Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Грозоповреждаемость подземных кабельных линий связи 15
Общие положения 15
1.1. Расчетная и фактическая грозоповреждаемости оптических кабельных линий связи с металлическими элементами 17
1.2. Избирательная грозопоражаемость подземных оптических кабельных линий связи 24
1.3. Влияние продолжительности грозовой деятельности на повреждаемость оптических кабелей 34
1.4. Особенности грозовых явлений в исследуемой зоне 57
1.5. Графические решения для определения ожидаемой грозоповреждаемости оптических кабелей в исследуемой зоне 73 Выводы 78
ГЛАВА 2. Удельное сопротивление земли 80
Общие положения 80
2.1. Основные свойства почвы исследуемой зоны 82
2.2. Распространение токов молний в земле 89
2.3. Определение проводимости земли для расчета вероятной плотности повреждений оптического кабеля 101
2.4. Экспериментальные измерения удельного сопротивления почвы в исследуемом районе 107
Выводы 115
ГЛАВА 3. Уточнение теории влияния грозовых разрядов применительно к оптическим кабелям с металлическими элементами 116
Общие положения 116
3.1. Разработка методики определения пробоя пластмассовой оболочки оптического кабеля при попадании в него тока молнии 118
3.2. Методика определения напряжения цепи «металлическая оболочка - броня» 127
3.3. Расчет напряжения цепи «металлическая оболочка - броня» оптического кабеля 137 Выводы 151
ГЛАВА 4. Защита оптических кабелей от грозовых разрядов 154
Общие положения 154
4.1. Оценка вероятной плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии 155
4.2. Перехват токов молнии 174
4.3. Конструкции схем защиты оптических кабелей от грозовых разрядов 179
Выводы 187
Заключение 188
Литература
- Расчетная и фактическая грозоповреждаемости оптических кабельных линий связи с металлическими элементами
- Основные свойства почвы исследуемой зоны
- Разработка методики определения пробоя пластмассовой оболочки оптического кабеля при попадании в него тока молнии
- Оценка вероятной плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии
Введение к работе
Оптические кабели, в отличие от электрических, имеют малый диаметр, и как следствие, большое омическое сопротивление металлических элементов, а также высокую электрическую прочность диэлектрических конструктивных элементов.
Наиболее мощным источником опасных влияний на оптические кабельные линии связи являются грозовые разряды. Повреждаемость подземных оптических кабельных линий связи при грозовых разрядах -одна из причин существенного снижения эксплуатационной надежности сети.
Согласно данным статистики, повреждения от ударов молнии на кабельной сети составляют около 11% от всех повреждений. Между тем, опыт эксплуатации показывает, что в районах со специфическими климатическими, геологическими, рельефными и другими условиями эта цифра может быть значительно выше. Кроме того, следует учитывать, что доля простоев связи при грозовых повреждениях значительно выше их относительного количества, так как длительность восстановительных работ, вследствие их специфики, обычно велика.
В настоящее время оптические кабельные линии только начинают проектировать и прокладывать в исследуемом районе Крайнего Севера европейской части России, поэтому оценить параметры грозодеятельности оптических кабельных линий возможно только, исследуя параметры грозодеятельности эксплуатируемых долгое время электрических кабельных магистралей и разработав методику, позволяющую на основании получения параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, определить параметры грозодеятельности вновь проектируемых и строящихся оптических кабельных магистралей.
Одна из основных специфических особенностей проектирования защиты линий связи от токов молнии заключается в том, что оно ведется исходя из допустимого уровня повреждаемости. Такой подход обусловлен сложностью учета всего многообразия факторов, влияющих на повреждаемость, и значительным удорожанием линии при стремлении ее полностью защитить. В таких случаях особое значение принимает достоверность оценки ожидаемой грозоповреждаемости и правильный выбор мероприятий по защите.
Однако, в некоторых случаях ожидаемая грозоповреждаемость не соответствует расчетной, а эффективность мер защиты недостаточна. Так, например, три из четырех наблюдаемых в данной работе эксплуатируемых кабельных линий имеют уровень повреждаемости выше допустимого, причем, для всех линий характерно существенное расхождение фактического и ожидаемого числа опасных ударов молнии, такой же результат будет очевидно и для вновь проектируемых оптических кабельных линий. Таким образом, приведенные факты расчетной и реальной грозоповреждаемости убедительно свидетельствуют, что актуальность исследований грозовых воздействий на оптические кабельные линии связи и особенности их защиты являются несомненной.
Несмотря на обширный материал, имеющийся в работах Е.Д. Зунде, И.С. Стекольникова, В.М. Мучника, М. Юмана, Б. Шонланда, К. Бергера,
В.В. Бургсдорфа,. А.А. Ализаде, М.И. Михайлова, С.А. Соколова, Э.М. Базеляна, Э.Л. Портнова, В.П. Ларионова, В.И. Левитова, Б.Н. Горина и др., до настоящего времени отсутствует единое толкование как физических основ грозовой деятельности, так и вопросов влияния грозовых разрядов на подземные кабельные линии. Данные экспериментальных исследований, выполненных в различных территориальных зонах, часто не совпадают. Действующее «Руководство по защите подземных кабелей связи от ударов молнии» основано на методике Зунде в соответствии с которой основным видом опасного грозового воздействия на подземные кабельные линии связи является попадание тока молнии в кабель после разряда в землю.
Основными особенностями территории исследуемого района, расположенного на севере европейской части России являются: высокое удельное сопротивление грунта, редкие грозы при розе ветров, как правило, с запада на восток, преобладающее направление трасс кабельных магистралей - с севера на юг.
Наличие таких особенностей требует дополнительного исследования параметров грозодеятельности на оптические кабельные линии.
Учитывая изложенное, особое значение приобретает обработка и анализ имеющегося статистического материала о грозоповреждаемости реальных электрических кабельных линий связи, проложенных в исследуемом районе и разработка методики, позволяющей применить полученные результаты параметров грозодеятельности на реальные эксплуатируемые кабельные магистрали, на вновь проектируемые и строящиеся оптические кабельные линии с целью их защиты от ударов молнии.
Таким образом, достоверное определение параметров грозодеятельности на оптические кабельные линии в исследуемом районе позволит решить актуальную задачу оптимальной защиты оптических кабельных магистралей от грозовых воздействий и экономии денежных средств при их проектировании, строительстве и эксплуатации. Цель работы
Целью диссертационной работы является получение достоверных параметров грозозащиты оптических кабелей связи, проектируемых в исследуемом районе Крайнего Севера европейской части России, и разработка на их основе методов защиты оптических линий.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научно-технические и прикладные задачи: выявление и исследование основных факторов, определяющих грозоповреждаемость оптических кабельных линий связи в условиях европейского севера, определение реальной грозоповреждаемости действующих линий с учетом конкретных особенностей зоны, определение проводимости почвы в исследуемом районе на эквивалентной частоте, на которую приходится основная часть энергии грозового импульса, разработка методики расчета параметров грозодеятельности оптических кабельных линий связи с целью их защиты от ударов молнии, определение напряжений наведенных грозовым импульсом в металлических элементах конструкции оптических кабелей, усовершенствование, разработка и оценка эффективности защитных мероприятий, разработка предложений и рекомендаций по защите оптических кабелей от ударов молнии.
Методы исследования
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использовались элементы теории электрических цепей и теории электросвязи, теории вероятности и математической статистики. При проведении количественных расчетов использовался пакет программного обеспечения Mathcad 11 Enterprise Edition.
Научная новизна
На основании анализа случаев грозоповреждаемости, эксплуатируемых в исследуемом районе электрических кабельных магистралей, определен характер опасных влияний (так называемый - прямой удар).
1. Используя современную теорию влияния грозовых разрядов на подземные кабельные линии связи, основанную на учете прямых ударов молнии определены: параметры грозовой деятельности; характер и возможные расстояния распространения токов молнии в грунте; напряжения в цепях «земля-броня» и «металлическая оболочка- броня», возникающие в точке удара молнии в кабель, либо при протекании токов молнии в земле вдоль кабеля.
Анализируя влияния грозовой деятельности на повреждаемость кабельных линий связи, проложенных в исследуемом районе, выявлено, что на грозоповреждаемость протяженных объектов существенное влияние оказывает направление движения гроз относительно трассы объекта.
Анализ состояния почвы исследуемой территории, выявил, что она характеризуется резко неоднородными грунтами и грунтами с высоким удельным сопротивлением. Определено, что грозоповреждаемость кабелей в таких грунтах будет определяться в основном процессами дугообразования. Причем, вместо искровой зоны вокруг точки удара в виде полусферы, следует рассматривать искровую зону в виде плоского диска, что приводит к существенному увеличению опасной зоны вокруг кабеля, а также увеличению ожидаемой грозоповреждаемости.
Разработана методика определения проводимости почвы на частоте 1590 \ Гц (основная мощность грозового импульса приходится на диапазон частот до 1590 кГц), используя значения проводимости на частотах 50 Гц и 300 кГц.
Разработана методика определения напряжения на металлических элементах оптического кабеля, которая учитывает реальные условия распространения грозового импульса по цепям, образованным внешними покровами кабеля «земля-броня» и «металлическая оболочка-броня».
6. Предложена более простая методика оценки вероятности плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии, основанная на исследованиях по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе, проведенных в главах 1 и 2, позволяющая проводить экспресс-анализ по выбору требуемой марки кабеля при проектировании мер защиты от грозовых воздействий на оптические кабельные магистрали. Реализация результатов
В результате анализа статистических данных о грозоповреждаемости электрических кабелей и теоретических исследований построены графики для определения вероятности повреждения шланговых покровов оптических кабелей, проложенных в исследуемой зоне, при воздействии на них грозовых разрядов, дающие возможность рассчитать по ним параметры грозозащиты вновь проектируемых оптических кабельных магистралей.
Разработана методика, позволяющая определить удельную проводимость почвы в исследуемом районе для частоты тока молнии 1590 Гц. Используя предлагаемую методику, рассчитаны проводимости почв для районов Крайнего Севера европейской части России, что позволяет практически использовать полученные результаты при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий связи.
Предлагается методика оценки вероятности повреждений оптических кабелей ударами молнии, основанная на рекомендации К-25 «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии» и исследованиях, проведенных в главах 1 и 2, по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе. Практическая ценность
Результаты диссертационной работы использованы: в НИР № 1701/03 «Разработка и обоснование технических решений по монтажу электрических и оптических кабелей связи на оконечных устройствах объектов связи», проводимой в НИЛ-17 НИЧ МТУСИ, при проведении учебных занятий на кафедре линий связи по дисциплине «Направляющие системы электросвязи».
Основные результаты, полученные в диссертационной работе могут быть использованы при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий, проектируемых в исследуемой зоне европейского севера России, что будет способствовать экономии денежных средств, выделяемых на грозозащиту.
Даны практические рекомендации по количеству используемых тросов, защищающих оптические кабели от ударов молнии, в зависимости от удельного сопротивления грунта.
Рекомендованы конкретные варианты схем защиты оптических кабельных линий от ударов молнии при помощи грозозащитных тросов. Основные положения, выносимые на защиту - оценка параметров грозоповреждаемости оптических кабельных линий возможна путем исследования с помощью разработанной методики определения параметров грозодеятельности эксплуатируемых долгое время электрических кабельных магистралей, грозоповреждаемость линий связи, проложенных в исследуемой зоне, существенно зависит от направления передвижения гроз относительно трассы магистрали, грозоповреждаемость кабелей зависит от прокладки в резко неоднородных грунтах с высоким удельным сопротивлением, разработанная методика определения проводимости почвы на частоте 1590 Гц, позволяющая использовать имеющиеся в литературных источниках данные о проводимости почв на частотах 50 Гц и 300 кГц, разработанная методика определения напряжения на металлических элементах оптического кабеля, которая учитывает реальные условия распространения грозового импульса (с учетом отражений) по цепям, образованным внешними металлическими покровами кабеля.
Апробация результатов работы и публикации
Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ, Москва, 2003 - 2006 годы; на научных семинарах кафедры Линии связи МТУСИ, Москва 2004 - 2006 годы.
Основное содержание диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 12 печатных работах.
Объем и структура работы
Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение и список литературы. Она изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 97 наименований.
Одной из главных задач первой главы является выявление наиболее характерных для Европейского Севера факторов, оказывающих основное влияние на грозоповреждаемость подземных кабельных линий связи и учет выявленных особенностей в теории грозовых воздействий, с целью оптимальной защиты от грозы проектируемых и строящихся оптических кабельных магистралей.
Во второй главе произведен анализ особенностей строения почв в исследуемом районе Крайнего Севера европейской части России. Для исследуемого района рекомендуется при построении графиков для определения ожидаемой грозоповреждаемости оптического кабеля представлять искровую зону вокруг точки удара молнии в виде проводящей плоскости, что приводит к увеличению опасной зоны вокруг кабеля в 1,7 раза. Разработана методика, позволяющая определить удельную проводимость почвы в исследуемом районе для частоты тока молнии 1 590 Гц. Результаты измерения показывают хорошее совпадение расчетных и измеренных значений величины удельного сопротивления почвы, что позволяет использовать разработанную методику для проектирования грозозащиты оптических кабельных линий.
В третьей главе определены пиковые значения напряжения в цепи «металлическая оболочка - броня» оптического кабеля, проложенного в земле, при проникновении тока импульса молнии вглубь металлической оболочки. При этом показано, что учет нелинейного поведения оболочки и учет отраженного тока приводит к более высоким напряжениям, чем при использовании модели «голого» кабеля.
В четвертой главе приведена методика для оценки вероятности плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии, позволяющая проводить экспресс-анализ по выбору требуемой марки кабеля при проектировании мер защиты от грозовых воздействий на оптические кабельные магистрали. Показана необходимость учета двух зон (искровой и дуговой) для определения эффективности перехвата токов молнии при тросовой защите оптических кабелей. Даны рекомендации по количеству используемых защитных тросов в зависимости от удельного сопротивления грунта. Рекомендованы несколько конкретных вариантов схем защиты оптических кабелей при помощи защитных тросов.
Расчетная и фактическая грозоповреждаемости оптических кабельных линий связи с металлическими элементами
Расчетная и фактическая грозоповреждаемости оптических кабельных линий связи с металлическими элементами Исследование грозоповреждаемости подземных кабельных линий связи проводилось на следующих магистралях:
Магистраль № 1. Протяженность - 939 км, тип кабеля -МКСАБ 4x4x1.2, наблюдаемый период- 1967-2005 гг.
Магистраль № 2. Протяженность - 159 км, тип кабеля - МКСБ 1x4x1.2, наблюдаемый период- 1970-2005 гг.
Магистраль № 3. Протяженность - 108 км, тип кабеля - МКСБ 1x4x1.2, наблюдаемый период- 1970-2005 гг.
Магистраль № 4. Протяженность - 592 км, тип кабеля -МКСАСБп 4x4x1.2. Магистраль состоит из четырех участков, которые вводились в эксплуатацию в разное время.
Участок № 4-1. Протяженность - 140 км, эксплуатируется с 1972 г. Участок № 4-2. Протяженность - 164 км, эксплуатируется с 1975 г. Участок № 4-3. Протяженность - 182 км, эксплуатируется с 1976 г. Участок № 4-4. Протяженность - 106 км, эксплуатируется с 1978 г. Общая протяженность находящихся под наблюдением кабельных линий связи составляет 1 798 км.
Величина, характеризующая объем наблюдений в целом, составляет 60 707 кмлет. Исходные данные для оценки ожидаемой грозоповреждаемости магистралей в исследуемой зоне и результаты расчета приведены в таблице 1.1. Расчет и исходные данные соответствуют действующему «Руководству по защите подземных кабелей связи от ударов молнии».
Прежде чем проводить сравнение расчетной (ожидаемой) и фактической грозоповреждаемостей, необходимо исключить из общей суммы ударов молнии те, которые связаны с причинами, не учитываемыми действующим Руководством.
Не все токи молнии, попадающие в подземные кабели, приводят к повреждениям, требуют немедленного вмешательства персонала, часть из них выявляется через некоторое время. Такие удары приводят к негерметичности кабелей и ухудшению их электрической прочности.
Учитывая, что указанные повреждения выявляются в процессе эксплуатации, при учете грозоповреждаемости будем принимать во внимание только опасные удары, вследствие которых возникают простои связи.
В таблице 1.2 приведены данные о распределении по магистралям опасных ударов молнии с простоями связи и ударов, выявленных в процессе эксплуатации. Необходимо отметить, что при одном ударе молнии могут возникать несколько мест повреждений кабеля.
В таблице 1.2 приняты следующие поправочные коэффициенты: - kq - поправочный коэффициент на грозодеятельность, определяемый по формуле кд= — , где Г = 36часов в год - средняя продолжительность гроз; - kv - поправочный коэффициент на электрическую прочность, определяемый по формуле ки = ——, где иПР = 3000 В - расчетная U дет электрическая прочность изоляции кабеля.
В таблице 1.3 приведены данные о расчетном (пр), фактическом (Пф) и допустимом (Пд) числе опасных ударов молнии в кабель за 1 год на 100 км трассы. Нормы для допустимого (пд) числа опасных ударов молнии в кабель определены для тока молнии / = 30кА с вероятностью появления Р = 0.5. При этом, на КМ-1, КМ-2 и КМ-3 анализировалась грозоповреждаемость до прокладки грозозащитного троса. Для сравнения участков с различными климатическими и геологическими условиями, на достаточно протяженной КМ-1 выделИз данных таблицы 1.3 видно, что фактическая грозоповреждаемость кабельных магистралей № 1, 2, 3 превышает допустимые уровни, а магистрали № 4 - удовлетворяет требованиям Руководства. Однако, и в том, и в другом случаях имеются существенные расхождения фактических и расчетных (ожидаемых) величин грозоповреждаемости. Причем, такое расхождение более заметно для кабелей с повышенной добротностью (КМ-1, 4).
Несовпадение фактических и расчетных величин грозоповреждаемости свидетельствует о том, что использование в исследуемой зоне изложенной в Руководстве методики расчета ожидаемого числа опасных ударов молнии на 100 км трассы кабеля за год, без учета конкретных особенностей рассматриваемой территории/может привести к ошибочным результатам.
Проведем оценку ожидаемой грозоповреждаемости оптической кабельной линии связи в исследуемой зоне, используя приведенные выше данные для подземных кабельных линий связи.
Исходные данные для оценки ожидаемой грозоповреждаемости оптической кабельной линии связи в исследуемой зоне и результаты расчета приведены в таблице 1.4. ены две зоны (КМ-1 А и КМ-1 Б).
Основные свойства почвы исследуемой зоны
Электрические свойства почвы определяют соотношение между падающей, отраженной и проходящей волнами поля на границе «воздух-земля». Кроме того, они влияют на параметры распространения в подземных кабелях и являются основным фактором, определяющим коэффициент затухания в подвесных кабелях. Для большинства почв основной интерес представляет относительная диэлектрическая проницаемость єг. Вблизи залежей руды с высоким содержанием железа (магнетит) относительная магнитная проницаемость цг почвы может быть более 1, но для большинства почв она близка к 1. Проводимость почвы
Удельная проводимость почвы вблизи поверхности земли от менее 10"4 приблизительно до 5 См/м, но обычно суглинки и глиноземы имеют удельную проводимость от 10"3до 10"1 См/м. Проводимость почвы зависит от ее состава и содержания влаги; почвы, содержащие большое количество растворимых ионов, имеют большую проводимость, чем почвы, растворимые ионы которых смыты интенсивными дождями и водными стоками. Поскольку многие растворимые соли до некоторой степени гигроскопичны, почвы, содержащие такие соли, обычно сохраняют свою проводимость даже в сухих районах или во время продолжительных засух.
Номинальные значения удельной проводимости и относительной диэлектрической проницаемости типичных видов почв и поверхностных вод приведены в таблице 2.1. Удельная проводимость почв данного вида может меняться в пределах одного порядка из-за различия в составляющих элементах (в основном растворимых солей), а относительная диэлектрическая проницаемость может меняться в 2 раза из-за различия в составе и содержания воды.
Диэлектрическая проницаемость почвы
Относительная диэлектрическая проницаемость почвы и скалистого грунта также зависит от входящих в них элементов. Значение ее колеблется от 5 до 15, как видно из таблицы 2.1, а для пресной и морской воды нормальными являются значения, приближающиеся к 80 [26]. Диапазон диэлектрической проницаемости обычно значительно меньше (в 3 раза), чем диапазон проводимости почвы, поскольку основными составляющими элементами, влияющими на диэлектрическую проницаемость, являются превратившиеся в порошок каменистые породы и вода.
Относительная диэлектрическая проницаемость мало зависит от частоты, хотя наблюдаются незначительные изменения при больших изменениях частоты [26]. Относительная диэлектрическая проницаемость, как и удельная проводимость, снижается при промерзании почвы. Для типичных почв происходит снижение лишь в три раза или менее, но у почв с большим содержанием влаги изменения могут быть значительными при температуре замерзания или ниже нее. При переходе от воды (єг = 80) ко льду (єг = 4) происходит максимальное изменение (в 20 раз). Магнитная проницаемость почвы
Очень большое число магнитных минералов в земной коре имеет концентрацию, достаточную для того, чтобы повлиять на относительную магнитную проницаемость скалистых грунтов и почвы. Естественные магнитные материалы включают в себя магнетит (Рез04 - закись-окись железа, магнитный железняк), гематит (РегОз - красный железняк), ильменит (РеТіОз), пиротин (магнитный колчедан) и некоторые другие, но наиболее важным является магнетит, поскольку он имеет относительно высокую магнитную проницаемость и очень часто встречается в природе. Отметим, что при содержании магнетита около 20%, относительная магнитная проницаемость почвы составляет менее 1,6. Поэтому относительная магнитная проницаемость почвы обычно близка к 1, за исключением районов с концентрацией железной руды. Измерение параметров почвы
Для измерения электрических параметров почвы существуют различные методы [33]. Низкочастотная удельная проводимость почвы ст может быть измерена на месте с помощью трех или четырех электродов. Относительная диэлектрическая проницаемость єг почвы определяется косвенно по измерениям крутизны спада волны, путем анализа поляризации отраженной волны или путем измерений полного сопротивления антенны, проводимых вблизи земли.
Различные методы измерения диэлектрической проницаемости почвы и ее проводимости подробно рассматриваются в работе [32]. Эти методы базируются на зависимости коэффициентов отражения и полного сопротивления антенны от параметров єг и а почвы. Основные особенности строения почв в исследуемом районе
В направлении с севера на юг строение почв, в пределах рассматриваемого района, претерпевают значительные изменения. Это связано с закономерными изменениями климатических факторов, а также состава и строения верхней части разреза развитых здесь рыхлых отложений.
Разработка методики определения пробоя пластмассовой оболочки оптического кабеля при попадании в него тока молнии
Грозовой разряд, попадая в оптический кабель, проложенный в земле, вызывает повреждение пластмассовой оболочки, если кабель содержит металлические элементы. В зависимости от тока молнии повреждение может быть с перерывом связи (оплавление оптических волокон) и без перерыва связи (прожог пластмассовой оболочки). Поврежденная пластмассовая оболочка в дальнейшем, при попадании в кабель меньших значений тока молнии, может привести к повреждению кабеля с перерывом связи. Поэтому исследование повреждаемости пластмассовой оболочки позволит установить пороговое значение тока молнии попавшего в оптический кабель, который приведет к повреждению кабеля с перерывом связи.
Практический интерес представляет определение диапазона напряжений, которые могут ожидаться в кабеле при попадании в него тока молнии. Исследования будем проводить для кабеля проложенного под землей и имеющего в своей конструкции металлические элементы. Из основных, используемых в настоящее время, конструкций оптических кабелей таким является кабель марки ОКЛАК- 01 - 0,3/2,0 - 8/4. Этот кабель используется на магистральной и внутризоновой сети и имеет следующие технические характеристики: - число оптических волокон - 8 - число медных жил дистанционного питания диаметром 1,2 мм - 4 - коэффициент затухания - 0,3 дБ/км - дисперсия - 2,0 нм-км - допустимый ток молнии в металлической оболочке - 105 кА - наружный диаметр 24,8±2,5 мм - расчетная масса 1 км - 1382,0 кг - алюминиевая оболочка, поверх которой полиэтиленовый шланг - броня из круглых проволок, поверх которых полиэтиленовая оболочка. Грозовой разряд «входит» в кабель или непосредственно, пробивая полиэтиленовую кабельную оболочку, или индукцией - по электрической дуге. Ток молнии протекает вдоль металлических элементов в положительном и отрицательном направлениях - вдоль оси х (рис. 3.1). Эти колебания характеризуются временем нарастания - порядка единиц микросекунд, временем затухания - порядка десятков микросекунд и пиковым значением, которое находится в области десятков кА. С целью анализа предположим, что колебание - это двойной экспоненциальный импульс, который характеризуется пиковым значением и временами нарастания и затухания. Таким образом, типичный импульс может быть определен, как 10 кА, 7.5x65 колебаний, это означает - двойной экспоненциальный импульс с пиковым значением 10 кА, с временем нарастания 7.5 микросекунд и с временем спада к половине значения амплитуды 65 микросекунд (рис. 3.2).
Если колебание имеет достаточно большую амплитуду, то поскольку оно распространяется по защитной оболочке кабеля, происходит пробой изоляции. Большая часть утечек тока молнии от оболочки происходит через эти пробои. В действительности, защитная оболочка кабеля находится в электрическом контакте с землей. В некоторой точке, по пути распространения колебания, амплитуда тока уменьшается настолько, что ее уже не достаточно, чтобы вызвать пробой. Тогда импульс протекает по металлической оболочке, изолированной оболочкой из полиэтилена.
Поведение импульса молнии, протекающего по металлической оболочке подземного кабеля, может быть строго описано при помощи уравнений электромагнитного поля. Используем модель, разработанную Зунде, в которой ток принят, как ток, протекающий вдоль линии передачи, состоящей из брони кабеля и земли. Для описания поведения импульса тока молнии определим параметры этой линии передачи, используя стандартные уравнения линии передачи. Кабель также имеет металлическую оболочку изолированную полиэтиленовым шлангом, которая наряду с броней, составляет другую линию передачи. Эта линия передачи «металлическая оболочка - броня» соединена с линией передачи «земля - броня», параметром связи, являющимся проходным полным сопротивлением брони. Результат этой связи - то, что ток протекающий в линии передачи «земля - броня», наводит напряжение между металлической оболочкой и броней. Для типичного грозового разряда, это напряжение может быть весьма большим и может быть достаточным, чтобы повредить оптические волокна. Напряжение достигает самого большого значения в точке входа тока молнии в кабель, и является функцией проходного полного сопротивления броневого покрова, величины тока молнии и расстояния вдоль кабеля, на котором идет распространение импульса тока молнии, прежде чем он уйдет в землю.
Именно этот последний фактор усложняет анализ. В области, где ток большой и пробивает оболочку, линия передачи «земля - броня» имеет характеристики, типичные для «голого» кабеля, то есть кабеля без внешней оболочки; в области, в которой ток слишком слаб, чтобы пробить оболочку, линия передачи «земля - броня» имеет характеристики, соответствующие изолированному кабелю.
Оценка вероятной плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии
Для определения вероятной плотности повреждения оптического кабеля необходимо знать следующие данные: - молниестойкость кабеля (допустимый ток молнии, не вызывающий повреждения оптического кабеля с перерывом связи), кА, - интенсивность грозовой деятельности в районе прокладки оптического кабеля (удельная плотность ударов молнии в землю или среднегодовая продолжительность гроз в часах), - удельное сопротивление грунта, Ом м, - электрическую прочность изоляции наружной защитной оболочки, кВ.
Значения допустимого тока молнии для основных марок оптических кабелей, выпускаемыми заводами России для магистральной и внутризоновой сетей связи, с указанием их категории по молниестоикости приведены в таблице 4.1.
Определить вероятность повреждения шланговых покровов оптического кабеля с перерывом связи возможно, воспользовавшись рекомендацией К-25 МСЭ-Е «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии» [36] и результатами исследования, приведенными в главах 1 и 2, по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе.
Согласно [36] ожидаемое вероятное количество повреждений оптического кабеля за год определяется выражением: Np = Ки -Nd / ( Ia) (ударов і в год) (4.1) где: Ки - коэффициент поправки числа повреждений (для расчета берется равный 3), Р - вероятность амплитуды тока молнии равной или большей, чем 1а, которая выражается следующим равенством:
Р(і) = 1 (Г2 е(а-Ы), для / 0 (і в кА) где а = 4,605 и Ъ = 0,0117 для / 20кА, а = 5,063 И Ъ = 0,0346 для і 20 кА, 1а - ток повреждения [кА], соответствующий минимальной величине амплитуды тока молнии, вызывающего возникновение прямой дуги к кабелю и возникновение первичного повреждения,
Nd - общее вероятное среднегодовое количество всех ударов молний величиной от 1 до 250 кА в оптический кабель, определяющееся из следующего выражения: N-K-2-D-L Nd = looo [УДаРв/гД] (4-2) где:
Ng - плотность ударов молнии на км2 в год, если величина Ng неизвестна, она может быть определена исходя из среднестатистической продолжительности гроз и статистического числа ударов молнии в землю за единицу времени из выражения: Ng=0,04d1 25 (4.3) где Td - среднегодовая продолжительность гроз в часах, определяемая по климатическим нормам, либо по данным метеостанций, расположенных вдоль трасс линий связи. Ке - коэффициент окружающей среды, определяемый на основе типичных параметров региона, в котором проходит кабельная магистраль: - городская зона с высокими зданиями (выше 6 этажей) - Ке = 0,01, - городская зона с зданиями средней высоты (от 3 до 6 этажей) - пригородная зона с малоэтажной застройкой (один или два этажа) - Ке= 0,5, - сельская местность без гражданских сооружений (плоская местность) - Ке = 1, - сельская местность без гражданских сооружений (вершина холма) - Ке = 2. L -длина линии, км, D - разрядное расстояние, [м] которое определяется из следующих соотношений: D = 0,482 р%, [м], для р 100 Ом-м, Z = 0,283-/? , [м], для р 1000 Ом-м, D = 0,191 -рУ +2,91, [м], для 100 р 1000 Ом-м, где р - удельное сопротивление почвы, определяемое по картам удельных сопротивлений или путем экспериментальных измерений в местах прохождения трассы кабельной магистрали.
Таким образом, для определения вероятностного количества повреждений оптического кабеля за год, необходимо в выражении (4.1) подставить величины по выражениям (4.2) и (4.3) с учетом параметров Ng и D, определенных для исследуемого района в главах 1 и 2 диссертационной работы.
На проектируемых оптических кабельных линиях связи магистральной и внутризоновой сетей защитные мероприятия от повреждений с перерывом связи ударами молнии следует предусматривать на тех участках, где вероятное число опасных ударов молнии (вероятная плотность повреждения) оптических кабелей превышает допустимое значение, указанное в таблице 4.2.
