксплуатации.
Для силовых кабелей с изолированной нейтралью при относительно малых нагрузочных токах возможно размещение ОК в конструкции силового кабеля. При этом оптический кабель должен иметь внешнее термозащитное покрытие из этиленпропиленовой резины или из сшитого полиэтилена, предельная температура которых в аварийном режиме работы силового кабеля составляет 250 С.
Однако с позиции отрасли связи использование оптического кабеля внутри конструкции силового кабеля следует считать нецелесообразным из-за малых строительных длин СВК, вследствие большого числа соединений ОВ на малых длинах. Вместе с тем для специального использования в энергосистемах, для случаев релейной защиты и автоматики, оптические волокна специального назначения могут быть использованы в конструкциях силового кабеля (СВК).
В третьей главе на основании теоретических и экспериментальных исследований второй главы рассмотрены температурные характеристики силового кабеля непосредственно в грунте, канализации и туннеле. При прокладке силового кабеля непосредственно в траншее, температура внутри кабеля не превышает допустимых значений в нормальном режиме. Представленные графики изменения температуры от времени внутри силового кабеля при различных изменениях нагрузки в течение 24 часов показывают значительные изменения температуры внутри кабеля и в траншее особенно при различных переходных процессах внутри силового кабеля.
Температура внутри силового кабеля может достигать 110С и выше, а снаружи силового кабеля до 70 С. Отмечается, что температура на поверхности кабеля возрастает с течением времени (исследования проводились 41 день) и возрастает до 80 С за счет высушивания грунта.
Рассмотрены изотермические кривые в однородной земле для однофазного и трехфазных силовых кабелей, и определены условия прокладки оптических кабелей совместно в одной траншее. Представлены также изотермические кривые при прокладке силового кабеля в бетонных канализационных блоках и определена температура в земле для различных блоков канализации силового кабеля.
Показано, что температура снаружи канализации, в земле изменяется в пределах 42 - 48 С, а при переходных режимах поднимается до 55-60 С.
Рассмотрено также изменение температуры в туннеле при прокладке в нем силового кабеля, как в течение короткого срока, так и в течение нескольких лет.
Рассмотрено изменение удельного сопротивления земли при прокладке силового кабеля за счет высыхания грунта. При этом изменяется теплопроводность грунта.
Получены формулы для расчета термического сопротивления окружающей среды при прокладке силового кабеля в земле, в блоках и каналах.
Учитывая широкие экспериментальные исследования температурных режимов силовых кабелей, были рассмотрены характеристики ОВ, ОС и ОК, проложенных в земле. Были использованы материалы норвежских исследователей, которые показали изменение передаточного параметра - затухания ОВ, ОС и ОК в течение 10-15 лет как под действием временного фактора, так под действием температуры.
В четвертой главе рассмотрены вопросы электромагнитного влияния силового кабеля на оптических кабель, имеющий металлические армирующие элементы, причем, кабели проложены в одной траншее при расстояниях между ними 0,1 м; 0,25 м; 0,5 м; 1,0 м. Получены новые выражения для коэффициента взаимной индукции при малых расстояниях между влияющей и подверженной влиянию линией.
Одновременно с расчетом электромагнитного влияния учитывалось влияние теплового поля силового кабеля на окружающий грунт. Вследствие изменения теплопроводности грунта изменяется и удельное сопротивление грунта и, следовательно, коэффициент взаимной индукции. В результате увеличивается продольная ЭДС на металлических элементах, и под действием протекающего тока в металлических элементах возникает вторичное тепловое поле, которое также может оказать воздействие, как на окружающий грунт, так и на диэлектрические элементы оптического кабеля связи. За счет изменения температур рассматривается неоднородная структура земли. Получены новые корректирующие выражения для более точной оценки электромагнитного влияния для совместной прокладки СВК и ОК в траншее и в туннеле.
В пятой главе разработана методика воздействия температуры на оптический кабель, проложенный в одной траншее с силовым кабелем.
Оптический кабель полностью диэлектрической конструкции подвержен воздействию теплового поля силового кабеля, проложенного с ним рядом. Учитывая температурный режим оптического и силового кабеля, силовой кабель не представляет серьезной опасности для оптического кабеля, проложенного в одной траншее с силовым кабелем.
Оптический кабель, содержащий металлические армирующие элементы и проложенный с силовым кабелем в одной траншее подвержен воздействию теплового и электромагнитного полей силового кабеля и наведенного электромагнитного и теплового полей металлических армирующих элементов оптического кабеля.
В 3 и 4 главах отмечалось, что поле силового кабеля изменяет термическое и удельное сопротивление окружающего грунта, за счет воздействия температуры силового кабеля.
Впервые представлена методика учета одновременного воздействия электромагнитного и теплового поля силового кабеля на оптический кабель с металлическими элементами, проложенный в одной траншее с силовым кабелем. Первым шагом при решении поставленной задачи - определение продольной ЭДС на металлических элементах оптического кабеля под воздействием теплового поля силового кабеля, изменившего удельное сопротивление земли, следующим шагом является определение теплового воздействия наведенного тока на ОК, находящийся в тепловом поле силового кабеля (t=50 - 60 С).
Порядок вычисления проводится для нормального режима работы силового кабеля при максимальном значении тока нагрузки и в аварийном режиме при максимальном значении тока короткого замыкания.
В результате определяются критические длины совместной прокладки силового и оптического кабелей в одной траншее при расстояниях 0,1 м; 0,5 м; 0,25 м.
Рассмотрена методика, применительно к запатентованной конструкции ОК, которая позволяет уменьшить тепловое воздействие металлических армирующих элементов ОК на диэлектрические элементы ОК.
В заключении приведены основные результаты диссертации.
В приложении приведены: коэффициенты защитного действия (экранирования) и параметры металлических покровов оптических кабелей; документы о внедрении результатов работы.
