ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ КАК ЛИНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

АННОТАЦИЯ

Проанализировали особенности изменения электрических характеристик волоконно-оптического кабеля, который находится под воздействием сильного однородного переменного электромагнитного поля (ЭМП). Также рассмотрены варианты процессов, которые могут быть использованы для описания влияния ЭМП высокой напряженности на характеристики волоконно-оптического кабеля.

Ключевые слова: волоконно-оптический кабель, электротермическая деградация, кевлар, проводимость.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), используемые OАO «РЖД», начались эксплуатироваться c 1999 года. C 2002 года, в сети железных дорог России, появились случаи неисправностей ВОЛС, вызванные электротермической деградацией кабеля. Мощное ЭМП тяговой сети электрифицированных железных дорог стало причиной выхода из строя ВОЛС на целом ряде используемых участков. Один из эффективных способов борьбы с таким явлением – учет электрических характеристик ВОЛС на стадии создания, с целью анализа возможного воздействия ЭМП. В данной статье предложен способ рассмотрения ВОЛС как линии с распределёнными параметрами.

К первичным характеристикам ВОЛС, как и любой линии с распределенными параметрами относятся: продольное активное сопротивление R (Ом/км), продольная распределенная индуктивность L (Гн/км), поперечная емкость ВОЛС С (Ф/км), поперечная активная проводимость утечки g (См/км). Рассмотрим индивидуальные характеристики ВОЛС.

К индивидуальным характеристикам ВОЛС относятся его параметры без учета воздействия внешних ЭМП.

Разберем каждую из первичных характеристик более подробно:

Продольное активное сопротивление ВОЛС определяется его поверхностным сопротивлением, так как при любой деградации оболочки кабеля, как показали исследования, протекающие токи в глубину оболочки не проникают.

Поверхностное сопротивление ВОЛС в процессе его использования меняется в очень широких пределах под влиянием как длительно действующих, так и кратковременно действующих факторов. Проведенные замеры показали, что для нового ВОК с чистой поверхностью поверхностное сопротивление составляет не менее 590 – 640 МОм/см и незначительно снижается при увлажнении (до 560 – 630 МОм/см), так как оболочка нового кабеля практически не намокает.

Для кабеля, находящегося в эксплуатации, поверхностное сопротивление уменьшается, причем степень уменьшения зависит от степени деградации поверхности оболочки под воздействием солнечной радиации и атмосферных воздействий. Однако, при отсутствии засорений и увлажнения поверхностное сопротивление ВОК при этом уменьшается не более, чем в два раза, составляя 30÷40 МОм/см.

При наличии засорений, но при отсутствии увлажнения поверхностное сопротивление ВОК резко уменьшается, причем здесь очень сильно влияет характер засорений (металлическая пыль, сажа, солевые отложения) и при отсутствии увлажнения может снижаться до 400 кОм/см.

Воздействие увлажнения на кабель, длительно находящийся в использовании и имеющий отложения загрязнений на поверхности снижает его поверхностное сопротивление до 500 Ом/см и даже менее. Таким образом, продольное активное сопротивление ВОЛС является переменным параметром и колеблется в диапазоне 500 Ом/см ÷ 64 МОм/см.

Продольная индуктивность ВОЛС. Этот первичный параметр с учетом влияния земли, может быть определен по формуле:

где r – радиус ВОК (м); γ_з – проводимость земли (См/м).

Продольное распределенное сопротивление ВОЛС при частоте 50 Гц:

Так как величина ωL при любом сочетании параметров и различной геометрии подвески ВОЛС не превышает 1,5 Ом/км, то во всем возможном диапазоне изменения параметров R>>ωL, поэтому без заметной погрешности можно считать Z = R.

Поперечная собственная емкость ВОЛС.

Этот первичный параметр определяется, в основном высотой подвески и при высоте ≈ 6,5 м составляет С ≈ 11,1×10^-3 мкФ/км.

Поперечная проводимость утечки ВОЛС.

Этот параметр необходимо рассмотреть в более детальном анализе. ВОЛС в пролете между опорами имеет в качестве естественной изоляции воздух, поэтому по длине пролета можно считать, что эта величина равна нулю, g ≈ 0.

Иначе обстоит дело в точках подвеса ВОЛС на кронштейнах. Этот параметр зависит от состояния поддерживающего зажима, от того, изолирован ли кронштейн от опоры, а также и от сопротивления самой опоры. В пределе, при наиболее неблагоприятном сочетании факторов суммарное сопротивление в точке подвеса ВОЛС относительно земли может снижаться до 10 Ом. Тогда средняя проводимость утечки может достигать    g = 0,1 × 20 = 2 См/км.

Отсюда следует вывод о том, что, строго говоря, ВОЛС нельзя рассматривать на протяжении нескольких пролетов как однородную линию с распределенными параметрами. Однако, это вполне можно делать, рассматривая ВОЛС в пределах одного пролета, хотя и в этом случае следует учитывать возможные разнородности. Эти разнородности и широкий разброс параметров относятся к таким первичным параметрам, как R и g.

Волновое сопротивление ВОЛС как однородной линии с распределенными параметрами

С учетом приведенного анализа возможных диапазонов изменения первичных параметров волновое сопротивление ВОЛС в пределах пролета

Таким образом, волновое сопротивление ВОЛС по длине пролета является по характеру активно-емкостным, а по модулю меняется в широких пределах пропорционально . Таким же оно будет и в пределах нескольких пролетов при высокой изоляции ВОЛС в точках подвеса, в частности, при хорошем состоянии изоляции поддерживающих зажимов.

Коэффициент распространения

Без учета утечки через опоры контактной сети и по длине пролета имеем

Таким образом, наиболее целесообразным является рассмотрение ВОЛС как линии с распределенными параметрами в пределах одного пролета, когда ВОЛС можно рассматривать как единую линию, а разнородности в местах подвеса рассматривать отдельно.

Список литературы:

1. Филиппов Ю.И., Асс Э.Е., Попов Л.Е., Бочев А.С., Соловьев Г.Е., Осипов В.А., Гайворонский А.С., Кречетов В.В., Прокопович М.Р. Электротермическая деградация оптического кабеля на участках железных дорог переменного тока. Lightwave Russian Edition, 2006, № 3, с. 20.
2. Степанчук К.Ф., Тинянков Н.А. Техника высоких напряжений – 2-е изд., перераб. и доп. – Минск.: Выш. школа, 1982. 367 с.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М: Высшая школа, 1987. 264 с.
4. Воробьев Г. А., Похолков Ю. П., Королев Ю. Д., Меркулов В. И Физика диэлектриков, область сильных полей. Томск: Изд-во ТП, 2003. 244с.
5. Бочев А.С., Соловьев Г.Е., Осипов В.А., Невретдинова О.В. Влияние переменных электромагнитных полей высокой напряженности на интенсивность деградационных процессов в структуре волоконно- оптических кабелей // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения 2009. №2(34). с. 94.
6. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Москва: Транспорт, 1965. 464с.
7. Е.В. Гороховский Условия электропроводимости самонесущего волоконно-оптического кабеля. Экспериментальные данные // Инженерный вестник Дона. 2013. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1968/.
8. Осипов В.А., Соловьев Г.Е., Гороховский Е.В., Капкаев А.А. Проблемы электромагнитной деградации волоконно-оптических линий связи и перспективные направления их решения // Инженерный вестник Дона, 2013.