Внешние электромагнитные воздействия на оптический кабель

16.1. Основные источники внешних влияний

Основными источниками внешних электромагнитных воздействий на оптические кабели являются грозовые разряды, высоковольтные линии электропередачи и электрические железные дороги. Наиболее опасными являются грозовые разряды.

16.2. Грозовые разряды

16.2.1. Основные сведения о грозовых разарядах

По характеру возникновения грозы могут быть тепловые и фронтальные. Тепловая гроза носит локальный характер, и возникает обычно в холмистой местности или в предгорьях. При нагреве склона холма солнцем тёплый воздух устремляется вверх (рис.16.1), а на его место затекает холодный воздух, при этом в области соприкосновения холодного и тёплого воздуха происходит конденсация влаги.

Рис.16.1. Появление восходящих потов воздуха с конденсацией влаги

С точки зрения электростатики Земля представляет собой шар, заряженный отрицательно. На высоте примерно 60-70 км находится ионизованный слой атмосферы (иногда называемый слоем Кеннели-Хивисайда), заряженный положительно. Этот слой появляется в результате ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, возникает шаровой конденсатор и электрическое поле, направленное от ионизованного слоя к поверхности земли. Это так называемое “поле ясной погоды” (рис.16.2).

Рис. 16.2. Поле ясной погоды.

Величина напряжённости поля у поверхности Земли равна примерно 120 В/м, однако мощность поля мала и вреда живым организмам оно не приносит, но зато играет существенную роль в формировании грозового облака. Капли в стремительно восходящем потоке воздуха электризуются, дробятся, захватывают имеющиеся в воздухе свободные электроны. Тяжёлые положительные ионы оседают к поверхности Земли. В результате образующееся облако, как правило, имеет отрицательный заряд. Возникает направленное от земли к облаку электрическое поле, величина которого может достигать нескольких сотен кВ/м. Вследствие небольшой непрерывной деформации облака в некоторых точках, где величина поля максимальна, начинается процесс развития лидерного разряда по направлению к земле. Этот процесс носит ступенчатый характер: под действием сильного поля электроны ускоряются, излучают в направлении движения, образуются новые ионизованные области, которые постепенно сливаются. Канал наполняется зарядами из ближайших областей облака. И таким образом лидер скачками продвигается к земле. Когда он достигает поверхности земли, начинается бурный процесс нейтрализации зарядов, сопровождамый выделением энергии, ярким свечением и разогревом канала до нескольких тысяч градусов. Нагретые в объёме канала газы расширяются со сверхзвуковой скоростью, что является причиной грома. Форма протекающего по каналу тока показана на рис.16.3.

Рис.16.3. Форма тока однократного разряда молнии

Лидерная стадия продолжается миллисекунды и сопровождается током в несколько десятков ампер. После начала нейтрализации наступает главная стадия разряда. За короткое время порядка 1 микросекунды (это время называется временем фронта τ_ф ) ток достигает значения в десятки килоампер и затем медленно спадает. Чтобы не зависеть от точности применяемых приборов под длиной волны τ_в импульса молнии обычно понимают длительность до точки, в которой ток уменьшается до половины своего максимального значения. Иногда это время называют длительностью полуспада. Оно составляет величину порядка 50 микросекунд. За время главного разряда успевает разрядиться только часть облака. По ещё не распавшемуся каналу могут последовать повторные разряды. Иногда канал может частично распасться, и тогда развитие последующего разряда идёт по другому пути: возникает ветвистый разряд. Обычно при каждом ударе молнии имеется 3-5 повторных разрядов. По свидетельству Ракова В.А. большая часть завершившихся ударов молнии имеет несколько точек соприкосновения с землёй, которые могут быть удалены на сотни, а иногда и на километры друг от друга. Фронт повторных разрядов существенно короче первого и может иметь длительность порядка 0.1 мкс. Амплитуда повторных разрядов обычно меньше амплитуды первого разряда. В среднем амплитуда тока молнии равна 30-40 кА. Вероятность той или иной амплитуды тока молнии хорошо описывается формулой

P(I) = e^-kI (16.1),

где I - амплитуда тока молнии, кА;

P(I) – вероятность тока с амплитудой I;

k = 0.036 1/кА.

Кроме тепловых гроз, которые носят локальный характер и часто возникают в холмистой местности или в предгорьях, существуют так называемые фронтальные грозы, когда с некоторого направления вторгаются огромные массы холодного воздуха на длине в десятки или сотни километров, и тогда на всей этой длине одновременно возникают грозы. В остальном отличия тепловых и фронтальных гроз не существенны.

Интенсивность гроз обычно оценивается или числом дней с грозой в году для данной местности или суммарной продолжительность гроз в часах за год, а также количеством разрядов q в землю в единицу площади за единицу времени. Количество гроз обычно увеличивается от побережья моря в глубь континента, а также с севера к экватору. Например, на побережье Северного Ледовитого океана число грозовых дней в году может составлять 1-2, тогда как на отдельных островах Индонезии число дней с грозой в году может превышать 200. Плотность разрядов в землю также весьма сильно отличается в различных местностях. Для территории России средняя величина q равна 0.1 удара на кв.км в день, но может отличаться во много раз как в меньшую, так и в большую сторону. Наблюдения ведутся метеостанциями, и статистические данные приведены в соответствующих документах, например в [1]. К этим данным хорошо бы иметь и сведения о величине и форме тока в каждой местности, но подобные наблюдения требуют слишком больших затрат и в широких масштабах не проводятся.

Развитие разрядов зависит от особенностей местности. На практике разряды молнии могут ориентироваться в зависимости от наличия высоких предметов или других особенностей местности или строения грунта, например, близкорасположенных рудных тел, водоносных линз или разломов. На явлении ориентации молнии на высокие предметы основано использование молниеотводов. Если мачта имеет высоту Н, то все разряды, предназначенные в площадь круга радиусом приблизительно 1.5 Н вблизи мачты, попадают в мачту. Аналогичная картина возникает вблизи одиноко стоящего высокого дерева.

Рис.16.4. Ориентация разрядов в мачту и в рудное тело (или водоносный слой)

Однако следует помнить, что развитие разряда является в значительной степени вероятностным событием, и в некоторых случаях (например, в одном из тысячи) развитие разряда может пойти не совсем по ожидаемому пути, особенно если имеются другие привходящие обстоятельства. В качестве примера можно привести известный, произошедший несколько десятков лет назад в Мюнхене (рис.16.5).

Рис.16.5. Разряды в трамвай и фабричную трубу.

Разряд молнии проследовал в трамвайный вагон, проходивший между двумя близкорасположенными кирхами, хотя по всем правилам разряд должен был произойти в одну из башен. Не последнюю роль в развитии разряда сыграли хорошая гидроизоляция фундамента церквей и подтекание положительных зарядов по рельсам из окрестностей. В России имел место случай, когда разряд проследовал не в трубу с молниеотводом, а через плотный густой дым, заполненный несгоревшими частицами углерода (сажи), в трубу без молниеотвода. Не подчиняются законам также разряды в высотные здания и телевизионные башни, удары в которые могут происходить не только в вершину, но и посредине сооружения, так как в этом случае размеры самих башен, облаков и расстояния между ними имеют один и тот же порядок. Защитная зона такой башни значительно меньше 1.5 Н.

Следует заметить, что прятаться во время грозы под одиночным деревом в поле не рекомендуется, так как оно является аттрактором для грозовых разрядов, так же как и купаться во время грозы.

При разряде в однородную землю ток равномерно растекается во всех направлениях, и если вблизи точки удара молнии находится подземное металлическое сооружение, например, кабель, между точкой удара молнии и кабелем возникает разность потенциалов, которая может привести к пробою грунта и попаданию всего тока молнии в кабель со всеми вытекающими последствиями.

При ударе молнии в однородную землю ток равномерно растекается во всех направлениях от точки. Напряжённость электрического поля на расстоянии R от кабеля равна

кВ/м (16.2).

В этой формуле I_m - амплитуда тока, кА; ρ - удельное сопротивление земли, Ом м; R - расстояние от точки удара молнии в метрах. Грунт представляет собой слежавшуюся утрамбованную смесь частиц: продуктов выветривания, воздуха и влаги, и поэтому обладает как электрической проводимостью, так и прочностью к электрическому пробою. Когда напряжённость поля превышает величину электрической прочности грунта Е₀ ,то происходит пробой. Пусть на некотором расстоянии y от точки удара молнии в земле находится кабель с металлической оболочкой. Потенциал хорошо проводящей оболочки в первом приближении можно считать равным нулю (по сравнению с потенциалом точки удара молнии). Если напряжённость поля между точкой удара молнии и кабелем превышает величину электрической прочности грунта Е₀ ,то произойдёт пробой грунта и весь ток молнии устремится в кабель. Из выражения (16.2) легко найти, что это произойдет при условии

(16.3).

Выражение (16.3) найдено в предположении, что грунт и поле однородны. В реальности грунт не является однородным, возможны слоистость, посторонние включения, неровности рельефа и т.д. В этом случае поле становится неравномерным, пробивная электрическая прочность в неравномерном поле сильно отличается от прочности в равномерном поле. Выражение (16.3) примет вид

(16.4),

где Е_m - пробивная прочность в неравномерном поле. Обычно E₀ изменяется от 500 до 1300 кВ/м, E_m от 150 до 300 кВ/м. Для оценочных расчётов можно принять, что расстояние, перекрываемое дугой тока молнии равно

y = 6· (16.5).

Полагая, что параметры молнии и земли имеют средние значения: I = 40 кА; ρ = 800 Ом·м; Е = 500 кВ/м, найдём, что 20 м. Опытные данные свидетельствуют, что эта величина, например, в условиях Урала наблюдалась равной 25-30 метров, а иногда и

больше. Удельное сопротивление грунта на Урале обычно превышает величину 1200Ом·м, а грунт содержит многочисленные каменистые включения.

Как показывают наблюдения, пробой от точки удара молнии по направлению к кабелю происходит по поверхности земли, даже если удар молнии произошёл в дерево. Об этом свидетельствует примятая трава и другие следы протекания тока по поверхности. И только в непосредственной близости к кабелю разряд ныряет в землю и последние несколько десятков сантиметров или метров проходит по сплошному грунту. Канал молнии имеет хоть и небольшой, но конечный объём и высокую температуру. В объёме канала разряда мгновенно испаряется вся влага, и расширяющиеся пары создают большое давление вокруг канала, которое может достигать величины порядка 1000-1500 кГ/см² . Это так называемый электрогидравлический эффект. Ещё до протекания тока по оболочке давление паров производит механическое воздействие на кабель, что выражается в образовании бесформенных вмятин глубиной и шириной до сантиметра и длиной в несколько сантиметров на свинцовой или алюминиевой оболочке кабеля. Явление образования вмятин на оболочке характерно для точек входа тока молнии в подземный кабель. Размеры вмятин зависят от влажности грунта, модуля упругости материала оболочки. Иногда в образовании вмятин принимают участие газы, образующиеся при разложении пропитанной битумом джутовой оплётки. Одновременно может возникать несколько вмятин на небольшом удалении друг от друга. При образовании вмятин под оболочкой сминается вся структура кабеля, разрушается изоляция жил. Бывают вмятины мез малейших следов оплавления оболочки. Такие случаи характерны для токов молнии большой амплитуды, но с очень коротким фронтом и длительностью (так называемые “холодные” молнии, когда теплоотвод не успевает осуществиться, и вся энергия волны переходит в давление). При импульсе с тем же общим зарядом, но большой длительности на оболочке кабеля возможно оплавление. Такие молнии получили название “горячих”.

Всё же наибольшее число повреждений кабеля при грозовых разрядах возникает из-за пробоев изоляции при протекании токов по оболочке и жилам

Потенциал в точке удара молнии обычно очень велик (сотни или тысячи киловольт), поэтому изоляционное покрытие поверх металлической оболочки, если оно имеется, легко пробивается, и ток молнии после пробоя к кабелю протекает как по земле, так и по металлическим покровам кабеля и жилам. Параметры распространения во всех этих цепях различны (оболочка - земля, жила - земля, жила – оболочка); потенциалы земли, оболочки и жил меняются неодинаково, и на некотором расстоянии от точки удара молнии вдоль кабеля между ними возникает разность потенциалов, достаточная для пробоя. Повреждения изоляции, происходящие во многих точках вдоль кабеля на расстояниях от сотен до тысяч метров друг от друга, являются основным видом повреждений кабелей при грозе. Количество повреждений при одном и том же ударе молнии может составлять десятки, а расстояния между ними несколько километров. Если удельное сопротивление окружающей земли велико, или если поверх металлической оболочки имеется пластмассовый шланг, то стекание тока с оболочки затруднено, и масштабы повреждений увеличиваются. Для кабеля с металлической оболочкой, находящейся в хорошем контакте с землёй, амплитуда напряжения между жилой и оболочкой (при средней форме тока молнии 1/50) определяется из выражения

(16.6),

где U_m - амплитуда напряжения, вольт;

I _m - амплитуда тока, кА;

R - продольное сопротивление металлической оболочки постоянному току, Ом/км;

ρ - удельное сопротивление грунта, Ом·м.

Если подставить в (1.6) средние значения параметров ( I_m = 40 кА; R = 2 Ом/км; ρ = 400 Ом·м), то получим U_m= 3360 вольт. Так как импульсная электрическая прочность поясной изоляции обычного высокочастотного симметричного кабеля (например, МКСБ) равна примерно величине 3000 В, то при ударе молнии в землю вблизи незащищённого кабеля возможно его повреждение.

Форма возникающего в кабеле напряжения также представляет собой импульс со сравнительно коротким фронтом и полуспадом большой длительности, но эти параметры существенно больше чем у тока. В среднем фронт напряжения равен 50 мкс, а длина волны 200 мкс, хотя возможны волны с фронтом в 10 мкс и длительностью свыше 1000 мкс. Если пробой кабеля не состоялся, то волна возникшего напряжения распространяется, деформируясь, вдоль кабеля и приходит на оконечное устройство, где воздействует на подключённую аппаратуру. Поскольку масштабы воздействия зависят как от амплитуды волны, так и от её формы, то в качестве испытательной волны при проектировании защиты аппаратуры обычно выбирают наихудшую с точки зрения опасности возможную форму волны 10/1000. Амплитуда испытательной волны определяется электрической прочностью изоляции кабеля, которая при полиэтиленовой изоляции может достигать величины 25 кВ.

16.2.2. Воздействие молнии на оптический кабель связи с металлическими элементами в конструкции.

Оптические кабели могут иметь металлическую оболочку или броню для защиты от механических повреждений при прокладке в каменистых, скальных или мёрзлых грунтах, упрочняющие металлические элементы, а также жилы дистанционного питания.

При ударе молнии в землю или в деревья вблизи трассы подземного кабеля часть или весь ток молнии может попасть в металлическую оболочку кабеля. При этом дуговой разряд, возникающий между точкой удара и кабелем, перекрывает расстояние в нескольких десятков метров. Влага, содержащаяся в объёме канала разряда, практически мгновенно испаряется, так как температура в канале разряда составляет сотни и даже тысячи градусов. Фронт расширяющихся паров и газов вблизи разряда создаёт давление порядка 1000 кг/см², которое сминает оболочку кабеля ещё до попадания туда тока молнии. При этом 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 оптического кабеля и землёй возникает напряжение, амплитуда которого достигает нескольких тысяч вольт. В результате чего 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 пробоя начнёт постепенно проникать влага. Амплитуда возникающего напряжения зависит от величины электрического сопротивления оболочки и удельного сопротивления окружающей земли. В принципе этот механизм повреждения оптического кабеля с металлическими элементами мало чем отличается от механизма 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 неё 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 кабеля 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 величину порядка 10 % - 13 % от всех повреждений кабелей в зависимости от грозодеятельности, геологических и географических условий, типа кабеля, способа прокладки и т.п. Очевидно, что грозовые повреждения оптических кабелей с металлическими жилами и оболочкой также будут составлять примерено такую же цифру. Если кабель имеет только металлическую оболочку без жил дистанционного питания, то наиболее вероятны повреждения шланга с последующим постепенным проникновением влаги внутрь конструкции. Это необязательно влечёт за собой немедленный выход кабеля из строя с перерывом связи, но значительно снижает его надёжность.

Существует минимальный ток молнии J, который при ударе молнии в землю приводит к образованию электрической дуги от точки удара молнии к кабелю и возникновению повреждения. Этот ток зависит от удельного сопротивления земли в месте прокладки кабеля, поверхностной электрической прочности грунта, однородности строения грунта и равномерности электрического поля, расстояния до кабеля, а также от свойств самого кабеля. В реальных условиях ток молнии в кабель может попасть и через элементы окружающей инфраструктуры: монтажных устройств и соединительных элементов или посторонних металлических конструкций. На практике наиболее часто дуга разряда возникает после удара молнии в высокие деревья, и далее по поверхности земли (так как поверхностное пробивное напряжение меньше, чем в объёме) или иногда по корням дерева до кабеля. Это расстояние в среднем составляет 25-30 метров, но может достигать и 50-75 м.

Повреждения в воздушном оптическом кабеле, подвешенном на деревянных или металлических опорах, также возможны, если металл присутствует в сердцевине или в оболочке кабеля. Подвесные оптические кабели, в отличие от подземных, более открыты воздействию внешних полей, и в их металлических элементах возможно наведение ЭДС и токов, и как следствие, 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 кв. км 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 землёй, значительная часть тока молнии (J) образует дугу (перекрытие) от металлической оболочки по поверхности опоры или изолятора к земле. Если металлическая оболочка воздушного оптического кабеля периодически заземлена, то возникновение повреждений зависит от расстояния между заземлёнными точками и величины сопротивлений заземлений (уровня грозоупорности линии). При малых расстояниях между заземлениями (порядка 100 м) и малой величине сопротивления заземления (менее 20 Ом) отражённая от заземления отрицательная волна гасит потенциал на оболочке кабеля. Если расстояние между заземлениями велико (свыше 300м), и сопротивление заземления также большое (порядка 100 Ом), то отражённая 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 надлежащим образом выбранной конструкции грозозащитного троса.

Вопросы расчёта вероятности повреждений и защиты оптических кабелей от ударов молнии рассматриваются в Рекомендации МСЭ-Т К-25, в разработке которого принимали участие также и российские специалисты. В России вопросы защиты подземных оптических кабелей с металлическими элементами в конструкции регламентированы “Руководством по защите оптических кабелей от ударов молнии”. В зависимости от конструкции кабеля и типа металлической оболочки и брони оптические кабели разбиты на четыре категории молниестойкости, которые определяются 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 уровне молниестойкости основных конструкций отечественных оптических кабелей, а также таблицы вероятного числа повреждений оптических кабелей при различных условиях. Если уровень молниестойкости не соответствует условиям прокладки, или вероятное число опасных ударов превышает допустимое, указанное Руководство рекомендует прокладку рядом с кабелем металлических грозозащитных проводов или тросов.

Аналогично рассматриваются вопросы воздействия токов коротких замыканий ЛЭП на металлические элементы оптических кабелей.

16.2.3. Воздействие молнии на полностью диэлектрический оптический кабель без металлических элементов в конструкции

Распространённо заблуждение, что полностью диэлектрический кабель не подвержен воздействию электромагнитного поля молнии, однако это неверно. Свет имеет электромагнитную природу и реагирует на внешнее электромагнитное поле. Под действием поперечного электрического или продольного магнитного полей в волокне происходит поворот плоскости поляризации распространяющейся волны. Другое дело, что это воздействие не приводит к повреждению кабеля, а лишь несколько меняет поляризацию волны и создаёт дополнительную поляризационную модовую дисперсию (ПМД). Некоторые элементы линии могут быть чувствительными к ПМД, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее. Явления вращения плоскости поляризации света в поперечном электрическом (эффект Керра) и продольном магнитном (эффект Фарадея) полях были открыты ещё в XIX веке. При прохождении света по волокну под воздействием внешнего электромагнитного поля происходит поворот плоскости колебаний (поляризации) световой волны. Различным образом поляризованные волны света при падении на плоскую поверхность имеют разные величины Френелевских коэффициентов. Изменение плоскости поляризации света в оптическом волокне может также привести к так называемому двойному лучепреломлению и возникновению двух ортогональных составляющих волны, между которыми распределится первоначальная энергия сигнала. Каждая из составляющих будет распространяться независимо друг от друга. Так как параметры волокна вдоль различных плоскостей, проходящих через ось, могут несколько отличаться, следствием может явиться увеличение дисперсии и затухания сигнала, аналогичные поляризационной модовой дисперсии при геометрических неоднородностях волокна.

Эффект Керра пропорционален квадрату напряжённости поперечного внешнего поля и уменьшается с увеличением температуры. Плоскость поляризации поворачивается на угол

φ = 2π∙К∙E²∙l (16.7),

где K - постоянная Керра, К = 0.402∙ 10^-13 м/В² ;

E – величина поперечного внешнего поля;

l - длина пути, проходимого светом под воздействием поля.

Как видно, К имеет малую величину, и для возникновения заметного эффекта Керра электрическое поле должно быть достаточно велико. Большие величины поля возможны вблизи точки удара молнии. Если удар молнии происходит вблизи трассы проложенного в земле диэлектрического (без металлических элементов в конструкции) оптического кабеля (ОК), то в волокнах последнего возможно возникновение эффекта Керра. В случае, когда ОК подвешен на опорах высоковольтной линии передачи, переменное поперечное по отношению к кабелю поле также имеет значительную величину, причём на большой длине, однако эффект значительно уменьшается наличием металлического несущего троса. Очень большую величину в земле и на поверхности электрическое поле может иметь при воздействии высотного ядерного взрыва.

Если удар молнии происходит на расстоянии “а “ от трассы ОК, который проложен на глубине h, то при однородном строении земли напряжённость электрического поля в произвольной точке вблизи кабеля равна

Е = Iρ / [2π (a² + h² + x² )] (16.8),

где I - амплитуда тока молнии;

ρ - удельное сопротивление земли.

Ось x направлена вдоль оси кабеля, причём точка x = 0 cоответствует на оси кабеля точке, ближайшей к точке удара молнии на поверхности земли (рис.1.6). Ось z направлена вертикально вниз, а ось y перпендикулярно осям x и z (параллельно поверхности земли на глубине h).

Рис. 16.6. Взаимное расположение точки удара молнии и кабеля.

Поперечная кабелю составляющая поля Е_п в земле в точке x равна:

E_п = ( E_y² + E_z² )^1/2 = E∙(a² + h²)^1/2/ (a² + h² + x² )^1/2 = Eb / (b² + x² )^1/2 = Iρb/[2π(b²+ x² )^3/2 ] (16.9) ,

где b = (a² + h² )^1/2.

Под действием поперечного электрического поля молнии плоскость поляризации поворачивается на угол

(16.10)

Как видно из выражения (16.10), эффект Керра пропорционален квадрату амплитуды тока, квадрату удельного сопротивления земли и обратно пропорционален кубу расстояния точки удара молнии от кабеля.

Полагая значения входящих в (16.10) величин: I = 50 кА, ρ = 1000 Омм, а =10 м, h =1 м, найдём, что φ = 1º, то-есть однократное воздействие молнии в одной точке при средних условиях вызывает сравнительно небольшой эффект. Однако в некоторых случаях при больших значениях удельного сопротивления грунта и амплитуды молнии и близком расстоянии до точки удара молнии (например, а = 1 м) величина эффекта может возрасти в десятки раз. Кроме того, как известно, удар молнии, как правило, состоит из нескольких повторных разрядов. Если длина кабеля велика, то удары молнии могут происходить в различных точках вдоль трассы кабеля, что ещё больше увеличит воздействие на волокно. Число случаев превышения углом поворота величины φ можно найти по формуле (16.11):

n_φο = 0.756·10^-2·ρ^2/3·φ₀^-1/3 (16.11),

где ρ – удельное сопротивление грунта в Ом·м; а φ₀ - в радианах; q = 0.1 удара/км²·день, l = 100 км, число дней с грозой N = 25.

В табл.16.1 приведены значения частоты появления (числа случаев за грозовой сезон) той или иной величины φ₀ при различных значениях удельного сопротивления грунта и упомянутых значениях величин q, l и N. При других значениях q, l и N табл.16.1 легко может быть переделана с помощью линейного пересчёта умножением табличных значений на коэффициенты q/0.1; l/100; N/25 соответственно.

Табл.16.1. Число случаев превышения величины φ₀ за грозовой сезон при q = 0.1; l = 100 км; N =25 и различных удельных сопротивлениях земли

Как видно из таблицы 1, поворот плоскости поляризации, например на 45 градусов при удельном сопротивлении 100 Омм осуществляется примерно один раз в 5 лет, а при ρ = 400 Омм уже один раз в два года. При ρ = 2000 Омм это случается чаще чем раз в год, а при ρ = 5000 Омм два с половиной раза в год. Грунт с удельным сопротивлением от 50 до 500 Омм встречается обычно на равнинной местности; 800-2000 Омм характерны при наличии песка; 1000-5000 Омм – при наличии камней и скальных пород, а также в районах с многолетней мерзлотой. При расчёте таблицы 1.1 удар молнии предполагался однократным, многократные разряды не учитывались.

16.2.4. Поворот плоскости поляризации света в волокне под действием продольного магнитного поля молнии

Под воздействием продольного магнитного поля молнии, то-есть в случае, когда свет распространяется вдоль силовых линий магнитного поля, происходит поворот плоскости поляризации на угол

ψ = V∙L∙B (16.12),

B – магнитная индукция в среде распространения;

L – длина пути света вдоль магнитных силовых линий;

V – постоянная Верде.

Учитывая, что B = μ₀ μ_r H, где

μ - магнитная проницаемость вакуума;

μ - относительная магнитная проницаемость вещества;

Н- напряжённость магнитного поля,

для кварцевого стекла получаем:

ψ = f ∙H∙ L (16.12),

где

f = 1.68∙10^-3∙(λ∙dn/dλ) град/А (16.13).

Для волны λ = 1.55 мкм выражение (16.13) принимает вид:

ψ = 1.66∙10^-5∙L ∙H град., (16.14),

где Н – в А/м, L – в метрах.

На глубине z величина поля отличается от поля вблизи поверхности. При импульсах короткой длительности с учётом как токов проводимости, так и токов смещения в диапазоне времён грозового разряда приближённо можно принять, что поле Н на глубине z равно:

(16.15),

где Н₀ – поле на поверхности земли;

μ_з и ε_з - магнитная и диэлектрическая проницаемость земли;

γ – постоянная распространения поля в земле,

γ = (σ/2)∙(μ_з ∙ε_з )^1/2 ;

σ – удельная проводимость земли.

Если σ выражать в 1/Омм, то γ = 56σ 1/м.

Запаздывание процесса во времени в данном случае не имеет значения, поэтому мы можем написать, что поле на глубине h равно:

(16.16).

Угол поворота плоскости поляризации ψ вследствие эффекта Фарадея при ударе молнии со средними параметрами вблизи оптического кабеля невелик. Число случаев, когда ψ >> ψ₀ , равно

или ν(ψ₀) = -0.36 Nρ Ei (- 4.819ψ₀)·10^-3 (16.17).

При этом: N - в днях, ρ - в Омм, ψ₀ - в градусах. Кроме того, принималось, что

q = 0.1 уд/км²∙день, l =100 км , k = 0.04 1/кА, f = 1.66∙10^-5 град/А , λ = 1.55 мкм.

Функция табулирована и может быть найдена в справочниках.

16.3. Защита кабелей от ударов молнии

К основным мерам защиты подземных кабелей от повреждений, возникающих при попадании в них токов молнии, относятся:

1) Полный или частичный отвод токов канала молнии от кабеля. Это достигается путём прокладки одного или нескольких металлических проводов (тросов) в земле над кабелями или путём подвески на линейных опорах вдоль трассы кабеля воздушного провода с периодически оборудованными выносными заземлениями.

2) Повышение продольной проводимости металлических покровов кабеля или увеличение прочности поясной изоляции сердечника кабеля, или то или другое мероприятие одновременно. Применение кабелей с проводящим шлангом поверх металлической оболочки.

3) Подключение к жилам симметричного кабеля вдоль магистрали малогабаритных разрядников, устанавливаемых в кабельных муфтах. Этим мероприятием достигается снижение размеров повреждённой области линии.

4) Защита кабелей в шланге с помощью сосредоточенных заземлений, периодически подключаемых к металлической оболочке.

В присутствии тросов ток в оболочке кабеля равен

I(t) = η I₀ (t) (16.18),

η – коэффициент тока в кабеле, который показывает, какая часть тока молнии протекает по оболочке кабеля. Величина этого коэффициента зависит от материалов оболочки и тросов, взаимного расположения и расстояний между ними. Обычно эта величина заключена в пределах от 0.3 до 0.7. Более подробные данные приведены в [1,2]. В качестве защитных проводов чаще всего применяются стальные провода типа ПС-70 или биметаллические провода диаметром от 4 до 6 мм, прокладываемые рядом с кабелем на половине глубины прокладки кабеля. Вблизи индустриальных центров возникают малоэтажные посёлки, населённые людьми с большими запросами, где требуется широкополосный доступ: интернет, передача данных, видео по запросу и т.д. Соединительной линией связи часто является воздушный или подземный оптический или электрический кабель малой ёмкости. По кабелям могут осуществляться системы FTTH (волокно к дому), кабельное телевидение и т.п.

Согласно Рекомендации МСЭ-т К.46 коэффициент воздействия грозовых разрядов на эти кабели отличен от нуля, в особенности у воздушных кабелей, и проблема их защиты от ударов молнии является актуальной. Для подземных кабелей она решается с помощью прокладки рядом с кабелем защитного металлического провода. Однако иногда трудно рассчитывать на прокладку защитных тросов рядом с уже проложенным кабелем. В этом случае достаточно эффективную защиту можно обеспечить с помощью сосредоточенных заземлений, подключённых к металлической оболочке или экрану кабеля. В случае воздушного кабеля прокладка троса становится проблематичной. Если воздушный кабель имеет несущий металлический трос, то последний может быть использован для грозозащиты, однако он должен периодически подключаться к заземлениям. При ударе молнии волна высокого потенциала достигает заземления и отражается с обратным знаком, уменьшая потенциал троса и кабеля. Если величина сопротивления заземления и расстояние до него невелики, то рост потенциала замедляется. В противном случае происходит перекрытие опоры дугой тока молнии. В случае подземного кабеля с металлическими элементами в конструкции защита возможна как с помощью проложенного рядом троса, так и с помощью сосредоточенных заземлений, подключённых в некоторых точках к металлической оболочке кабеля.

В таблице 16.2 приведены данные о напряжениях в кабеле при различных способах защиты: подключении заземлений и прокладке троса и сравнение с ударами в незащищённый кабель.

Таблица 16.2. Амплитуда напряжений (В) в подземном кабеле при одинаковых разрядах импульсного тока в металлическую оболочку кабеля, защищённого различным образом

Рассмотрение таблиц показывает, что конечно наилучшей защитой является прокладка рядом с кабелем грозозащитного троса, однако и с помощью заземлений можно вдвое снизить наведённые напряжения. В случае подвесного кабеля это особенно актуально. Причём не обязательно добиваться очень малых величин сопротивления заземлений. Вполне достаточно, если добиться величины порядка 20 Ом. Приведённые данные справедливы как для тонких симметричных и коаксиальных кабелей связи с полиэтиленовой изоляцией жил, так и для оптических кабелей с металлическими элементами в конструкции.

16.4. Воздействие электрического поля высоковольтной линии на подвесной оптический кабель

Подвесные оптические кабели, в отличие от подземных, более открыты воздействию внешних полей. Если внутри оптического кабеля имеются металлические проводники (упрочняющие элементы из металла или жилы дистанционного питания), то в этих проводниках возможно наведение ЭДС и токов при воздействии внешних полей, и, как следствие, пробои изоляционных покрытий с разрушением близлежащего волокна. При сильных электрических и магнитных полях возможно непосредственное воздействие полей на световую волну (эффекты Керра и Фарадея) и изменение поляризационных свойств материала, приводящих к появлению паразитных волн и к дополнительным дисперсии и затуханию.

При подвеске оптических кабелей на высоковольтных линиях электропередачи возможен ещё один специфический вид повреждений. В современном мире запылённость атмосферы особенно велика вблизи индустриальных центров. В сочетании с влагой покрытая хотя бы небольшим слоем пыли поверхность подвесного кабеля становится проводящей, и при наличии в пространстве вблизи кабеля электрического поля по поверхности оболочки протекает ток, приводящий к её укоренному строению, образованию трековых следов на поверхности и даже к полному разрушению. В зависимости от загрязнённости атмосферы и величины поля процесс разрушения может длиться от нескольких месяцев до десятков лет.

Высоковольтные линии передачи в различных направлениях пересекают весь евроазиатский континент, и использование опор ЛЭП для подвески на них оптических кабелей позволяет сэкономить средства на прокладке кабелей, что широко используется в странах Западной Европы. Сильные электрические поля в нормальном режиме существуют на линиях электропередачи с номинальным напряжением 110 кВ и выше, но они же отличаются высокой надёжностью по сравнению с линиями меньших напряжений. Величина напряжённости электрического поля может составлять десятки киловольт на метр. Такое поле при неблагоприятных условиях может вызвать электрический пробой по загрязнённой и влажной поверхности оптического кабеля. Поверхностный пробой, даже если он не переходит в устойчивую электрическую дугу, оставляет следы на поверхности оболочки, вызывает расплавление и деформацию, а в дальнейшем деградацию и полное разрушение сначала пластмассовой оболочки, а потом и сердечника кабеля. Обстоятельства, при которых это происходит, зависят от величины напряжения линии электропередачи, её конструкции и расположения фазных проводов, климата и погодных условий на местности, расположения оптического кабеля относительно фазных проводов, конструкции устройств крепления и подвески, конструкции самого ОК и материала его оболочки.

Увлажнение поверхности неметаллического подвесного оптического кабеля может происходить при дожде, росе, тумане. Загрязнение поверхности происходит постоянно вследствие выветривания поверхности земли, выброса промышленных отходов и т.п. Количество загрязняющего вещества на поверхности оболочки не постоянно и зависит от условий погоды. Дождь часть грязи растворяет и смывает. Увлажнение загрязнённых поверхностей приводит к растворению солей осадка и резкому увеличению поверхностной проводимости σ. Составляющая электрического поля вдоль поверхности кабеля имеет величину порядка 10 кВ/м. При повышенной загрязнённости ток по поверхности оптического кабеля может достигать величины 4-5 мА. При особо сильном загрязнении поверхностный ток может достигать величины 25 мА, а вблизи опоры, где напряжённость поля может достигать нескольких десятков киловольт на метр, до сотни мА. При этом плотность тока по поверхности заключена в пределах от 0.щ3 до 3 мА/мм. При протекании таких токов проводящий слой разогревается, но реально разогрев происходит неравномерно даже при равномерном загрязнении поверхности. Тем более, что верхняя поверхность кабеля загрязнена, как правило, больше, чем нижняя. Поверхностная плотность тока тем больше, чем меньше диаметр кабеля и чем меньше загрязнённая поверхность. Влага испаряется, причём также неравномерно. Испарение влаги приводит к местному увеличению сопротивления 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 результате падение напряжения на этом участке увеличивается до тех пор, пока не происходит пробой по подсушенной поверхности, что приводит к образованию электрической дуги, шунтирующей часть пути.

Образование частичных дуг при длительном воздействии напряжения неизбежно, поскольку подсушка слоя загрязнения имеет место после окончания процесса увлажнения. Приложенного напряжения обычно в подобных случаях бывает достаточно для перекрытия маленького воздушного промежутка длиной в несколько миллиметров.. Таков механизм развития разряда по поверхности кабеля. При протекании тока и особенно при возникновении дуги выделяется тепло и происходит нагрев поверхности, а в некоторых случаях и расплавление оболочки. Подобные процессы, очевидно, повторяются. Загрязнение и увлажнение имеют частоту появления, совпадающую с частотой появления дождей и туманов. При прекращении дождя начинается подсыхание поверхности и образование чередующихся зон проводимости и островков изоляции, появляются условия для возникновения дуги. В результате повторения подобных процессов кабель постепенно разрушается. Вероятность повреждения оптического кабеля, установленного в пролёте линии электропередачи, можно определить из выражения

(16.19),

где t - время до повреждения;

τ_c (E) - характеристическое время, зависящее от напряжённости поля Е и условий подвески;

β – постоянная Вейбулла.

Е обычно изменяется от 10до 100 кВ/м, τ_c изменяется от сотен лет до нескольких месяцев.

Таким образом, резюмируя, заключаем, что:

1) подверженность оптического кабеля, подвешенного на линии электропередачи, разрушению зависит от места установки кабеля на линии, загрязнённости и влажности поверхности и материала оболочки;

2) максимальные значения напряжённости на поверхности кабеля в зависимости от его расположения и класса ЛЭП достигает величин от 8 до 42 кВ;

3) величина удельной поверхностной проводимости имеет величину порядка 5-10 мкСим, но в некоторых случаях может достигать величины 30-40 мкСим;

4) поверхностный ток имеет величину от 1.5 до 5 мА, а в исключительных случаях достигать 150 мА;

5) усреднённая величина 50%-ной разрядной напряжённости зависит от удельной проводимости и при σ = 5-10 мкСим имеет величину 0.4-0.6 кВ/см;

6) механизм развития дуги по поверхности оптического кабеля определяется возникновением кольцевых зон высушивания и чередования влажных проводящих и сухих зон, к которым оказывается приложенным большое напряжение, приводящее к пробою, возникновению электрической дуги, нагреву оболочки и её разрушению;

7) оптимальным расположением оптического кабеля на линии электропередачи является подвеска его или установка в грозозащитном тросе.

Подвеска оптического кабеля на контактных проводах электрифицированных железных дорог в России показала, что в ряде случаев:

1) происходит разрушение поддерживающих зажимов и появление вздутий оболочки между опорами; вздутия возникают вследствие нагрева оболочки и выделения содержащейся в ней воды;

2) токи утечки на поверхности обычно составляют примерно 1 мА и увеличиваются при плохих заземлениях опор;

3) разность потенциалов на оболочке может достигать величины 20 кВ;

4) на новой оболочке выделяемая мощность при пробоях равна 2-7 Вт; имеет место поляризация молекул;

5) чистая оболочка имеет сопротивление порядка 500 МОм/см; со временем оболочка становится пористой, загрязнённой; грязь плотно сцепляется с оболочкой; поверхностное сопротивление снижается до 2 кОм/см при безопасном уровне в 20-25 Мом/см;

6) напряжённость электрического поля достигает 30 кВ/м, что приводит к ионизационным процессам вблизи металлических поддерживающих зажимов; возникают котонные и перемежающиеся частичные разряды; иногда коронный разряд переходит в дуговой, при этом происходит деградация поверхности, выделение озона и окислов азота, и при наличии влажности – образование азотной кислоты и разъедание оболочки;

7) вблизи опор кабель не является строго горизонтальным, резко увеличивается напряжённость поля и её продольная составляющая.

16.5.Воздействие ионизирующих излучений

Различают корпускулярные и электромагнитные ионизирующие излучения:

α – излучение - поток протонов или ядер атомов гелия;

β – излучение - поток электронов;

n – поток нейтронов;

γ – излучение - поток высокоэнергичных квантов и рентгеновское воздействие.

Поток частиц и квантов большой энергии вызывает смещение атомов и ионизацию. Смещение из нормального положения вызывает дефекты в кристаллической решётке, образуются пустые места (вакансии), которые заполняются примесями, возникают силовые напряжения в волокне. Нейтронное и α – излучение вызывает перемещение атомов на большое расстояние, обуславливающее микроразрушение с необратимым характером, β и γ-излучение с энергией до 1 МэВ вызывает простейшие дефекты. Ионизация приводит к созданию электронно-ионных пар. Электроны и γ-кванты с энергией более 2 МэВ вызывают появление в веществе своеобразных снарядов – комптоновских электронов или электронов отдачи, вызывающих ионизацию. Часть свободных электронов захватывается на глубинном уровне атомов, релаксация их или возвращение – длительный процесс, и возникает долговременный эффект. В результате облучения меняются первичные параметры оптического волокна – поглощение, рассеяние, затухание, понижается механическая прочность, нарушаются валентные связи. Степень и характер зависит от дозы и её мощности, времени облучения, спектра, температуры, состава волокна, легирующих добавок, длины рабочей волны, радиационной предистории волокна.

При облучении возникают дефекты, на них легко создаются электроны проводимости и дырки, появляются примеси. Эти дефектные точки поглощают свет в некоторых частях спектра, поэтому они называются центрами окраски. Собственное поглощение материала в этом центр отсутствует, зато возникает дополнительное затухание. При распространении комптоновских электронов возникает также эффект Черенкова. Люминисцентное свечение может возникать в центрах окраски также под действием рабочего лазерного излучения. Интенсивность этих излучений не очень велика, однако может создать помехи на приёме. Многие процессы носят временный характер, и явления исчезают после прекращения облучения, если доза облучения не слишком велика. Но иногда процесс восстановления занимает время, длящееся годами. Это в значительной степени зависит от технологии изготовления волокна, скорости и температуры вытяжки, режима охлаждения и т.д. Наибольшую радиационную стойкость имеют волокна на основе чистой двуокиси кремния. Примеси, особенно ОН, понижают стойкость волокна, активизируют возникновение дефектных центров. Увеличению радиационной стойкости способствует только добавление бора. Увеличения радиационной стойкости можно добиться также с помощью “радиационного отжига” – устранения слабых мест и их разрушения