ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОКЛАДКЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ В ГРУНТ

OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR LAYING FIBER-OPTIC CABLE IN THE GROUND

Ian Movshovich

student (Chemistry), Saint Petersburg State Architectural and Construction University,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

Цель данной работы состоит в том, чтобы изучить и осветить возможности эксплуатации силового кабеля переменного тока и волоконно-оптического кабеля путем укладки их в грунт.

В данной работе были изучены электростатические, магнитные и тепловые параметры, связанные с вышеуказанным предложением. Представлены математические уравнения, выводы, подтверждающие данное утверждение. Бенефициарами этого предложения являются промышленные потребители, компании, предоставляющие услуги, интеллектуальные сети и широкая общественность.

Преимущества могут включать автоматизацию распределения, экономический аспект, сокращение потребности в пространстве, сокращение рабочей силы и сокращение дорожных работ по рытью.

ABSTRACT

The purpose of this work is to study and highlight the possibilities of using AC power cable and fiber-optic cable by laying them in the ground.

In this paper, we studied the electrostatic, magnetic, and thermal parameters associated with the above proposal. Mathematical equations and conclusions confirming this statement are presented. The beneficiaries of this offer are industrial consumers, service providers, smart grids, and the General public.

Benefits may include automated distribution, an economic aspect, reduced space requirements, reduced labor, and reduced road digging.

Ключевые слова: волоконно-оптический кабель, силовой кабель, ВОК, подземная прокладка кабеля.

Keywords: fiber-optic cable, power cable, FOC, underground cable laying.

Введение. Развитие в области технологий привело нас к прогрессу в повседневной жизни и уровнях коммуникации. Электричество стало основной потребностью всех слоев общества, как и коммуникация. В прежние времена передача электроэнергии осуществлялась на небольшие расстояния. Но сейчас линии электропередач тянутся на километры друг от друга. Если не будут найдены лучшие решения по сокращению расходов, то это будет убыточная ситуация как для поставщика, так и для получателя.

Академическому учреждению, в данном случае потребителю, было подано уведомление о требовании от организаций-прокладчиков подземного силового кабеля и волоконно-оптического кабеля (ВОК) индивидуально установить соответствующие кабели длиной 250 м и 1,2 км. Компоненты работы по прокладке кабеля, такие как рытье, формирование траншей, прокладка кабеля и т. д., были одинаковыми для обеих организаций. Только кабели отличаются друг от друга. Было установлено, что 30% потребительских инвестиций, как в кабельных работах, так и в строительстве траншей, идет на трудозатраты.

С другой стороны, на протяжении длины около 250 м вблизи помещений потребителя траншеи, принадлежащие силовому кабелю и ВОК, проходят бок о бок. Именно так он был спланирован и готов к исполнению в соответствии с требованиями потребителей с последующим выполнением стандартных монтажных процедур монтажных организаций.

На этом этапе перед обеими организациями был поставлен вопрос о возможности прокладки обоих кабелей в одной траншее вместо двух на расстоянии 250 м от потребителя. Это избавило бы потребителя от необходимости инвестировать сумму, эквивалентную работам по рытью траншей длиной 250 м и связанными с ней трудозатратами.

В итоге предоставляющие услуги организации отказались обязать, заявив, что ни одна из организаций не имеет процессуальных норм, позволяющих устанавливать другой кабель в своей траншее. Это вдохновило авторов на разработку решения, которое помогло бы будущим потребителям.[3], [6]– [9].

После изучения технических условий и затрат, возникающих при прокладке кабелей в любом месте, было замечено, что большая часть затрат приходится на работы по рытью, формированию траншей и монтажу кабелей. Оба ведомства разрабатывают похожие траншеи для прокладки кабелей.

Рытье траншей - это не быстрый процесс, и он наиболее эффективен для применения на коротких расстояниях. Глубина прокладки кабеля может варьироваться в зависимости от области применения, назначения пользователя и конструкции [7]. Глубина прокладки силового кабеля составляет около 0,5 метра, а для кабеля связи - около 1,65 метра [8].

В данной работе хотелось бы найти, предложить и исследовать возможности прокладки обоих кабелей одновременно в одной траншее. Она представляет свои выводы в порядке описания математических уравнений, необходимых допущений в разделе II, моделирования практической среды, включения математических параметров и оперативного анализа.

Математические уравнения. В данной статье будут исследованы электростатические, магнитные и тепловые параметры, влияющие на бесперебойное функционирование как ВОК, так и силового кабеля, лежащего в одной траншее. Однако изучение последствий эксплуатации силового кабеля вблизи ВОК имеет наибольшее значение, а не наоборот. Это происходит потому, что силовой кабель превосходит ВОК с точки зрения физических размеров, веса, электрического потенциала и, что более важно, мощности нагрузки.  [1], [2].

Силовой кабель и ВОК, работающие вместе, могут создать три эксплуатационные возможности, где первый, безусловно, повлияет или повредит последнему. Это, во-первых, электростатический потенциал, создаваемый в месте расположения ВОК, вызванный повреждением изоляции ненагруженного силового кабеля. Это не случай нагрузки, когда кабельный проводник несет незначительный ток или вообще не имеет тока. В этом случае нахождение электростатического потенциала или напряженности электрического поля (Е), заряда, образующегося в месте расположения ВОК за счет ненагруженного напряжения силового кабеля, образуют первый шаг.

Во - вторых, магнитный потенциал, создаваемый в месте расположения ВОК за счет нагруженного силового кабеля. В этом случае нахождение напряженности магнитного поля, обусловленной токонесущим проводником, составляет часть этой задачи.

Согласно международному стандарту, рабочая температура силового кабеля не должна превышать 70 ° C. Определение температуры ВОК при работе силового кабеля при его номинальной или превышенной температуре является заключительной частью данного исследования.

Пусть E - напряженность электрического поля в положении ВОК, работающего вблизи силового кабеля, несущего на фазу напряжение V. Пусть силовой кабель заряжен, и он не несет никакого или низкого тока. Это приводит к тому, что напряженность электрического поля развивается вокруг пространства силового кабеля в виде градиента напряжения. Он дается, как и в [4], путем:

Разложение выше (1) в декартову систему координат дает:

Предположим, что силовой кабель проложен вдоль оси z, а координаты x, y остаются одинаковыми во всех положениях силового кабеля и ВОК. Это устанавливает Vx , Vy как равное нулю, так и Vz как напряжение питания, заданное Vm sinwt. Для того чтобы найти заряд, образовавшийся в месте расположения ВОК из-за градиента E (V), необходимо найти плотность заряда, заданную формулой:

Где р - количество заряда, развитого в месте расположения ВОК, D - плотность заряда смещения. D - производная величина, заданная:

где ∈- диэлектрический коэффициент среды, лежащей между силовым кабелем и ВОК. Он должен учитывать все типы материалов и их диэлектрические коэффициенты, которые входят между этими двумя кабелями.

Переходим к следующему шагу-задаче нахождения магнитного потенциала или потока, окружающего ВОК из-за нагруженного силового кабеля. Уравнения Максвелла, которые могли бы помочь в этой задаче, - это циркулярный закон Ампера и закон Гаусса для магнитного поля, заданный:

где H - интенсивность магнитного поля по периметру ВОК, J - плотность тока, заключенная в ВОК, D - плотность тока смещения, заключенная в ВОК, и B - плотность магнитного потока в ней. Эти H, J и B являются параметрами реципиента, измеренными в среде, присутствующей между ними, и в частности в месте расположения ВОК. Здесь следует отметить, что в данном исследовании рассматривается анализ стационарного состояния, а не временной вариант. Это устанавливает D, как в (4), равным нулю.

Далее, выражая плотность магнитного потока B в декартовой системе координат, получаем Bx (x; y; z; t) + By (x; y; z; t) + Bz (x; y; z; t) где x,y,z представляют местоположение ВОК, а t - время (t пренебрегается, поскольку имеет дело с установившимися параметрами состояния). Любой вектор называется плотностью магнитного потока только в том случае, если его градиент, как в (5), приводит к нулю. Этот анализ предполагает, что B в местоположении ВОК является известной величиной. Однако, связывая плотность магнитного потока (B) с источником тока силового кабеля, можно получить:

где B (r; θ; φ) - плотность магнитного потока (Вт/м²) в месте расположения ВОК, выраженная в сферических координатах, μ - магнитная проницаемость среды, выраженная в виде μ0 μr, μ0 - проницаемость свободного пространства, μr - относительная проницаемость среды, μr - радиальное расстояние (м) от силового кабеля до ВОК и I - ток силового кабеля (А). Он имеет присутствие различных сред, следовательно, чистая относительная проницаемость вычисляется как:

где параметры, представляющие относительную проницаемость изоляции кабельного проводника, являются μins:, оболочка кабеля - μ sheath, а грунт - μsoil. Третья и последняя задача состоит в том, чтобы найти параметры, связанные с теплопередачей. Теплопередача между двумя телами, обладающими различными температурами, устанавливает теплоту, протекающую от высокотемпературного тела к низкотемпературному телу, заданную, как в [4], путем:

Где p - массовая плотность материала, C - теплоемкость, k - коэффициент теплопроводности, Q - источник тепла, h - коэффициент конвективной теплопередачи, Tfinal - температура, при которой эта теплопередача может осесть, а T - температура тела.

Результаты.  Возможности установки, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта кабелей как при эксплуатации в одной траншее, так и при эксплуатации в другой траншее зависят от соблюдения процедурных стандартов, которым в противном случае следует каждый кабель. Согласно техническим условиям, глубина прокладки кабеля различается между собой и составляет около 0,5 м для силового кабеля, от 0,9 м до 1,65 м для ВОК [6]– [8]. Силовые кабели состоят из одного или нескольких электрических проводников, удерживаемых вместе оболочкой. Кабели состоят из трех основных компонентов: проводников, изоляции, защитной оболочки. Состав отдельных кабелей варьируется в зависимости от области применения.

Конструкция и материал определяются тремя основными факторами, которые могут определять толщину изоляции, размер проводника и тип защиты оболочки, которые должны быть даны, зависят от уровней рабочего напряжения кабеля, максимальной пропускной способности кабеля и подземных условий окружающей среды, таких как температура, вода, химическое или солнечное воздействие, механическое воздействие и т.д.

Соответственно, в этом случае типичный 120 мм² кабель с рабочим напряжением 11 кВ, обладающий изоляцией из сшитого полиэтилена толщиной 3,4 мм, 3-жильным кабелем, наружной оболочкой толщиной 2,8 мм и, наконец, составляющим 57,6 мм общий диаметр кабеля для модельных испытаний.

Одинарное волокно ВОК состоит из сердцевины с высоким показателем преломления в центре, за которой следует оболочка с более низким показателем преломления [7]. На конце, как и силовой кабель, он имеет кабельную оболочку, соответствующую условиям эксплуатации в среде ВОК. В этом случае одножильный волоконный кабель имеет чистый диаметр из 0,025 мм² рассматривается с целью моделирования.

Теоретическим анализом [1], [2] технически понятно, что волоконно-оптические кабели могут быть проложены вблизи силовых кабелей. Это поможет сэкономить затраты и время на завершение работ.

Это исследование выявило все возможности прокладки двух кабелей вместе, и были выявлены две такие возможности. Первая выявленная проблема заключалась в том, что если нить силового кабеля оборвется, то произойдет контакт между волоконно-оптическим кабелем и силовым кабелем, что приведет к короткому замыканию и живому контакту между ними, что небезопасно.

Вторая проблема заключается в том, что это создаст проблему при техническом обслуживании, поскольку силовой кабель лежит, как показано на рисунке 2, выше оптоволоконного кабеля, и доступ к ВОК будет сложной задачей. Однако это дает монтажные и эксплуатационные возможности для реализации данного предложения. Согласно процедурам монтажа силового кабеля, которым следовали монтажные организации, он был установлен на глубине 0,5 м от поверхности. Точно так же, согласно последовавшим процедурам установки ВОК, он был установлен на глубине 0,9 м или 1,65 м от земли.

В предложении рассматривается расстояние 0,5 м, выбранное по отношению к ширине траншеи, боковое расстояние, которое должно поддерживаться между двумя кабелями, показанными на рисунке 2.

Наконец, оказалось, что лучше всего расположить оба кабеля по диагонали друг против друга. Это уменьшает вероятность того, что оба вступят в живой контакт. Силовой кабель располагался на некотором расстоянии от оптоволоконного кабеля.

При прокладке двух кабелей между ними должна быть какая-то механическая опора, чтобы они не соприкасались друг с другом. Кроме того, пространство между двумя кабелями должно быть заполнено песком, чтобы кабели были географически устойчивы в своих установленных положениях.

Кроме того, между ними могут быть предусмотрены непроводящие материалы, такие как дерево, чтобы обеспечить механическую поддержку. Но этот метод влечет за собой недостаток. Силовые кабели прочны и могут быть согнуты или скручены. Это не вызовет никаких помех в передаче энергии. Но это не то же самое с кабелем связи. В отличие от силовых кабелей, ВОК слабы и могут быть легко повреждены. Они не могут быть согнуты или скручены. Если это сделано, то передача сигнала связи невозможна.

Для целей моделирования были выбраны типичные рейтинги для моделирования практической среды. Рабочее напряжение 11 кВ, примерно сопротивление кабеля 0,457, магнитная относительная проницаемость ПВХ-оболочки силового кабеля μsheath составляет 0,045, а свободного пространства ‑ 1, и для грунта также 1 [10].

Горизонтальное расстояние между ВОК и силовым кабелем составляет 0,5 м, диагональное расстояние - 0,64 м. от точки повреждения силового кабеля до ВОК были смоделированы три возможности отказов, описанные выше, и зафиксирована реакция параметров. ВОК невосприимчив к электромагнитным помехам, но, тем не менее, более высокое и непрерывное воздействие может иметь негативные последствия [1], [2]. Понимание работы обоих кабелей с этой точки зрения жизненно важно для данного предложения.

Нормально функционирующий силовой кабель, как показано на рисунке 1, имеет кривые градиента напряжения, распределенные вокруг изоляции проводника и также во внешней оболочке.

Рисунок 1. Распределение градиента напряжения в небронированном кабеле из сшитого полиэтилена напряжением 11 кВ 3 сердечника

Это показывает важность изоляции и экранирования в ограничении распределения градиента напряжения. Однако высококонцентрированные градиенты  увеличивают нагрузку на изоляцию, что приводит к физическому повреждению, такому как явление вырубки деревьев. Кроме того, установлено, что гармоники напряжения являются еще одним источником напряжений, вызывающих явление оседания и повреждения изоляции кабеля [5].

Предлагаемая прокладка траншейного силового кабеля и ВОК, как показано на рисунке 2, удовлетворяет всем нормам, установленным соответствующими монтажными регламентами.

Рисунок 2. Одна траншея, вмещающая ВОК и силовой кабель оба в соответствии с предложением

Это предложение работает хорошо до тех пор, пока ни один из них не прерывал работу на протяжении всего срока эксплуатации. В связи с этим для изучения параметров, рассмотренных выше, были введены отказы силового кабеля и соответственно смоделирована реакция. Сначала была смоделирована реакция ненагруженного и проколотого силового кабеля, работающего на 11 кВ, как показано на рисунке 3, чтобы сообщить градиенты напряжения и векторы электрического поля соответственно.

Рисунок 3. Распределение градиента напряжения проколотого 11 кВ сшитого полиэтилена 3 сердечника небронированного кабеля в непосредственной близости от ВОК и окружающего грунта

Градиенты напряжения были показаны в контурах, окружающих проколотый кабель, окружающее пространство и помещения ВОК. Его продолжительная работа привела бы к накоплению заряда на внешней поверхности ВОК. Однако окружающая почва находится под потенциалом Земли, что приводит к накоплению заряда, если таковой имеется, на поверхности ВОК для разряда с той же скоростью.

В отличие от нормального рабочего состояния, показанного на рисунке 1, градиенты напряжения кабеля, показанные на рисунке 3, менее концентрированы и радиально занимают больше места. Это возможная причина для объяснения меньшего градиента напряжения в месте расположения ВОК, несмотря на то, что кабель питания под напряжением прокололся.

Стрелки вектора электрического поля указывают радиально наружу с силовым кабелем в центре, и на этом этапе силовой кабель был просто заряженной линией бесконечной длины, расположенной на расстоянии от ВОК. Во-вторых, был смоделирован нагруженный и проколотый силовой кабель, работающий на 11 кВ, плотность тока 1 А/мм², чтобы сообщить, как показано на рисунке 4, градиенты магнитного поля, векторы потенциала соответственно.

Рисунок 4. Распределение градиента магнитного потенциала проколотого 11 кВ сшитого полиэтилена 3 сердечника небронированного кабеля в непосредственной близости от ВОК и окружающего грунта

По сравнению с градиентами электростатического потенциала, как показано на рисунке 3, контуры магнитного потенциала, как показано на рисунке 4 кажутся похожими на электрические контуры и где векторы плотности магнитного потока являются радиальными, направленными по часовой стрелке стрелками, которые кажутся несходными с векторами электрического поля.

Градиент магнитного потенциала появляется более чем наполовину в местах, близких к силовому кабелю, и низко в местах, удаленных от силового кабеля и в частности в месте расположения ВОК. Это подтверждает низкое присутствие потока в месте расположения ВОК в случае отказа кабеля, который был полностью подвержен воздействию окружающей среды.

Функционирование ВОК невосприимчиво к электромагнитным излучениям, и поэтому присутствие малого количества магнитного потока окажет незначительное влияние на его производительность [1], [2].

В-третьих, был смоделирован температурный отказ силового кабеля, когда его рабочая температура превышает 70 ° С, а затем была записана реакция параметров теплопередачи, связанных с ним.

Параметры теплопередачи, такие как коэффициент теплопроводности (К), коэффициент конвективной теплопередачи, устанавливаются на уровне 0,3 Вт/м. К и 1 Вт/(мм² К) для изоляции, заполнения вокруг слоя оболочки и при 1 Вт/м. К и 1 Вт/(мм² К) для почвы и Тfinal при температуре 35 ° С, окружающей нормальной температуре соответственно.

В этом случае температура кабеля была установлена на 90 ° С, что выше нормального рабочего напряжения, и здесь была записана имитационная реакция, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Распределение тепла проколотого 11 кВ сшитого полиэтилена 3 сердечника небронированного кабеля в непосредственной близости от ВОК и окружающего грунта

В отличие от компонентов силового кабеля, высокая теплопроводность почвы помогает улучшить теплопроводность почвы и быстрее, чем кабельные компоненты.

Это может быть возможной причиной низких температур в месте расположения ВОК, на которые в основном влияет температура грунта и в меньшей степени рабочая температура кабеля. Теплопроводность почвы приводит к испарению тепла от кабеля в атмосферу до того, как он достигнет ВОК. Добавляя к этому, радиальная теплопередача производимого тепла является дополнительным преимуществом. Хотя ВОК, как показано на рисунке 5, обладают контурами градиента тепла, они являются кривыми низкого значения тепла и, следовательно, оказывают меньшее влияние на причинение ущерба ВОК.

Заключение. Рассмотрены эксплуатационные возможности прокладки силового кабеля и ВОК в одной траншее. Были зафиксированы результаты моделирования, влияющие на отклик параметров при отказах силовых кабелей, и установлено, что они оказывают меньшее или незначительное влияние на производительность ВОК. Это предложение нашло решение для снижения инвестиционных затрат потребителя.

Список литературы:

1. Волоконно-оптическая связь: Приборы, схемы и системы. - М.: Радио и связь, 2018. - 272 c.
2. Волоконно-оптические системы мониторинга состояния инфраструктурных объектов/ сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепцова Н.Н. — М.: Экслибрис-Пресс, 2015. — 304 с.
3. Гурлев И.В. Методы и способы обеспечения безопасности информации, передаваемой по спутниковой сети технологии VSAT // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, № 3 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/85EVN317. pdf. – 9 с.
4. Иванов В.С., Никитин Б.К., Пирмагомедов Р.Я. Строительство ВОЛС. Современные технологии и организация. Часть 1. – СПб: СПбГУТ им. М.А. БончБруевича, 2015. – 71 с.
5. Новиков, О. С. Волоконно-оптические линии связи и перспективы их развития / О. С. Новиков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 23 (313). — С. 129-132. — URL: https://moluch.ru/archive/313/71199/ (дата обращения: 15.10.2020).
6. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи, их монтаж и измерение. Учебное пособие для вузов. - М: Горячая линия- Телеком, 2012. - 448 с.
7. Родина О. В. Волоконно-оптические линии связи. Практическое руководство. -М.: Горячая линия- Телеком, 2012. — 400с.
8. Скляров, О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи / О.К. Скляров. - М.: Солон-Пресс, 2018. - 480 c.
9. Солимено, С. Дифракция и волноводное распространение оптического излучения / С. Солимено, Б. Крозиньяни, Ди Порто П.. - М.: [не указано], 2016. - 377 c.
10. External Pipeline Leak Detection Based on Fiber Optic Sensing for the Kinosis 12″–16″ and 16″–20″ Pipe-in-Pipe System/ C. Borda, D. DuToit, H. Duncan, M. Nikles // 10th International Pipeline Conference IPC2014–33375, 2014–09. URL: http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=2022560.