3.1. Защита ОК, проложенных в междугородной кабельной канализации, от опасных электромагнитных воздействий

3.2. Виды опасных воздействий грозовых разрядов на оптические кабели и характере их повреждений

3.2.1. Нормы и технические указания при выборе защитных мер

3.3. Определение вероятного числа повреждений оптических кабелей ударами молнии

3.3.1. Защитные мероприятия и оценка их эффективности

3.1. Защита ОК, проложенных в междугородной кабельной канализации, от опасных электромагнитных воздействий

Одним из важнейших факторов обеспечения надежной работы подземных оптических кабельных линий передачи является своевременная и технически правильно выполненная защита их от ударов молнии в процессе проектирования, строительства и эксплуатации.

Оптические кабельные линии передачи магистральной и внутризоновых сетей связи могут быть сданы в постоянную эксплуатацию, если будут выполнены все мероприятия, предусмотренные проектом защиты ОК

3.2. Виды опасных воздействий грозовых разрядов на оптические кабели и характере их повреждений

Интенсивность грозовых разрядов (ударов молнии) характеризуется величиной тока молнии. Ток единичного грозового разряда состоит из импульсной и постоянной составляющих.

Величина тока молнии импульсной составляющей грозового разряда колеблется от нескольких килоампер до сотен килоампер. Средняя величина тока молнии при грозовом разряде в землю равна 30 кА. Форма импульса тока молнии характеризуется длительностью фронта τ мкс и длительностью спада импульса до половины амплитуды тока t мкс. Импульс обозначается τ/t. Средний ток молнии имеет форму импульса 5/65. За импульсной составляющей следует постоянная составляющая тока грозового разряда, которая характеризуется величиной и длительностью протекания тока молнии. Средняя величина постоянной составляющей тока грозового разряда равна 100 А. Длительность постоянной составляющей в среднем равна 30-50 мс.

Число повторных импульсов в образовавшемся канале грозового разряда изменяется в широких пределах. Среднее число импульсов в грозовом разряде равно 3. Редко наблюдается число импульсов в разряде молнии, превышающее 10.

Величина общего заряда, стекающего в землю по каналу многократной молнии колеблется от 10 до 80 Кл (в среднем 20 Кл).

Ожидаемое число и объем повреждений ударами молнии, возникающих в течение года на подземном оптическом кабеле, зависят от ряда факторов:

• интенсивности грозовой деятельности;
• амплитуды и формы импульса тока молнии;
• удельного сопротивления, влажности и геологического строения грунта;
• рельефа местности;
• наличия вблизи кабеля возвышающихся объектов;
• молниестойкости кабеля.

Интенсивность грозовой деятельности в конкретно рассматриваемой местности определяется по удельной плотности ударов молнии в землю (ожидаемое число ударов молнии в 1 км поверхности земли за год), исходя из среднегодовой продолжительности гроз в часах.

Стойкость оптических кабелей к ударам молнии (молниестойкость) определяется допустимым током молнии в металлической оболочке (бронепокрове) ОК, при котором не возникает повреждения кабеля с перерывом связи.

Молниестойкость ОК зависит от механической прочности кабеля (и, в первую очередь, к раздавливающим усилиям), тепловых характеристик кабельных материалов, проводимости металлических оболочек (бронепокрова), электрической прочности изоляции жил ДП, оболочек и других металлических элементов.

ОК, выдерживающие ток молнии 105 кА и выше, относятся к первой категории, 80 кА и выше, но не более 105 кА - ко второй категории, 55 кА и выше, но не более 80 кА - к третьей категории по молниестойкости. ОК, выдерживающие ток молнии менее 55 кА, относятся к четвертой категории:

Опасным ударом молнии называется такой удар, при котором возникает повреждение ОК с перерывом связи.

Наибольшая плотность наземных грозовых разрядов наблюдается в зонах тектонических разломов, характеризующихся низкими удельными сопротивлениями грунтов по сравнению с удельными сопротивлениями прилегающих горных пород, и в местах контакта двух различных геологических пород, отличающихся по величине удельного сопротивления.

Возвышающиеся объекты (опоры воздушных линий связи, ВЛС и электропередачи, ВЛ, мачты радиобъектов, отдельные деревья, лес и т. п.), находящиеся вблизи трассы ОК, ориентируют на себя наземные грозовые разряды, что повышает при прочих равных условиях число повреждений кабеля, проложенного на открытой местности.

Различают следующие виды опасных воздействий разрядов молнии на ОК: грозовые перенапряжения, электродинамические и термические воздействия. Кабели одновременно подвергаются всем видам воздействий.

Электродинамические воздействия создают наиболее серьезные повреждения ОК, которые возникают в результате интенсивного испарения воды во влажном грунте или битумного (гидрофобного) состава, наложенного поверх бронепокрова, и резкого повышения давления при контакте с высокотемпературным каналом молнии в месте входа тока молнии в кабель. Наблюдаются прогибы и вмятины на бронелентах, оболочке и сердечнике со смятием и растрескиванием трубок оптических модулей и изоляции жил дистанционного питания (ДП).

Термические воздействия тока молнии вызывают перегрев бронепокрова и жил ДП, по которым течет ток, вплоть до их разрушения, оплавление и прожог оболочек и лент бронепокрова, расплавление и разрушение трубок оптических модулей и изоляции жил ДП в результате интенсивного выделения тепла в месте контакта с каналом молнии.

Под грозовым перенапряжением понимается обусловленное ударом молнии повышенное напряжение в различных цепях ОК, вызывающее пробои изоляции и прекращение действия связи.

3.2.1. Нормы и технические указания при выборе защитных мер

На проектируемых оптических кабельных линиях передачи магистральной и внутризоновых сетей связи защитные мероприятия от повреждений ударами молнии предусматриваются на тех участках, где вероятное число опасных ударов молнии (вероятная плотность повреждений) в ОК превышает допустимое число, указанное в таблице 3.1.

При проектировании оптических кабельных линий передачи необходимо предусматривать использование ОК, имеющих категорию по молниестойкости не ниже приведенных в таблице 3.2, в зависимости от назначения ОК и условий прокладки.              На существующих оптических кабельных линиях передачи защитные мероприятия осуществляются на тех участках, где произошли повреждения от ударов молнии, причем длина защищаемого участка определяется условиями местности (протяженностью возвышенности или участка с повышенным удельным сопротивлением грунта и т.п.), но должна быть не менее 100 м в каждую сторону от места повреждения. В этих случаях необходимо предусматривать прокладку защитных проводов. Работы по оборудованию защитных мер осуществляются сразу после устранения грозового повреждения.

Таблица 3.1 Вероятная плотность повреждений

 

Таблица 3.2 Рекомендуемые категории ОК

При прокладке ОК в населенном пункте, кроме случая пересечения и сближения с ВЛ напряжением 110 кВ и выше, защита от ударов молнии не предусматривается.

Если вблизи трассы ОК находятся отдельно стоящие деревья, опоры ВЛС или ВЛ, а также другие объекты высотой более 6 м (опоры молниеотводов, мачты и опоры радиообъектов и т.п.), при прокладке ОК вдоль опушки леса (аллеи деревьев), ВЛС или ВЛ защиту следует предусматривать при расстоянии между кабелем и деревом (ближайшим электродом заземляющего контура опоры, подземной частью незаземленной опоры) менее расстояний, приведенных в таблице 3.3 для различных значений удельного сопротивления грунта.

Таблица 3.3 Значения удельного сопротивления грунта

В случае невозможности выдержать расстояния, приведенные в таблице 3.3, необходимо предусматривать дополнительную защиту.

В местах сближения ОК с отдельно стоящими деревьями, опорами ВЛС и ВЛ, а также с другими объектами высотой более 6 м (опоры молниеотводов, мачты и опоры радиообъектов и т.п.) защита выполняется путем прокладки защитной шины (троса, провода) сечением не менее 12 мм по меди и 70 мм по стали между кабелем и опорой или деревом. Концы шины заземляются. Сопротивление заземляющих устройств должно быть не более 10 Ом при удельном сопротивлении ρ₃ грунта до 100 Ом∙м, 20 Ом при ρ₃ свыше 100 до 300 Ом∙м, 30 Ом при ρ₃  свыше 300 до 500 Ом∙м, 50 Ом при ρ₃ свыше 500 до 1000 Ом∙м и 60 Ом при ρ₃ свыше 1000 Ом∙м. Защитная шина (трос, провод) должна прокладываться на глубине 0,4 м.

Если расстояние между кабелем и опорой меньше 2 м, то защитные шины прокладываются по возможности ближе к опоре. Сопротивление заземляющего устройства в этом случае должно быть не более 10 Ом независимо от удельного сопротивления земли.

При наличии между ОК и отдельным возвышающимся объектом металлического подземного сооружения (трубы или провода) защита кабеля путем оконтуровки опор необязательна.

При прокладке ОК вдоль опушки леса (аллеи деревьев), ВЛС или ВЛ на расстоянии меньше, чем указано в таблице 3.3, необходимо между кабелем и лесом (ВЛС, ВЛ) проложить один защитный провод типа ПС-70 по всей длине сближения.

Если удельное сопротивление грунта в районе прокладки ОК более 1000 Ом∙м и расчетное вероятное число повреждений ОК на 100 км трассы в год для условий открытой местности превышает удвоенное значение допустимого числа повреждений, указанное в таблице 3.1, то помимо защитного провода со стороны деревьев (опор ВЛС, ВЛ) необходимо предусмотреть прокладку дополнительного защитного провода с противоположной стороны ОК.

При пересечении трассы ОК с ВЛ напряжением 110 кВ и выше в случае  прохождения ОК около опоры ВЛ на расстояниях, меньших допустимых, для защиты от токов короткого замыкания ВЛ необходимо покрыть ОК швеллером на длине, равной расстоянию между проводами ВЛ плюс 10 м каждой стороны от крайних проводов для ВЛ до 500 кВ и 15 м - для ВЛ 750 кВ. Стальную броню ОК со швеллером не соединять.

В населенном пункте при расстоянии между ОК и ближайшим электродом заземляющего контура опоры (или до железобетонной, или металлической опоры) BЛC пли ВЛ напряжением до 35 кВ не менее 3 м, а также при расстоянии между кабелем и незаземленной деревянной опорой (или деревянной опорой с железобетонными приставками), ВЛС или ВЛ напряжением до 35 кВ не менее 2 м защита не требуется. В местах пересечения и сближения ОК с ВЛ напряжением 110 кВ и выше не допускается прокладывать кабель на расстоянии менее 5 м от ближайшего электрода заземляющего контура опоры и подземной части незаземленной опоры ВЛ.

При прокладке ОК по просеке шириной не более 6 м защиту следует предусматривать, как и для случая прокладки на открытой местности.

Если ОК прокладывается по просеке шириной более 6 м, но менее 3 h (где h - высота леса), причем расстояние между ОК и краем леса меньше 0,75 h, но не более указанного в таблице 3.3 в зависимости от удельного сопротивления грунта, то между ОК и краем леса необходимо предусмотреть прокладку защитного провода.

Если удельное сопротивление грунта в районе прокладки ОК более 1000 Ом∙м и расчетное вероятное число повреждений ОК на 100 км трассы в год для условий открытой местности превышает удвоенное значение допустимого числа повреждений, указанное в таблице 3.1, то помимо защитного провода со стороны края леса необходимо предусмотреть прокладку дополнительного защитного провода с противоположной стороны ОК.

Если ОК прокладывается по просеке, и в просеке находятся ВЛ (ВЛС), высота опор которых больше высоты деревьев, то при защите ОК следует принимать во внимание только ВЛ. Если высота опор ВЛ меньше высоты леса, ВЛ во внимание не принимается.

В случае прокладки ОК вдоль полотна железной дороги или вдоль подземного металлического трубопровода на расстоянии до 10 м меры защиты от ударов молнии не предусматривается.

3.3. Определение вероятного числа повреждений оптических кабелей ударами молнии

Вероятное число повреждений ОК ударами молнии характеризуется вероятной плотностью повреждений. Под вероятной плотностью повреждений понимается общее число грозовых повреждений с перерывом связи, отнесенных к 100 км кабельной линии в год, т. е.

,                                                                 (3.1)

где N - общее число повреждений, равное числу опасных ударов молнии, на всей кабельной линии в течение рассматриваемого промежутка времени; К - промежуток времени, за который произошло N повреждений, лет; L - длина линии, км.

 Для определения вероятной плотности повреждений ОК необходимо знать следующие данные:

- молниестойкость кабеля (допустимый ток молнии, не вызывающий повреждения ОК с перерывом связи), кА,

- интенсивность грозовой деятельности в районе прокладки ОК (удельная плотность ударов молнии в землю или среднегодовая продолжительность гроз в часах),

- удельное сопротивление грунта, Ом∙м, и его строение,

- наличие вблизи кабеля возвышающихся объектов (лес, отдельно стоящие деревья, ВЛС, ВЛ и т.п.).

Для определения вероятной плотности повреждений ОК марки ОЗКГ-1 с жилами ДП и ОКЗО-1 необходимо дополнительно к перечисленным данным знать электрическую прочность изоляции наружной защитной оболочки, кВ.

Допустимый ток молнии в металлической оболочке (бронепокрове) ОК, при котором не возникает повреждения кабеля с перерывом связи, определяется экспериментально в соответствии с рекомендацией К. 25 МСЭ-Т «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии».

Значения допустимого тока молнии для основных марок ОК, выпускаемых заводами России для магистральной и внутризоновых сетей связи, с указанием их категории по молниестойкости приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 Значения допустимого тока молнии для основных марок ОК

При заказе ОК по импорту необходимо требовать от поставщика сведений о максимально допустимом токе молнии, выдерживаемом поставляемым кабелем, и электрической прочности изоляции между металлическими элементами и между последними и землей.

Интенсивность грозовой деятельности определяется по удельной плотности ударов молнии в землю (ожидаемое число ударов молнии в 1 км поверхности земли за год) исходя из среднегодовой продолжительности гроз в часах. Ее устанавливают по сведениям метеостанций, расположенных на трассе оптической кабельной линии, или региональным картам продолжительности гроз. Для определения удельной плотности ударов молнии в землю по данным о продолжительности гроз необходимо воспользоваться таблицей пересчета.

Ориентировочную оценку интенсивности грозовой деятельности можно производить по карте среднегодовой продолжительности гроз в часах для территории Казахстанана.

Определение удельного сопротивления грунта и его строения на трассе проектируемой кабельной линии включает:

- сбор исходных материалов и разбивку предполагаемой трассы кабеля на отдельные районы с однотипным строением земли,

- натурные электроразведочные исследования электрического строения земли.

Данные о строении земли на трассе проектируемой кабельной линии собираются на основании изучения геологических карт масштаба 1:200000 или 1:100000. На основе имеющихся данных выделяются районы с однотипным строением земли, наносятся стыки различных пород и границы тектонических разломов, пересекающих трассу кабеля. Уточнение границ районов с однотипным строением земли проводится по картам масштаба 1:50000 или 1:25000.

После разбивки кабельной трассы на отдельные районы выполняются натурные исследования электрических характеристик грунтов.

Удельное сопротивление грунта измеряется методом четырех электродов при разносе крайних заземлителей на 6 м (т. е. расстояние между двумя соседними штырями а = 2м) или любым другим методом, обеспечивающим измерение удельного сопротивления грунта на той же глубине. Измерения производятся летом (в период максимальной грозодеятельности).

Точки измерения удельного сопротивления грунта должны располагаться в центрах районов с однотипным строением земли, но не реже чем через 5 км вдоль трассы проектируемой линии. Дополнительные измерения по трассе производятся в местах изменения рельефа земной поверхности (равнина, воз вышенность) или в местах смены растительности (степь, лес).

При отсутствии предварительных сведений о строении земли по трассе проектируемой кабельной линии измерение удельного сопротивления грунта следует производить через каждые 2 км.

Вероятное число повреждений ОК, проложенных на открытой местности (на 100 км длины кабеля в год), находится из таблицы 3.5. В таблице 3.5 приведены значения вероятного числа повреждений для различных значений удельного сопротивления грунта и допустимого тока молнии в металлической оболочке (бронепокрова) ОК при удельной плотности ударов молнии в землю q = 2 (1/км² год)).

Таблица 3.5 Вероятное число повреждений ОК, проложенных в открытой местности

Вероятное число повреждений ОК марки ОЗКГ-1 с жилами ДП и ОКЗО-1, проложенных на открытой местности (на 100 км длины кабеля в год), находится из таблицы 3.6. В таблице 3.6 приведены значения вероятного числа повреждений для различных значений удельного сопротивления грунта при импульсной электрической прочности изоляции наружной защитной оболочки U _пр = 120 кВ и удельной плотности ударов молнии в землю q = 2 (1/(км² год)).

Для определения вероятного числа повреждений ОК при других значениях удельного сопротивления грунта, лежащих между приведенными в таблицах 3.5 и 3.6, необходимо пользоваться линейной интерполяцией.

При других значениях удельной плотности ударов молнии в землю q величину вероятного числа повреждений n , полученную из таблиц 3.5 и 3.6 следует умножить на отношение, учитывающее отличие исходных данных от тех, на основе которых получены табличные значения:

                                                                                   (3.2)

Вероятное число повреждений, получаемое из таблиц 3.5 и 3.6 и формулы (3.2), относятся к участку кабельной линии длиной 100 км. При необходимости определения абсолютного значения вероятного числа повреждений участка длиной l число повреждений, найденное по формуле (3.2), нужно умножить на отношение длин:

                                                                  (3.3)

Полученные по формуле (3.3) данные сравнивать непосредственно с данными таблице 3.1 нельзя, так как последние относятся к участку линии длиной 100 км. Чтобы те и другие данные можно было сравнивать, допустимое число опасных ударов молнии следует также привести к этой длине.

Таблица 3.6 Вероятное число повреждений ОК марки ОЗКГ-1 с жилами ДП и ОКЗО-1

3.3.1. Защитные мероприятия и оценка их эффективности

Защита оптических кабельных линий передачи от ударов молнии может быть осуществлена следующими способами:

- путем прокладки полностью неметаллических ОК;

- путем прокладки ОК повышенной молниестойкости ;

- с помощью проложенных в земле параллельно ОК защитных проводов (тросов).

Выбор той или иной защитной меры или комплекса защитных мер устанавливается проектной или эксплуатирующей организацией, исходя из экономической целесообразности на основании нормативных указаний.

Защита оптических кабелей с помощью подземных проводов

Защитные провода, проложенные в земле над ОК, перехватывают разряд молнии и, следовательно, уменьшают вероятность поражения ОК ударами молнии.

Защитное действие проложенных в земле проводов характеризуется коэффициентом защитного действия S_пр, показывающим отношение вероятного числа повреждений ОК при наличии защитного провода к вероятному числу повреждений при его отсутствии.

В таблице 3.7 приведены коэффициенты защитного действия одного и двух проводов типа ПС-70 для различных значений удельного сопротивления грунта и расстояния между проводами. Коэффициенты получены при прокладке защитных проводов на глубине 0,4 м от поверхности земли, расстояние между кабелем и тросом при защите одним тросом и между кабелем и плоскостью защитных проводов при защите двумя тросами 0,5 м.

Расчет защиты проводами производится следующим образом. Если вероятное число повреждений ОК на данном участке превышает допустимое, то в качестве защитной меры может быть выбран один защитный провод.

Вероятное число повреждений кабеля после прокладки одного защитного провода находится умножением коэффициента защитного действия, определяемого из таблицы 3.7, на вероятное число повреждений ОК при отсутствии провода.

Таблица 3.7 Вероятное число повреждений кабеля после прокладки одного защитного провода

Если найденная величина числа повреждений меньше или равна допустимой, то для защиты достаточно одного защитного провода. Если n>n_о то следует взять два защитных провода, после чего опять находится вероятное число повреждений ОК с двумя защитными проводами. Защита оптического кабеля с помощью проводов в количестве более двух не предусматривается.

Наилучшие результаты при защите ОК двумя проводами дает их прокладка симметрично относительно ОК на расстоянии два метра друг от друга при удельном сопротивлении грунта до 1000 Ом∙м и на расстоянии четыре метра друг от друга при удельном сопротивлении грунта свыше 1000 Ом∙м.

При прокладке ОК по открытой местности, вдоль леса, ВЛС или ВЛ защитные провода прокладываются на глубине 0,4 м от поверхности земли. В грунтах V группы и выше, а также в грунтах IV группы, разрабатываемых взрывным способом или отбойными молотками, защитные провода прокладываются на глубине равной половине глубины прокладки ОК.

В случае прокладки ОК по пашне, глубина прокладки проводов выбирается на 0,2 м ниже глубины вспашки.

Допускается уменьшение принятой глубины прокладки защитных проводов на 25%.

Если ОК проложен по открытой местности и по условиям расчета выбран один защитный провод, последний прокладывается над ОК.

При прокладке двух защитных проводов последние следует располагать симметрично над кабелем с расстоянием между проводами от 0,4 м до 4 м.

Если ОК прокладывается вдоль леса, ВЛС или ВЛ и между ОК и лесом необходимо проложить защитный провод, последний прокладывается на расстоянии 1 м от ОК при удельном сопротивлении грунта до 1000 Ом∙м и 2 м - при удельном сопротивлении грунта более 1000 Ом∙м. Дополнительный защитный провод с противоположной стороны ОК прокладывается симметрично на том же расстоянии от ОК.

Диаметр защитного провода должен быть не менее 4 мм для биметаллического провода и не менее 9,4 мм для стального оцинкованного провода (соответствуют проводу ПС-70).

Для замены одного провода типа ПС-70 другими типами стальных проводов необходимо брать оцинкованные провода такого диаметра и в таком количестве, чтобы общее сечение их было не менее 70 мм . В этом случае последние должны прокладываться вместе в одной траншее.

Защитные провода с оболочкой и бронепокровом ОК не соединяются.

Специальные заземления по длине защитного провода не делаются. На каждом участке защитные провода плавно (с радиусом не менее 3 м) отводятся в сторону от ОК под прямым углом на расстояние равное 15 м, и на концах провода оборудуется заземлителъ с сопротивлением не более 10 Ом при удельном сопротивлении грунта свыше 100 Ом∙м, 20 Ом при удельном сопротивлении грунта ρ₃ свыше 100 до 300 Ом∙м, 30 Ом при р₃ свыше 300 до 500 Ом∙м, 50 Ом при ρ₃ свыше 500 до 1000 Ом∙м и 60 Ом при ρ₃ свыше 1000 Ом∙м.

Защитный провод должен заканчиваться на расстоянии не менее 25 м от регенерационного пункта (НРП и ОРП). Продление защитного провода мимо НРП на соседний регенерационный участок недопустимо. Выполняется отвод защитного провода в сторону от ОК.

На стыках отдельные строительные длины защитных проводов соединяются между собой пайкой, сваркой или обжимами.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды опасных воздействий разрядов молнии на ОК?

2. Что относится к электрическим параметрам молнии?

3. Какая существует классификация ОК по молниестойкости?

4. В  каких зонах наблюдается наибольшая плотность наземных грозовых разрядов?

5. Как определяется вероятное число повреждений ОК ударами молнии?

6. Какие данные, необходимы для определения вероятной плотности повреждений ОК?

7. Какие существуют способы защиты оптических кабельных линий передачи от ударов молнии?