Проектирование волоконно-оптических линий связи

 

Содержание


Введение

1.Характеристика трассы ВЛ на участке ПС Восточная - ПС Заря

2.Выбор систем передачи

2.1Существующие системы передачи по ВЛ

2.2Характеристика проектируемой СП

3.Выбор типа ОК для подвески на ВЛ

3.1Общие сведения

3.2ОК, встроенные в грозозащитный трос

3.3Самонесущие неметаллические ОК

3.4ОК, предназначенные для навивки на провода и грозозащитные тросы

.5Обоснование выбора типа ОК

4.Расчет параметров ОК

4.1Расчет числовой апертуры и определения режима работы ОК

4.2Расчет затухания ОК

4.3Расчет дисперсии

4.4Расчет длины регенерационного участка

4.4.1Расчет длины ЭКУ по дисперсии

4.4.2Расчет длины ЭКУ по затуханию

5.Расчет механической нагрузки на ОКГТ

6.Эксплуатационные и монтажные измерения параметров ВОЛС

6.1Испытания и измерения ОК

6.2Измерения затухания

6.2.1Прямой метод измерения затухания

6.3Измерение дисперсии

6.4Определение места и характера повреждения ОК

7.Расчет показателей надежности

7.1Понятие надежности

7.2Расчет параметров готовности подземной ВОЛС

7.3Расчет параметров готовности подвесной ВОЛС

7.4Анализ результатов расчетов

8.Строительство ВОЛС - ВЛ на участке ПС Восточная - ПС Заря

8.1Общие сведения

8.2Строительство ВОЛС - ВЛ на монтажном участке (опора №9 - опора №17)

.2.1Подготовительные работы

8.2.2Монтаж кабеля

8.3Потребность в машинах, механизмах, транспорте

9.Оценка технико-экономической эффективности ВОЛС - ВЛ

10.Мероприятия по охране труда, ТБ и сохранению окружающей среды

Заключение

Список литературы


Аннотация


Взрывной характер развития сетей связи вызвал необходимость разработки новых технологий сооружения проводных линий передачи. Основные требования к технологии - простота проектирования, быстрота, экономичность строительства, высокая пропускная способность, надёжность. В свете этих требований особый интерес представляет новая технология сооружения ВОЛС, отличающаяся тем, что оптический кабель подвешивается на опоры высоковольтных воздушных линий электропередачи, а не прокладывается в грунт.

В данном дипломном проекте рассматриваются основные вопросы проектирования и строительства ВОЛС-ВЛ на опорах существующей ВЛ 220 кВ на участке ПС Восточная-ПС Заря.


Введение


Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) в настоящее время занимают заметное место в системах передачи информации как общегражданского, так и специализированного назначения.

Внедрение волоконно-оптических линий в системы связи началось с конца 70-х годов и интенсивно продолжается нарастающими темпами. Исходной точкой развития ВОЛС считается открытие лазерного механизма генерации света, а затем - появление современной волоконной оптики на базе полученных кварцевых световодов с малым затуханием. Последнее показало что основное препятствие при распространении света (его затухание), обусловленное в основном наличием примесей, может быть снижено, а сами световоды приемлемы в качестве среды распространения сигнала.

Оптические волокна (ОВ) в качестве среды распространения многоканального сигнала имеют существенные преимущества перед традиционно используемыми металлическими кабелями и эфиром.

  1. Широкополосность. В любой системе связи (например, цифровой) скорость передачи информации связана с занимаемой полосой, составляющей определенный процент значения несущей частоты. Неискаженные передачу и прием полосы осуществить тем легче, чем меньший процент она составляет. Следовательно, большое значение несущей частоты, что и используется в ВОЛС,снижает требования к широкополосности системы и увеличивает ее информационную емкость.
  2. Высокая защищенность от внешних электромагнитных полей, объясняемая диэлектрической природой распространения сигнала, физическими условиями этого распространения и использованием очень коротких длин волн. Подобного эффекта невозможно достичь в уже освоенных традиционных диапазонах из-за насыщенности радиочастотного спектра источниками излучений. Это свойство особенно привлекательно для энергетики, так как металлический кабель плохо совместим с воздушными высоковольтными линиями электропередачи (ВЛ).
  3. Большая длина участка регенерации. По понятным причинам это имеет большое значение, в частности, для электроэнергетической отрасли.
  4. Малогабаритность и легкость кабелей на основе ОВ.
  5. Высокая экономичность из-за отсутствия потребности в меди, что очень существенно, поскольку традиционно кабельная промышленность потребляет до половины объема общих ресурсов меди и до четверти - свинца.

Присущие ВОЛС недостатки (дороговизна аппаратуры и кабеля из-за сложной технологии, необходимость работы при повышенном соотношении сигнал - шум из-за трудностей практической реализации когерентной обработки сигнала и гетеродинных методов приема, слабая радиационная стойкость и другие) не снижают указанных преимуществ. Это, а также тот факт, что многие задачи передачи сигналов могут быть экономично решены только с использованием ОВ, обусловило широкое распространение ВОЛС не только в дальней связи, но и в локальных сетях.

Энергетическая отрасль также является перспективной областью применения ВОЛС, учитывая протяженность ВЛ и возможность подвески оптического кабеля (ОК) на высоковольтных опорах. Телекоммуникационная сеть электроэнергетики является важнейшей составной частью ее инфраструктуры, обеспечивающей функционирование комплекса объектов и центров технологического управления Единой энергетической системы (ЕЭС) России; сбор и передачу телемеханической информации, функционирование средств и систем автоматического управления (релейной защиты, противоаварийной автоматики); контроля и диагностики электростанций, электрических и тепловых сетей, контроля и учета в реальном времени производства, передачи и потребления электрической и тепловой энергии.

Одновременно с этим телекоммуникационная сеть электроэнергетики обеспечивает работу административно-хозяйственных и организационно-экономических управлений производственными объектами, коммерческую, а также научную и конструкторскую деятельность, связанную с развитием отрасли. Телекоммуникационная сеть электроэнергетики - крупнейшая отраслевая сеть связи страны. При развитии Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России рассматриваются вопросы по интеграции отечественных телекоммуникационных сетей в Глобальную информационную структуру (ГИС). Одновременно с глобализацией связи будет происходить постепенный переход к ее персонализации, которая означает возможность любого абонента получать различные услуги связи по своему персональному номеру в любой точке земного шара. Телекоммуникационная сеть электроэнергетики развивается как часть ВСС на аналогичных принципах с использованием передовых телекоммуникационных технологий.

Дальнейшее развитие отраслевой телекоммуникационной сети предусматривается в соответствии с разработанной специалистами Российского акционерного общества «ЕЭС России» «Концепцией развития Единой сети электросвязи и телемеханики электроэнергетики (ЕСЭТЭ) России на период до 2005 года », в которой поставлены задачи развития отраслевой телекоммуникационно - информационной инфраструктуры как технологической основой управления отраслью [1]. При этом в полной мере учитывается существующая в России законодательная и нормативно-правовая база.

В основу создания и развития ЕСЭТЭ положен поэтапный переход от существующих раздельных сетей по видам информации к единой широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания и интеллектуальной сети. Что позволит реализовать новые виды услуг при значительном сокращении оборудования, повышении эффективности использования канального и частотного ресурсов и в конечном итоге при значительном снижении затрат в расчете на единицу передаваемой информации.

Из новейших информационных технологий, которые начали в последнее время внедряться в электроэнергетике и получают широкое распространение в дальнейшем, следует отметить [1]:

синхронную цифровую иерархию (СЦИ) - Synchronous Digital Hierarchy - SDH;

широкополосную цифровую сеть связи с интегрированным обслуживанием (Ш-ЦСИО) - Broadbard Integrated Services Digital Network (B-ISDN);

асинхронный режим доставки информации (АРА) - Asynchronous Transfer Mode - ATM;

интеллектуальные сети (СИ) - Intelligent Network - IN.

Цифровизация первичной сети осуществляется в три этапа [1]:

- на первом этапе (до 2000 года) будут созданы интегрально-цифровые сети связи (ИЦСС) - Integrated Digital Network - IND, в которых будет обеспечиваться интеграция цифровых систем передачи и коммутации. Одним из главных решений этого этапа является переход сетей связи отрасли на единую систему сигнализации. При этом с целью повышения эффективности цифровизации необходимо в каждой из зон обеспечивать компклексное внедрение цифровых систем передачи и коммутации;

на втором этапе (до 2005 года) должны быть созданы цифровые сети интегрального обслуживания (ЦСИО) - Integrated Services Digital Network (ISDN), в которых потребители используют каналы 2В+D (B - цифровой 64-кбит/c канал, D - служебный цифровой 16- Кбит/c канал). Эти сети - результат взаимного развития сетей связи и вычислительных сетей, обеспечивающих предоставление пользователям более широкого спектра услуг;

на третьем этапе (после 2005 года) предусматривается переход к Ш-ЦСИО для организации отраслевой транспортной сети и интеллектуальных сетей.

Внедрение указанных выше новейших информационных технологий осуществляется в рамках интенсивного развития в отрасли:

волоконно- оптических линий связи с подвеской волоконно-оптических кабелей (ВОК) на опорах ВЛ 110-500 кВ;

цифровой коммутационной техники;

систем спутниковой связи.

Внедрение ВОЛС с подвеской ВОК на опорах ВЛ в нашей стране было начато в конце 80-х годов, и на 1 июля 1998 г. введены в эксплуатацию ВОЛС общей протяженностью около 4000 км в ряде энергосистем (Ленэнерго, Колэнерго, Иркутскэнерго, Ивэнерго, Кузбассэнерго и других) [1]. Дальнейшее развитие сетей ВОЛС определено Концепцией развития Единой сети электросвязи и телемеханики электроэнергетики России на период до 2005 года , в соответствии с которой в ближайшие 7-8 лет будет построено около 15,0 тыс.км. ВОЛС с подвеской на ВЛ. Магистральные ВОЛС будут сооружаться, как правило, в кооперации с АО Ростелеком и с некоторыми другими, в первую очередь отечественными телекоммуникацинными компаниями. В регионах, главным образом, будут сооружаться корпоративные сети. При этом основное внимание будет уделяться развитию региональных первичных цифровых сетей.

Учитывая накопленный опыт, а также возрастающую заинтересованность операторов связи и различных компаний и ведомств в строительстве ВОЛС на ВЛ (ВОЛС-ВЛ) РАО ЕЭС России по поручению Государственной комиссии по электросвязи при Государственном комитете России по связи и информатизации разработало нормативно-техническую документацию федерального уровня Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на ВЛ 110 кВ и выше [2].

В общих положениях Правил обосновываются достоинства сооружения ВОЛС-ВЛ по сравнению с традиционным способом прокладки в грунте. Это:

отсутствие необходимости в отводе земель и проведение согласований только с владельцами сооружений, пересекаемых ВЛ;

уменьшение сроков строительства;

уменьшение количества повреждений в районах городской застройки и в промышленных зонах;

снижение капитальных и эксплуатационных затрат в районах с тяжелыми грунтами.

В данном дипломном проекте рассмотрены основные вопросы проектирования и строительства ВОЛС-ВЛ на опорах существующей ВЛ 220 кВ. на участке ПС Восточная-ПС Заря.


1 Характеристика трассы ВЛ на участке ПС Восточная - ПС Заря


На проектируемом участке ПС Восточная - ПС Заря, построена и находится в эксплуатации воздушная высоковольтная линия электропередачи с заземленной нейтралью и действующим напряжением 220кВ. ВЛ проходит в Новосибирской области, по землям совхозов «Луговского» и «Железнодорожного» Новосибирского сельского района.

В районе ПС Заря трасса проходит по Шмаковской лесной даче, Тогучинского лесхоза.

По пути следования ВЛ имеет 2 пересечения с электрофицированными магистральными железными дорогами (Инская - Тогучин и Инская - Сокур), 1 пересечение с ВЛ 110кВ, 1 пересечение с несудоходной рекой Иня и другие пересечения.

Климат района континентальный.

Расчетные климатические условия следующие:

  • Район гололедности 2;
  • Толщина стенок гололеда - 10мм;
  • Скорость ветра при гололеде - 15м/сек, температура воздуха - минус 5 градусов С0;
  • Расчетная скорость ветра - 29м/сек;
  • Абсолютная минимальная температура воздуха минус 50 градусов С0;
  • Абсолютная максимальная температура воздуха плюс 40 градусов С0;
  • Температура наиболее холодной пятидневки минус 39 градусов С0;
  • Среднегодовая продолжительность гроз - 48 часов.

Протяженность волоконно - оптической линии связи составляет 32,849км.

Район строительства согласно строительных норм и правил (СН и П) «Нормы затрат на временные здания и сооружения» определяется как освоенный.

На рисунке 1.1 приведена схема трассы ВЛ на участке ПС Восточная - ПС Заря.


2.Выбор системы передачи


.1 Существующие системы передачи по ВЛ

волоконная оптическая линия связь

Переход к цифровым сетям связи с применением волоконно-оптических кабелей начался в электроэнергетике в конце 80-х годов. До этого времени для организации связи использовались и продолжают использоваться аналоговые системы передачи. По назначению аппаратуру аналоговых систем передачи информации, применяемую на ВЛ, можно разделить на две основные группы: комбинированную и многоканальную- для каналов телефонной связи, телемеханики и передачи данных; специальную- для каналов релейной защиты, линейной и противоаварийной автоматики.

Комбинированная аппаратура рассчитана на один, два и три телефонных канала и несколько независимых каналов телемеханики (передачи данных) в верхней части полосы стандартного канала тональных частот (ТЧ) . Спектр частот стандартного канала ТЧ 0,3-3,4 кГц. разделяется фильтрами на несколько отдельных каналов. Передача сигналов телефонного разговора осуществляется в нижней так называемой тональной части спектра, составляющей обычно 0,3-2,3 кГц., а в надтональном спектре частот (2,3-3,4кГц.) образуются каналы телемеханики, передачи данных и вызова абонентов телефонного канала (если в аппаратуре выделен специальный сигнал для этого). Для каждого из каналов в комбинированной аппаратуре используется своя несущая частота, которая модулируется первичными сигналам.

Многоканальная аппаратура рассчитана на двенадцать стандартных телефонных каналов. При этом спектр частот каждого телефонного канала 0,3-3,4 кГц. может быть использован для передачи сигналов телемеханики, данных и устройств автоматики.

Для разделения спектра ТЧ на две полосы (для передачи сигналов телемеханики и данных в надтональном спектре) используются стандартные разделительные фильтры ДК-2,3 , если аппаратура не содержит подобных фильтров (например, В-12-3).Кроме того, если позволяет конструкция аппаратуры, то в том же канале из схемы блока усилителя низкой частоты передатчика исключается ограничитель максимальных амплитуд. Эта мера применяется с целью исключения паразитной амплитудной модуляции в каналах надтонального спектра при срабатывании ограничителя от сигналов телефонного разговора.

В комбинированной и многоканальной аппаратуре используется способ передачи сигналов на одной боковой полосе частот (ОБП). Каналы телемеханики и данных образуются с помощью дополнительной аппаратуры (модемов) с частотной модуляцией поднесущей частоты.

Существует следующая аппаратура систем передачи информации по ВЛ [3]: комбинированная типа АСК на один и три канала ТЧ; преобразователи спектра частот стандартной двенадцатиканальной аппаратуры воздушных проводных линий связи (В-12-3, З-12Ф-Е) в спектр высоких частот типа МПУ-12; усилители мощности на 100 Вт. типа УМ-1/12-100 для комбинированной и многоканальной аппаратуры; модемы каналов телемеханики типов АПТ и ТАТ-65.

С 1981 года выпускается, с использованием новой элементной базы комбинированная аппаратура на один, два и три телефонных канала типа ВЧС; преобразователи спектра частот 12-ти канальной аппаратуры типа ВЧСП-12; транзисторные усилители мощности на 80 Вт.; универсальные модемы типа АПСТ [3].

Специальная аппаратура для высокочастотных (ВЧ) каналов релейной защиты, линейной и противоаварийной автоматики делится на две подгруппы: устройства передачи блокирующих (запрещающих) сигналов; устройства передачи разрешающих и отключающих сигналов.

Передача блокирующих сигналов осуществляется для дифференциально-фазных и дистанционных защит.

Передача разрешающих сигналов (контролируемых на приёмном конце) осуществляется для ускорения действия резервных защит, а отключающих (неконтролируемых) сигналов - для защит оборудования высокого напряжения, включенного непосредственно на шины подстанций (без выключателей), а также для систем противоаварийной автоматики.

Существует специальная аппаратура следующих типов [3]: приемопередатчик УПЗ -70 для передачи блокирующих сигналов; передатчики и приемники ВЧТО-М для передачи пяти сигналов-команд; высокочастотные и низкочастотные передатчики и приемники АВПА и АНКА для передачи до 14 сигналов-команд.

С 1981 года выпускается более совершенный, с использованием новых элементов приёмопередатчик типа АВЗК-80 для всех видов защит с блокирующим сигналом [3].

Все перечисленные выше системы передачи работают по фазным проводам ВЛ. Такие используются ВЧ тракты по: изолированным проводящим грозозащитным тросам; изолированным проводам расщеплённых фаз (внутрифазный тракт); изолированным проводам расщеплённых проводящих грозозащитных тросов (внутритросовый тракт).

К недостаткам аналоговых систем передачи можно отнести высокий уровень помех в ВЧ каналах и влияние ВЧ систем по ВЛ на радиоприём и системы навигационного управления. Они не отвечают всё возрастающим требованиям отраслевой сети электросвязи энергетики и поэтому требуют замены на более совершенные цифровые системы передачи с использованием волоконно-оптических кабелей.


2.2 Характеристика проектируемой системы передачи


Для организации диспетчерско-технологической связи между ПС Заря (Новосибирскэнерго) и Восточными электрическими сетями проектом предусматривается применение 120-канальной цифровой системы передачи. Система изготовлена экспериментальным заводом научного приборостроения российской академии наук (ЭЗНП РАН) совместно с японской фирмой NEC (торговая марка NEC-EZAN).

Для организации линий передачи по волоконно-оптическому кабелю используются оптические линейные терминалы (OLT). OLT осуществляет работу по двум оптическим волокнам, одно для передачи, другое для приёма.

OLT серии FD2250, используемый в данной системе, преобразует входной кодированный сигнал со скоростью передачи 8448 кбит/с в оптический кодированный сигнал со скоростью передачи 8448 кбит/с. OLT FD2250 работаем по одномодовым оптическим волокнам с длиной волны 1,31 мкм.

В качестве аппаратуры аналого-цифрового каналообразования применяется мультиплексор серии ENE 6012,который обеспечивает:

  • приём тридцати каналов ТЧ или основных цифровых каналов (ОЦК) и соответствующего числа каналов передачи сигналов управления и взаимодействия между АТС;
  • объединение-разделение их в групповой первичный цифровой поток со скоростью передачи 2048 кбит/с.

Вторичное временное группообразование осуществляется мультиплексором серии ENE 6020. Он предназначен для объединения-разделения четырех плезиохронных первичных потоков со скоростью передачи 2048 кБит/с. в групповой вторичный поток со скоростью передачи 8448 кБит/с.

Для коммутации станционных оптических, коаксиальных и симметричных кабелей используется кроссовое оборудование, в состав которого входит кроссовая стойка EN-8778, с установленными на ней оптическими, коаксиальными и симметричными кроссами.

Для питания и размещения съемных комплектов аппаратуры каналообразования (ENE-6012), комплектов временного группообразования (ENE-6020), оптического терминала (FD-2250) и другого оборудования, а также для отображения состояния, включенного в неё оборудования, предназначена стойка серии EN 6000.

Основные технические данные оптического терминала FD-2250 приведены в таблице 2.1 [4].


Таблица 2.1 - Основные технические данные оптического терминала FD 2250.

Оптический интерфейсFD 2250Электрический интерфейс: КодHDB-3Амплитуда импульса 2,37 В.Выходное сопротивление75 Ом.Потери в соединительных Кабелях6 дБ на частоте 4224 кГцОптический интерфейс:Скорость передачи 8448 кбит/скод в линииCMIКоэффициент достоверности10-11тип кабеляОдномодовыйДлина волны1.31 мкмИсточник оптической энергиилазерный диод FD-DC-PBHПриемник оптической энергииЛавинный фотодиод типа GE-APDтип оптического соединителяD4-PCДопустимые потери33.5 дБ (19.5 дБ при излучателе низкой энергии)Энергетический потенциал40 дБ

В оборудовании OLT предусмотрена передача каналов сервисных данных (SD), используемых для передачи сигналов служебной связи, сигналов управления и контроля, а также служебных каналов, которые потребитель может использовать для своих целей.

В таблице 2.2 приведён интерфейс каналов SD [4].

Таблица 2.2 - Интерфейс каналов SD

Оптический терминал FD 2250Количество сервисных каналов4Скорость передачи64 кбит/с.Входной \ выходной сигнал Данных-DATANRZВходной \ выходной сигнал тактовой частоты-CLKСкважность 2Входное сопротивление120 ОмУровни входных и выходных сигналовМСЭ рекомендация V.11.

Мультиплексор ENE-6012 выполнен в виде отдельного блока, который размещается на стойке EN 6000. На стойке могут быть установлены до 4-х комплектов мультиплексоров.

Основные технические данные мультиплексора ENE-6012 приведены в таблице 2.3 [4].


Таблица 2.3 - Основные технические данные мультиплексора серии ENE 6012.

МультиплексорENE 601212Системные показатели:Число каналов30 ТЧ или ОЦКЧисло проводов входящих и исходящих цепейДо 6Частота дискретизации8 кГцЧастота синхронизации2048 кГцПараметры первичного цифрового Стыка (в соответствии с ГОСТ 26886--86 и рекомендацией G.703 МСЭ:Скорость передачи2048 кбит/сКодHDB 3 (МЧПИ)Входное-выходное сопротивление120 ОмТип кабелясимметричныйНоминальная амплитуда импульса3,0 В (120 Ом)Допустимое затухание Соединительного кабеля6 дБ на частоте 1024 кГцПараметры цифрового стыка Сигнала внешней Синхронизации:Частота тактовых сигналов2048*(1±50*10-6) кГцТип кабеляСимметричныйВолновое сопротивление120 ОмМаксимальное пиковое Напряжение1,9 ВМинимальное пиковое Напряжение1,0 ВДопустимое затухание Соединительной линии на частоте 1024 кГцОт 0до 6 дБПараметры канала ТЧ: Частота0,3-3,4 кГцВходное-выходное сопротивление600 ОмУровень передачи:2-х проводное окончание0/ минус 2,0 дБ4-х проводное окончание3,5/минус 13,0 дБУровень приема:2-х проводное окончаниеминус 2,0/минус 3,5 дБ4-х проводное окончаниеминус 3,5/4,0 дБПереходные влияния, не болееминус 65 дБШум в свободном канале, не болееминус 65 дБПараметры канала ОЦК (согласно ГОСТ 26886-86 и рекомендации G.703 МСЭ:Скорость передачи64 кбит/сВид стыкаСонаправленный и противонаправленныйВходное сопротивление120 ОмАмплитуда импульса1 ВМаксимальное затухание стыковой Цепи на частоте 128 кГцот 0 до 3 дБ

Основные технические данные мультиплексора серии ENE-6020 приведены в таблице 2.4 [4].


Таблица 2.4-Основные технические данные мультиплексора серии ENE 6020.

МультиплексорENE 6020Интерфейс согласно МСЭ рекомендация G.703Скорость передачи на входе2048 кбит/сКоличество входных потоков4Скорость передачи на выходе8448 кбит/сКоличество каналов в мультиплексированном потоке120Код входного сигналаHDB 3Код выходного сигналаHDB 3Метод мультиплексированияВременное посимвольное группированиеМетод выравнивания скоростейПоложительное выравниваниеВходное сопротивление75 Ом или 120 ОмВыходное сопротивление75 ОмАмплитуда импульса выходного Сигнала2,37 ВЧастота синхронизации2048 кГцДопустимые потери в Соединительном кабеле6 дБ на частоте 1024 кГц

Электропитание аппаратуры ENE-6012, ENE-6020 и стойки EN 6000, размещаемой в обслуживаемых пунктах, осуществляется в соответствии с ГОСТ 5237 от источника постоянного тока с напряжением минус (21-29) В. (номинальное значение минус 24 В.) или минус (36-72) В. (номинальное значение минус 48 В. и минус 60 В.) с заземлённым положительным полюсом источника питания [4].

Аппаратура, устанавливаемая в помещении линейно-аппаратного цеха (ЛАЦ), предназначена для круглосуточной эксплуатации при температуре воздуха от 0 до +45°С и относительной влажности до 90% при температуре +35°С и снижении атмосферного давления до 450 мм. рт. ст.

Аппаратура должна сохранять свои нормированные параметры и характеристики после воздействия следующих климатических факторов:

  • предельной температуре +50°С;
  • относительной влажности воздуха 95% при температуре +35°С;
  • предельной температуре минус 50°С;
  • атмосферном давлении 60 кПа (450 мм. рт. ст.).

Структурная схема организации связи представлена на рисунке 2.1.


3. Выбор типа оптического кабеля для подвески на ВЛ


.1 Общие сведения


Широкое внедрение оптических кабелей на сетях связи привело к их использованию на ВЛ для передачи информационных сигналов по обслуживанию ВЛ, так и для использования части каналов для коммерческой цели.

Это большая группа ОК, имеющая специфические особенности, такие как стойкость к температурным перепадам и ветровым нагрузкам, воздействию дождя и пара, снега и льда, солнечного света и радиации, грозовых воздействий, больших механических нагрузок, воздействию экологии среды.

Эти кабели должны обладать высокой надежностью работы, такой же, как и ВЛ.

Вследствие этого к ним предъявляются дополнительные требования:

  1. они не должны повреждаться при аварийных режимах на ВЛ и при многочисленных коммутациях в энергосистемах;
  2. они должны быть защищены от внешних воздействий;
  3. они должны обладать высокими механическими характеристиками;
  4. срок службы должен быть увеличен до 40 лет;
  5. они должны работать при высоком каронирующем эффекте фазовых проводов.

При строительстве волоконно-оптических линий связи с подвеской на опорах ВЛ в мировой практике получили распространение следующие типы волоконно-оптических кабелей [5]:

OPGW (Optical Graud Wire) - ВОК, встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ [2]) - используется при создании магистральных и внутризоновых ВОЛС на ВЛ 110 - 500 кВ, как правило, при реконструкции или сооружении новых линий электропередачи;

ADSS (All Dielectric Sely - Sypporting) - самонесущие неметаллические ВОК (ОКСН [2]) -для организации внутрисистемных ВОЛС по линиям электропередачи 35-220 кВ, на существующих опорах ВЛ или при отсутствии на них грозозащитных тросов;

WADC (Wrapped All Dielectric Cables) - навиваемые на фазовые провода или грозозащитные тросы (ОККН [2]) - используются во внутрисистемных ВОЛС по линиям электропередачи 35-220 кВ;

PA (Preporm Aftched) - неметаллические ВОК, прикрепляемые к грозозащитным тросам - применяются для организации внутрисистемных ВОЛС на ВЛ 110-220 кВ.

Строительство воздушных волоконно- оптических линий в российской энергетике ведётся в основном с использованием ВОК встроенного в грозозащитный трос (ОКГТ) и самонесущего кабеля (ОКСН). В России также налажено производство ВОК навивного типа. Проведены испытания таких кабелей и разработаны принципы проектирования линий с его использованием для ВЛ, получен российский патент на машину для навивки волоконно-оптического кабеля.

Ниже рассмотрим более подробно классификацию ВОК для подвески на ВЛ.


.2 Оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос


Оптимальным решением для создания надёжной оптической связи по ВЛ является передача оптического сигнала по кабелям, встроенным в грозозащитный трос. При выборе конструкции таких кабелей следует учитывать то обстоятельство, что кабель должен выполнять две функции: с одной стороны, обеспечивать стабильность оптических параметров в течении длительного времени эксплуатации (не менее 25 лет); и с другой стороны, обеспечивать надёжную защиту линии от ударов грозовых разрядов, выдерживать значительные токи короткого замыкания, возникающие на линии в течении срока службы кабеля.

В связи с этим проектировщикам оптических кабелей, встроенных в грозозащитный трос, приходится решать задачи обеспечения заданных оптических параметров в условиях повышенных температур, возникающих в кабеле при его нагреве от токов короткого замыкания, при ударах грозовых разрядов, и в условиях пониженных температур, которые определяются климатическим районом подвески кабеля. Кроме того, необходимо обеспечить высокую механическую прочность кабеля и низкое сопротивление.

В настоящее время многие зарубежные фирмы, а также ряд российских компаний, освоили выпуск таких кабелей и предлагают различные конструктивные и технологические решения для обеспечения указанных параметров. По конструкции оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос, можно разделить на три основные группы.

Первая группа кабелей. Оптический сердечник заключен в трубку из алюминия или алюминиевого сплава, которая бывает герметичной и негерметичной, обеспечивает механическую защиту оптического сердечника, имеет низкое электрическое сопротивление. Поверх трубки положены повивы из проволок, определяющие механическую прочность кабеля и его электрические параметры.

На рисунке 3.1 показаны типичные конструкции кабелей первой группы, выпускаемых следующими фирмами:Alcoa Fujikura LTD (США), BICC (Великобритания), Cables Pirelli S.A. (Испания), Alcatel (Франция), Showas Wires&Cables (Япония), Fujikura (Япония), АО ВНИИКП совместно с АОЗТ Самарская оптическая кабельная компания (Россия) [6].

Второй тип кабелей. Оптические волокна свободно уложены в герметичной трубке из нержавеющей стали, свободное пространство трубки заполнено гидрофобным заполнителем. Одна или несколько таких трубок с оптическими волокнами скручены вокруг центральной проволоки, образуя первый повив кабеля. В зависимости от прочности и необходимого сопротивления кабеля дополнительно накладываются еще один или два повива проволок.

Кабели такого типа выпускаются фирмами: AEG (Германия), Felten&Guilleaume Energietechnik (Германия), Philips (Германия). Типичный образец кабеля такого типа показан на рисунке 3.2 [6].

Третья группа кабелей. Оптические волокна свободно уложены в полимерной трубке, свободное пространство которой заполнено гидрофобом. Поверх полимерной трубки наложены повивы из проволок, обеспечивающие необходимую механическую прочность и электрическое сопротивление кабеля.

Конструкцию такого вида кабелей предлагают фирмы Nokia (Финляндия) и Siemens (Германия). На рисунке 3.3 представлены конструкции этих кабелей [6].

К третьей группе можно отнести ОКГТ, выпускаемый АОЗТ Ссамарская оптическая кабельная компания (рис. 3.4). Его конструктивная особенность заключается в том, что между внешним и внутренним повивами проволок расположена оболочка из алюминия.

Таким образом, основным принципиальным отличием оптических сердечников, выпускаемых различными фирмами для оптических кабелей, встроенных в грозозащитный трос, является укладка волокна в оптическом сердечнике. Применяется как свободная укладка волокон в оптическом модуле (loose tube), так и плотная упаковка волокон (tight unit или tight buffer).

При расчете оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, на предельно допустимую растягивающую нагрузку следует учитывать предельно допустимую нагрузку на волокно для сохранения как оптического затухания, так и его целостности в течении всего срока службы кабеля. Так, для кабелей со свободной укладкой волокон в оптическом сердечнике обычно волокно не нагружено при максимально допустимой растягивающей нагрузке, приложенной к кабелю. Нагрузка на волокно (или удлинение волокна) появляется при приложении к кабелю нагрузок, превышающих максимально допустимые, как показано на рисунке 3.5 [6].

При использовании оптических сердечников с плотной упаковкой волокон приложенная растягивающая нагрузка на кабель передаётся на оптическое волокно, то есть оптическое волокно в этом случае находится в напряженном состоянии (рис. 3.5). Известно, что под действием нагрузки и влаги механическая прочность оптических волокон изменяется и вследствии этого уменьшается их время жизнеспособности. Таким образом, для обеспечения необходимого срока службы кабеля требуются защита оптических волокон от действия влаги и сохранение высокой механической прочности волокон в течении всего срока службы кабеля. Так, фирма Alcoa Fujikura, применяющая конструкцию кабеля с плотной упаковкой волокон в оптическом сердечнике, использует оптическое волокно фирмы Corning Incorporated Opto-Electronics Group, которое имеет дополнительное покрытие по кварцевой оболочке окисью титана. АОЗТ Самарская оптическая кабельная компания в своей кабельной продукции использует оптические волокна этой же фирмы и имеет возможность изготовления ОКГТ с одномодовыми оптическими волокнами повышенной стойкости к старению SMF-33Titan.

Такое волокно имеет параметр усталости n =29.5 (для обычного волокна n=22.5), отражающий время жизнеспособности волокна. Предварительная отбраковка волокна при 1%-ном удлинении позволит гарантировать срок его службы в течении 40 лет. Максимально допустимые нагрузки на кабель выбираются из расчёта удлинения волокна до 0,5-0,6%.

При плотной упаковке волокна в оптическом сердечнике его размеры могут быть значительно снижены по сравнению с размером сердечника со свободной укладкой волокна, что имеет значение для оптических кабелей с большим числом волокон, так как при этом диаметр кабелей может быть уменьшен.

Компактную конструкцию имеют кабели, в которых оптическое волокно уложено в трубку из нержавеющей стали, что позволяет оптимизировать габаритные размеры кабеля (массу, диаметр) при сохранении его высокой механической прочности и необходимого электрического сопротивления. Однако в этом случае не исключена возможность электрохимической коррозии. Поэтому скрутка трубок с волокном и стальных проволок, покрытых алюминием, обычно имеет смазку для уменьшения коррозии, например у кабелей фирмы, Felten&Guilleaume.Фирма Philips предложила обмотку трубки алюминиевой лентой, внутренняя сторона которой покрыта полимерной пленкой.

В конструкции кабелей без защиты оптических сердечников от воздействия влаги требуется применение полимерных материалов, сохраняющих свои физико-механические свойства под действием растягивающих нагрузок и атмосферы в течении длительного времени эксплуатации.

Для обеспечения электрических параметров конструкция кабеля рассчитывается на определенное сопротивление постоянному току, которое достигается необходимым сечением алюминия и его сплавов. Применение трубок из алюминия и проволок алюминиевого сплава в повиве со стальными оцинкованными проволоками ограничивает срок службы кабеля из-за вероятности электрохимической коррозии. Для обеспечения длительного срока эксплуатации необходимо применение специальных антикоррозийных смазок или антикоррозийных покрытий стальных проволок. Покрытие стальной проволоки цинкоалюминиевым сплавом позволяет значительно увеличить её срок службы. Наилучшим решением является покрытие стальных проволок алюминием. В этом случае обеспечивается высокая защита стальной проволоки и проволок из алюминия или алюминиевого сплава от коррозии и увеличивается электрическое сопротивление кабеля. Для обеспечения высокой механической прочности кабеля и модуля упругости в проволоке, покрытой алюминием, необходимо использование стали с прочностью не менее 160 кгс/мм2; обычно прочность стальной проволоки, покрытой алюминием, составляет не менее 140 кгс/мм2, в отдельных случаях она может быть выше.

Из всего сказанного следует, что при выборе конструкции оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, необходимо учитывать оптимизацию всех его параметров: максимально допустимую растягивающую нагрузку, сопротивление постоянному току, массу, диаметр, число волокон, а также показатели надежности его элементов.


.3 Самонесущие неметаллические оптические кабели


Создание оптической связи по высоковольтным линиям электропередачи без замены грозозащитных тросов на оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос, возможно с помощью подвески специально разработанных для этой цели подвесных неметаллических оптических кабелей связи. К настоящему времени многие российские, и зарубежные фирмы предлагают различные по конструктивному решению кабели такого класса. Основные типовые конструкции этих кабелей можно разделить на три группы.

Первая группа кабелей-подвесные неметаллические оптические кабели связи, силовыми элементами которых являются стеклопластиковые стержни. Кабели этой группы в основном выпускаются российскими предприятиями. Обусловлено это тем, что цена 1 км стеклопластикового стержня в России в 2-3 раза дешевле, чем за рубежом. Основными поставщиками таких кабелей являются АО ВНИИКП (Москва) и ОПТЕН (Санкт-Петербург). Этими предприятиями разработана номенклатура кабелей, рассчитанных на различные механические нагрузки; на рисунке 3.6 [6] показаны типовые конструкции кабелей данной группы. В обоих случаях волокно свободно уложено в оптическом модуле, свободное пространство которых заполнено гидрофобным заполнителем (loose tube). Основное отличие заключается в технологическом исполнении оптического сердечника. В кабелях АО ВНИИКП оптические модули скручены вместе со стеклопластиковыми элементами вокруг центрального стеклопластика, для обеспечения необходимой растягивающей нагрузки поверх оптического сердечника накладываются повивы из стеклопластиков. В кабелях АО ОПТЕН оптический сердечник выполнен в виде скрутки оптических модулей между собой, поверх оптического сердечника положен повив из стеклопластиковых стержней.

Вторая группа кабелей-подвесные неметаллические оптические кабели, силовыми элементами которых являются арамидные нити. Кабели данной группы выпускаются как многими зарубежными фирмами, такими как Alcoa Fujikura (США), Siemens (Германия), АТ&T (США), Pirelli (Италия), так и российскими предприятиями АО ВНИИКП и АО ОПТЕН. Типовая конструкция таких кабелей представлена на рисунке 3.7, а [6]. Все перечисленные фирмы используют оптические модули со свободной укладкой волокна (loose tube).

Третья группа кабелей - подвесные неметаллические оптические кабели, силовыми элементами которых являются арамидные нити и стеклопластик, который в свою очередь, может быть стержнем, а может быть выполнен в виде центрального профилированного элемента. Такой вариант кабеля изображен на рисунке 3.7, б [6]. Оптический кабель с силовыми элементами из арамидных нитей стеклопластиковых стержней предлагается АО ВНИИКП и показан на рисунке 3.7, в [6].

Расчет подвесных оптических кабелей на максимально допустимую растягивающую нагрузку проводят на основе допустимой нагрузки на волокно (максимально допустимого удлинения волокна), которая выбирается каждым разработчиком кабеля, исходя из избыточной длины волокна в оптическом модуле и в некоторых случаях при использовании специально подобранных волокон дополнительно допустимой нагрузки на волокно. Так, фирма АТ&Т предлагает конструкцию кабеля, в котором волокно не удлиняется при удлинении кабеля до 1%. АО ВНИИКП допускает растягивающую нагрузку на кабель при его удлинении до 0,5% без удлинения волокна. При этом число арамидных нитей или сечение стеклопластиковых элементов выбирается из расчета допустимой нагрузки при заданном удлинении кабеля.

Недостатками оптических кабелей 1-ой группы по сравнению с кабелями 2-ой группы являются их больший наружный диаметр из-за низкой степени заполнения стеклопластиковых элементов, меньшая гибкость, большая масса.

Защита оптического сердечника кабеля и армирующих элементов от влаги обеспечивается полимерными оболочками кабеля. Поэтому особенно актуальной является задача сохранения целостности наружной полиэтиленовой оболочки в течении всего срока службы кабеля. Известно, что под воздействием электрического поля и влаги происходит деградация полиэтиленовой оболочки кабеля [6], поэтому при условии выбора точки подвеса с минимальной напряженностью электрического поля подвесные неметаллические оптические кабели с оболочкой из обычного шлангового полиэтилена (в российском варианте ПЭ 153-10К) рекомендованы для подвески на линиях электропередачи напряжением до 110 кВ (для зарубежных линий 132кВ).

Таким образом, подвесные неметаллические оптические кабели имеют ограниченную область применения. В последнее время проведены работы по созданию материала для оболочки таких кабелей на основе полиэтилена, который имеет повышенную трекингостойкость (трекинг-образование на поверхности диэлектрика следов пробоя при воздействии электрического поля). Так фирмы Alcoa Fujikura и Siemens предлагают оптический кабель для подвески на линиях электропередачи напряжением 230 кВ при выборе точки подвеса с напряженностью не более 12 кВ. Фирма АТ&Т предлагает оптические кабели для подвески на линиях электропередачи напряжением 230 и 500 кВ с ограничением точек подвеса по напряжению не более 12 и 25 кВ соответственно. Следовательно, в настоящее время область применения подвесных неметаллических кабелей расширяется. Но при этом требуется проведение тщательных расчетов возможных воздействий на оболочку кабеля, а, возможно, и его дополнительных испытаний. Работы, проведённые в АО ВНИИКП по влиянию электрического поля на полиэтиленовую оболочку кабеля, показали, что наблюдается изменение надмолекулярной структуры полиэтилена при 1,75 кВ/cм. Вероятной причиной этих изменений может быть разогрев образца в ходе электрических испытаний до температуры примерно 60°С, вследствии чего вероятно ускоренное старение полиэтилена.


3.4 Оптические кабели, предназначенные для навивки на провода и грозозащитные тросы


Одним из наиболее дешевых видов передачи информации по ВЛ является передача сигнала по оптическому кабелю связи, навитому на фазовый провод или грозозащитный трос линии. Технологией навивки оптических кабелей на провода или тросы до настоящего времени занимались всего две фирмы в мире Furukawa Elektric CO LTD (Япония) и Focas Limited (США). И это объяснимо, так как фирмы владели устройством для навивки оптического кабеля на провода линий электропередачи. Этими фирмами предложены оптические кабели для навивки, как на грозозащитный трос, так и на фазовые провода.

Российская фирма ОРГРЭС разработала и изготовила устройство для навивки оптического кабеля на провода линий электропередачи (патентная заявка 93-017667/07) и в настоящее время занимается отработкой технологии навивки оптического кабеля на грозозащитный трос ВЛ. Фирма Alcoa Fujikura LTD предложила оптический кабель для навивки с помощью устройства, разработанного фирмой ОРГРЭС.

Понятно, что по техническим параметрам оптические кабели, предназначенные для навивки на трос, отличаются от кабелей, предназначенных для навивки на фазовые провода. При навивке кабеля на фазовый провод следует учитывать максимально допустимую температуру проводника, которая определяется максимальной температурой нагрева фазового провода или троса. Так по российским стандартам для стального троса допустимая температура нагрева при токе короткого замыкания 400°С, рабочая температура определяется температурой окружающей среды как максимально, так и минимально возможной для конкретного района подвески. Для сталеалюминиевого троса и фазовых проводов допустимая температура нагрева при токе короткого замыкания 200°С. Таким образом, по температурному режиму навивка оптического кабеля на фазовые провода или сталеалюминиевые тросы более предпочтительна. При этом следует учитывать, что при навивке на трос возможны удары грозовых разрядов, которые также могут приводить к повреждению оптического кабеля.

Однако, как и в случае подвески неметаллических оптических кабелей на линиях электропередачи, при навивке на фазовый провод необходимо учитывать влияние электрического поля на оболочку кабеля, которая может быть подвержена эрозии в результате действия градиента поля и влаги. Кроме того, при навивке оптического кабеля на фазовый провод необходимо применять такой способ крепления кабеля на опоре, при котором будет невозможна утечка тока на землю.

По конструктивному решению навивные оптические кабели принципиально не отличаются от неметаллических подвесных оптических кабелей и соответственно к ним должны предъявлятся те же требования по надёжности их механических и оптических параметров. При этом кабели данного типа должны иметь минимальный диаметр и массу.

На рисунке 3.8,а представлена типовая конструкция оптического кабеля навивного типа, предлагаемого фирмой Fokas Limited [6]. В конструкции кабелей этой фирмы предусмотрена свободная укладка волокна в полимерной трубке (loose tube), в качестве силовых элементов используются стеклопластиковые стержни. Расчётная разрывная нагрузка кабелей составляет

- 45 кгс, при этом масса кабелей колеблется от 20 - 59 кг/км, диаметр кабелей изменяется от 5,3 до 8,1мм. По стойкости к температуре кабели различаются: при навивке на фазовый провод кабель должен выдерживать максимальную температуру 3000С, при навивке на грозозащитный трос - 2000С.

На рисунке 3.8,б представлена типовая конструкция кабеля, предложенная фирмой Furucawa Electric CO LTD для навивки на трос [6]. Растягивающая нагрузка кабелей этой фирмы колеблется от 100 до 200кгс при диаметре кабелей 3 - 4мм, диапазон рабочих температур от -200С до 1500С. кабель выдерживает воздействие электрического поля при сырой погоде до 150 кВ/м.

Конструкция кабеля для навивки на трос и фазные провода, предложенная фирмой Alcoa Fujikura LTD, показана на рисунке 3.8,б [6]. Длительно приложенная растягивающая нагрузка для кабелей этой фирмы лежит в пределах от 45 до 60кгс, допустимая кратковременная растягивающая нагрузка для составляет 90 - 120кгс, масса кабелей соответственно изменяется от 28 до 59кг/км, диаметр кабелей составляет 4,6 - 6,6мм. материал оболочки кабеля этой фирмы способен выдерживать температуру до 2200С, а также устойчив к образованию трекинга. Фирма Alcoa Fujikura LTD готова поставлять кабель для навивки на стальной грозозащитный трос, который соответственно будет выдерживать температуру нагрева до 4000С.

Таким образом, в настоящее время представляется возможным в России проводить работы по строительству оптических линий связи с помощью навивки оптического кабеля на провода ВЛ.


3.5 Обоснование выбора типа оптического кабеля


С позиции технических требований, предъявляемых к магистральным и внутризоновым линиям передачи ВСС РФ, сегодня наилучшими потребительскими свойствами обладают оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос [7]. Можно отметить следующие преимущества ОКГТ:

  • Высокая надежность (обрывы ОКГТ не превышают 0,05 - 0,1 случая на 100 км в год [8]);
  • Защищенность оптических волокон от внешних электромагнитных влияний, так как ОКГТ экранирован одним или двумя слоями проволок;
  • Большой срок службы (до 25 лет);
  • Использование ОКГТ для создания ВОЛС на ВЛ 110- 500кВ.

В данном проекте предусмотрена подвеска оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, марки ОКГТ - МТ - 4 - 10/125 - 0,36/0,22 - 13,1 - 81/72 производства АОЗТ «Самарская оптическая кабельная компания», на существующих опорах действующей ВЛ 220кВ ПС Восточная - Заря.

В таблице 3.1 приведены основные параметры ОКГТ - МТ - 4 - 10/125 - 0,36/0,22 - 13,1 - 81/72.


ПараметрыЗначения12Количество одномодовых оптических волокон4Коэффициент затухания, дБ/км, не более на длине волны 1,31 мкм на длине волны 1,55 мкм 0,36 0,22Хроматическая дисперсия, пс/нм*км, не более на длине волны 1,31 мкм на длине волны 1,55 мкм 3,5 18Разрывная нагрузка, кг, не менее7200Кратковременная максимально допустимая растягивающая нагрузка ( в течении 200ч за весь срок службы), кг, не менее 36500Среднеэксплуатационная растягивающая Нагрузка, кг, не менее 1470Модуль упругости кабеля, кг/мм2, не менее13214Коэффициент термического удлинения кабеля, 1/0С, не более 16,0*10-6Импульс тока короткого замыкания в течении 1 сек, кА, не менее 9,1Термическая стойкость к КЗ, кА2*0С81Номинальный наружный диаметр, мм13,1Номинальный вес, кг/км540Минимальный радиус изгиба, мм Во время прокладки После прокладки 340 250Температурный диапазон, 0СОт -60 до +60

Конструкция ОКГТ - МТ - 4 - 10/125 - 0,36/0,22 - 13,1 - 81/72 представлена на рисунке 3.4.


4.Расчет параметров оптического кабеля


Основными параметрами оптического кабеля являются:

числовая апертура (NA), характеризующая эффективность ввода (вывода) световой энергии в оптическое волокно и процессы её распространения в оптическом кабеле;

затухание (a), определяющее дальность передачи по оптическому кабелю и его эффективность;

дисперсия (t), характеризующая уширение импульсов и пропускную способность оптического кабеля.


4.1 Расчёт числовой апертуры и определения режима работы оптического кабеля


Важнейшей характеристикой световода является апертура NA, представляющая собой синус максимального угла падения лучей на торец световода, при котором в световоде луч на границу

сердцевина - оболочка падает под критическим углом qкр. Числовая апертура характеризует эффективность ввода излучения в световод и рассчитывается по формуле:


NA= n0*sinqкр= n0Ön2- n2, (4.1)


где NA - числовая апертура;

n0_ показатель преломления окружающей среды (воздуха);

qкр- критический угол падения.

Если торец световода граничит с воздухом, то n0=1. Для заданных показателей преломления n1=1,4616 и n2=1,46 найдём числовую апертуру по формуле 4.1

NA=Ö1,46162-1,462 = 0,068


Режим работы оптического волокна оценивается значением обобщённого параметра, называемого нормированной (безразмерной) частотой.

Расчет нормированной частоты производится по формуле:


n= 2Па/l*NA, (4.2)


где а - радиус сердцевины оптического волокна, а=25 мкм;

l- длина волны, l=1,31 мкм;

NA-числовая апертура, NA=0,068.


n=2*3,14*5*10-6/1,31*10-6 *0,068=1,62


n=1,62>2,405- это означает, что режим работы оптического волокна одномодовый.


4.2Расчет затухания оптического кабеля


Важнейшим параметром световода является затухание. Затухание сигналов в волоконном световоде ОК является одним из основных факторов, определяющих максимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без промежуточных регенераторов.

Затухание световодных трактов волоконно- оптических кабелей a обусловлено собственными потерями в волоконных световодах и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля, и определяется по формуле:

a = aс+ aк (4.3)


где aс-собственные потери;

aк- потери кабеля


aс=aп + aр + aпр (4.4)


где aп- потери поглощения;

aк- потери рассеяния;

aпр- потери при наличии посторонних примесей

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут быть значительными.

Затухание в результате поглощения aп связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растёт с частотой и существенно зависит от свойств материала световода(tg d). Величина aп определяется по формуле:


pn1 * tg d

aп = * 4.34 , dB/ км, (4.5)

l


где tgd - тангенс угла диэлектрических потерь,

tgd=2,4*10 - 12;

l - длина волны,

l = 1,31*10 - 9км;

3,14*1,4616 * 2,4*10 - 12

aп = * 4.34 = 0,036 , dB/ км.

1,31*10 - 9


Затухание рассеяния обусловлено неоднородностями материала волокна, нарушением геометрической формы оптического волокна, размеры которых меньше длины волны и тепловой флуктуации показателя преломления. Рассеяние происходит тогда, когда мода распространения света изменяется так, что некоторая часть оптической энергии покидает волокно.

Потери на рассеяние определяются формулой:


aр= 4.34 * (8p3/ 3l4 )(n12-1)*K*T*c*10 3 , dB/км (4.6)


где l - длина волны, l=1,31*10-6 м;

K- постоянная Больцмана, K= 1,38*10 - 23 Дж/к

T- температура перехода стекла в твёрдую фазу, T=1500К;

c - коэффициент сжимаемости, c = 8,1*10-11м/н.


4.34*8*3,14 3

aр= *(1,46162-1)*1,38*10-23*1500*8,1*10-11*103 =

3 * (1,31*10 - 6)4

=0,23 dB/км


Согласно формуле (4.4) определим собственные потери:


ac= 0,23 + 0,036 +0,03= 0.296 dB/км


Кроме собственных потерь имеют место ещё и кабельные потери aк, обусловленные деформацией оптических волокон в процессе изготовления кабеля, скруткой, изгибами волокон, а также технологическими неоднородностями волокна. В общем случае они рассчитываются по формуле:


aк=a1 + a2 + a3+ a 4 (4.7)


где a1- затухание вследствие потерь на микроизгибах (a1=0,1 дБ/км);

a2- затухание вследствие потерь на макроизгибах (a2=0,2 дБ/км);

a3- затухание вследствие потерь в защитной оболочки (a3=0,1 дБ/км);

a4- затухание вследствие термомеханических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля (потери вследствии термомеханических воздействий примем равными нулю).

Зная значения a1, a2, a3, a4 определим величину дополнительного затухания aк по формуле (4.7):


aк = 0,1 + 0,2 + 0,1 = 0,4 dB/км


Общее затухание оптического кабеля составит:


a = aс + aк

a = 0,296 + 0,4 = 0,696 dB/км



4.3Расчёт дисперсии


На ряду с затуханием важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является дисперсия.

При прохождении импульсов сигнала по волоконному световоду изменяется не только амплитуда импульсов, но и их форма - импульсы уширяются. Это явление называется дисперсией.

Причинами дисперсии являются:

  • Существование большого количества мод;
  • Некогерентность источников излучения.

Дисперсия, возникающая вследствии существования большого количества мод, называется модовой (tмод ).

Дисперсия обусловленная некогерентностью источника излучения, называется хроматической (частотной) tхр и состоит из двух составляющих - материальной tм и волноводной tв дисперсий.

Материальная дисперсия связана с зависимостью показателя преломления от длины волны, а волноводная обусловлена зависимостью коэффициента распространения от длины волны.

Уширение импульсов на расстоянии 1км в результате дисперсии можно рассчитать по формуле:


tрез= Ötмод2+tхр2=Ötмод2+(tм+tв)2 , [с/км] (4.8)


В зависимости от типа оптического волокна различные виды дисперсии определяются по-разному.

В одномодовых волокнах модовая дисперсия отсутствует (передаётся одна мода). Уширение импульса обусловленно хроматической дисперсией:


tхр = Dl*D(l) пс/км (4.9)


где Dl - ширина спектра излучения источника, нм (для лазерного источника ширина спектра излучения составляет 0,1…0,5 нм);

D(l) - удельная хроматическая дисперсия, пс/нм*км (значение D(l) = 3,5 пс/ нм*км возьмём из таблицы 3.1).

Подставив Dl=0,25 нм и D(l)= 3,5 пс/ нм*км в формулу 4.9, получим:

tхр = 0,25*3,5=0,875 пс/км


Таким образом, в случае одномодового оптического волокна


tрез=tхр =0,875 пс/км.


Пропускная способность является также важнейшим параметром ОК. Полоса частот определяется соотношением:


0,44, [Гц]

DF = (4.10)

tрез


где DF - полоса частот


0,44

DF = = 502 ГГц

0,875*10-12


4.4 Расчёт длины регенерационного участка


Определение длины регенерационного участка ВОЛС производится на основе качества связи и пропускной способности линии.

При прохождении сигнала по оптическому кабелю происходит снижение уровня мощности сигнала, кроме того, вследствии дисперсии сигнал получается искажённым на приёмном конце. Поэтому сигнал необходимо усиливать или регенерировать в процессе передачи по кабелю. При заданных параметрах регенераторов и оконечных устройствах максимальная длина эммитерного кабельного участка (ЭКУ) определяется затуханием и дисперсией. Затухание ограничивает расстояние по потерям в линейном тракте, а дисперсия, приводящая к уширению импульсов, приводит к возникновению кодовых ошибок на приёме и снижению качества передаваемой информации.

Для определения длины ЭКУ необходимо выполнить два расчёта:

  • Расчёт длины ЭКУ по дисперсии;
  • Расчёт длины ЭКУ по затуханию.

В качестве истинного значения длины ЭКУ выбирается меньше значение из двух расчитанных значений.


4.4.1 Расчёт длины ЭКУ по дисперсии

Расчёт длины ЭКУ производится по формуле:


0,44, [км]

Lэку £ (4.11)

Fт*tрез


где Fт - тактовая частота системы передачи (Fт=8,448 МГц);


0,44

Lэку £ = 59523 км

8,448*106*0,875*10-12


4.4.2 Расчёт длины ЭКУ по затуханию

Расчёт длины ЭКУ производится по формуле:ъ


П - 2ар.с - ан.с , [км]

Lэку = (4.12)

a + ан.с/Lc.д

где П - энергетический потенциал системы передачи, дБ (П=40дБ (таб.2.1));

ар. с - суммарные потери, вносимые разъёмным оптическим соединителем, (ар. с=1,0 дБ)

ан.с - потери, вносимые неразъёмным оптическим соединителем в месте соединения оптических волокон при сращивании строительных длин линейного кабеля, (ан.с= 0,3 дБ);

a - рассчитанное значение коэффициента затухания оптического кабеля;

L - строительная длина кабеля, L=4000м;


40 - 2*1,0 - 0,3

Lэку= = 48,9 км

0,696 + 0,3/4


Длину регенерационного участка выбираем по наименьшему расчётному значению, то есть L = 48,9 км

Так как расстояние между проектируемыми пунктами составляет 32,849 км, то проектом установка промежуточных НРП не предусматривается.


5. Расчет механической нагрузки на ОКГТ


Механическая нагрузка на оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос, определяется собственной массой кабеля, стрелой провеса, длиной пролета, ветровой и гололёдной нагрузкой.

Исходные данные для расчета:

расчетная скорость ветра - 29 м/сек;

толщина стенок гололёда - 10 мм;

максимальная длина пролета между опорами ВЛ - 500 м;

номинальный наружный диаметр кабеля - 13,1 мм;

номинальный вес ОКГТ - 540 кг/км;

стрела провеса - 10 м.

Погонный вес гололёда определяется по формуле:


p[(dк+ 2b)2 - dк2

Р3= кг/см (6.1)

4


где b - толщина стенок гололеда, см;

dк - диаметр кабеля, см;

б - удельный вес гололеда, кг/см3 (б = 0,9*10-3 кг/см3).

Подставив b, dк и б в формулу (6.1), получим:


3,14[(1,31 + 2*1)2 - (1,31)2]*0,9*10-3

P3 = = 0,00653 кг/см.

4


Полный вес кабеля с гололедом определяется по формуле:


p4 = p1 + p3 , кг/см (6.2)


где p1 - погонный вес кабеля, кг/см;

р3 - погонный вес гололеда, кг/см.

Подставляя р1 и р2 в формулу (6.2), получим


Р4= 0,0054 + 0,00653 = 0,0119 кг/см.


Давление ветра на кабель с гололедом определим по формуле:


p5= KV2(dk + 2b), кг/см (6.3)


где К - коэффициент, учитывающий давление ветра на плоское тело, (кг*с)/см4 (К = 6*10-10 кг*с/см4);

V - скорость ветра, см/с

dk - диаметр кабеля,см

b - толщина стенок гололеда, см.

Подставив указанные значения в формулу (6.3), получим:


р5 = 6*10-10*29002(1,31+2*1) = 0,0167 кг/см.


Полную нагрузку от веса кабеля, гололеда и ветра определим по формуле:


р6 = (р2425)0,5, кг/см (6.4)


где р4 - погонный вес кабеля с гололедом, кг/см

р5 - давление ветра на кабель с гололедом, кг/см.

Подставив значения р4 и р5 в формулу (6.4), получим:

Р6= Ö0,01192+0,01672 = 0,02 кг/см


Силу натяжения ОКГТ определим по формуле:


р6.l2

Т = , (6.5)

8f



где р6 - полная нагрузка от веса кабеля, гололеда и ветра, кг/см;

l - длина пролета, см;

f - стрела провеса, см.

Подставив р6, l и f в формулу (6.5), получим:


0,02(50000)2

Т = = 6250кг

8.1000


Таким образом, при неблагоприятных погодных условиях (ветер, гололед) сила натяжения ОКГТ не превышает разрывной нагрузки, заданной изготовителем кабеля (разрывная нагрузка равна 7200 кг (таблица 3.1)).


Т = 6250 кг < 7200 кг


6 Эксплуатационные и монтажные измерения параметров ВОЛС


.1 Испытания и измерения оптических кабелей.


Как и всякая другая система передачи ВОЛС и имеет метрологические системы измерений и испытаний в процессе прокладки, монтажа и эксплуатации, как в целом ВОЛС, так и ее основных узлов и элементов. Измерения имеют три основные вида:

  • Профилактические;
  • Аварийные;
  • Контрольные;

Профилактические измерения проводятся с целью выявления и устранения, возникших в процессе эксплуатации отклонений оптических параметров линейных сооружений от норм.

Аварийные измерения проводятся с целью определения характера и места повреждения или аварии кабеля.

Контрольные измерения проводятся после окончания ремонтных и аварийных работ с целью определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Основными параметрами, подлежащими измерениям при оценке эксплуатационных качеств системы в нормальных условиях, является:

максимальная и средняя мощность немодулируемого импульсного лазерного излучения в данном сечении оптического волокна;

уширение импульса- изменение формы сигнала, вызванное межмодовой дисперсией и дисперсией материала;

коэффициент отражения в данном сечении линии-отношение мощности отраженного сигнала, который распросраняется в передающей линии в обратном направлении(от приемного конца к передающим), к мощности сигнала, распространяющегося в прямом направлении;

потери оптической мощности- отношение мощностей переданного и принятого сигналов, определяемое затуханием оптического волокна и различными потерями в устройствах ввода, местах сращивания, ответвлениях и других элементах линии;

отношение сигнал- шум - отношение мощностей полезного сигнала к суммарной мощности всех шумов в канале.

При испытании ВОЛС необходимо оценивать и такие параметры как:

  • Теплоемкость- способность ВОЛС сохранять свои технические характеристики в заданном рабочем интервале температур;
  • Коррозийная стойкость - способность всех материалов, из которых изготовлены компоненты, противостоять различным химическим воздействиям, особенно проникновению влаги;
  • Механическая прочность- способность передающей линии выдерживать растягивающие, крутящие и сжимающие нагрузки, в динамическом и статистическом режимах и противостоять ударам и вибрациям;

Радиационная стойкость- способность оптического волокна противостоять воздействию различных ионизирующих излучений, которые вызывают изменения затухания и дисперсии.

В данном дипломном проекте рассмотрим некоторые, основные методы, используемые в ВОЛС для измерения параметров оптического кабеля. Кроме того, рассмотрим методы определения места и характера повреждений.


6.2 Измерения затухания


Измерение потерь на всех стадиях производства оптического волокна, изготовлении оптических кабельных систем, строительства и эксплуатации волоконно- оптических линий связи. Эти измерения часто производятся с целью исследования зависимости затухания от тех или иных факторов и условий работы ОКС: частоты (длины волн) сигналов, их модового состояния, температуры, сроков эксплуатации ОКС, механических воздействий (напряжение) деформации, микроизгибов, способа ввода излучателями в ОВ и так далее.

Потери в оптических волокнах (ОВ) определяются, как и в обычных кабелях, величиной затухания:


A=10lg(p1/p2), дБ, (5.1)


где p1,p2 - мощность светового сигнала соответственно на входе и выходе ОВ, Вт.

Различают следующие основные методы измерения потерь:

  • Калориметрические методы;
  • Метод обратного рассеивания;
  • Метод сравнения сигнала на входе и выходе оптического кабеля, называемый прямым методом измерений затухания;
  • Импульсный метод;
  • Гармонический метод;

.2.1 Прямой метод измерения затухания

Метод сравнения сигнала на входе и выходе оптического кабеля получил наибольшее распространение на практике. Можно отметить три модификации данного метода:

1.Измерение затухания с разрушением (отрезанием) его концов;

2.Измерение затухания ОК без его разрушения;

.Измерение вносимого затухания.

Принцип прямого метода измерения затухания основан на известном определении затухания линии по формуле:


A=10lg(p0/pl), [дБ] (5.2)

где р0- мощность излучения, введенного в ОК;

рl- мощность излучения на конце кабеля длиной l

Как видим, для определения затухания в линии данным методом необходимо измерить мощность р) и рl, а затем по формуле (5.2) определить затухание кабеля.

Метод измерения затухания ОК без разрушения дает хорошие результаты при значениях а> 30 -:- 40 дБ. В этом случае получается

хорошая стабильность результатов и, кроме того, с помощью встроенного в измерительный прибор компьютера можно автоматизировать запись и обработку результатов измерений.

На рисунке 5.1 приведена схема для измерения затухания без разрушения измеряемого образца.

Излучатель - полупроводниковый лазер, работающий на заданной длине волны, генерирует сигнал постоянной мощности, встроенным в прибор. На входном конце ОК устанавливается измеритель мощности рl .

Для определения затухания ОК с малыми потерями и километрическими коэффициентом затухания 1 дБ/км и менее измеряют мощность на входе и выходе кабеля при обламывании его концов. Схема измерения затухания с разрушением изображена на рисунке 5.2. Метод с разрушением отличается от предыдущего тем, что измерение входной мощности излучения проводят на расстоянии 3...4м от входного торца ОК. Для этого концы ОК обламывают.

Этот метод неудобен тем, что необходимо разрушать волокно в процессе измерения, зато он дает высокую точность.

Метод измерения вносимого затухания получил наибольшее распространение при строительстве и эксплуатации ВОЛС.

Вносимым затуханием линии называют разность уровней мощности, воспринимаемой приемником при его непосредственном подключению к генератору и мощности получаемой приемником при его выключении на выходе измеряемого ОВ.

Таким образом, в отличие от собственного затухания ОВ, ас во вносимое затухание линии входит затухание на входе авх и выходе авых измеряемой ВОЛС, то есть:


Авнсвхвых (5.3)


6.3 Измерение дисперсии


Дисперсия приводит к искажению сигнала. Дисперсию оценивают по различию времени распространения составляющих сигнала или уширению передаваемых импульсов.

Дисперсия определяется путем сравнения на экране осциллографа ширины импульсов, которые возвращаются из последовательных циркуляций по кабелю, с шириной входного импульса. Совмещение импульсов достигается с помощью линии задержки.

Величина дисперсии определяется по формуле:


t =Öt2вых-t2вх, где (5.4)


tвых и tвх - длительность входного и выходного сигналов.

Дисперсия определяется пропускной способностью оптического кабеля по формуле:


DF=0.44/t (5.5)


6.4 Определение места и характера повреждения оптического кабеля


Повреждением волокна считается любая неоднородность, приводящая к ухудшению передаточных свойств кабеля. Характерными повреждениями ОК являются нарушение целостности волокна и защитной оболочки. Один из наиболее характерных видов повреждения является обрыв волокна.

Существуют в основном три метода определения места обрыва оптического волокна:

1.Измерение световой энергии, излученной в окружающее пространство;

2.Измерение интенсивности обратного релеевского рассеяния;

.Импульсный локационный метод обрыва.

Импульсный метод получил наибольшее распространение. Этот метод обладает высокой разрешающей способностью и позволяет определить как место полного обрыва оптических волокон в кабеле. Принцип работы состоит в том, что в кабель посылается серия зондирующих импульсов и по длительности возвращения, отраженных от места обрыва волокна, импульсов определяется место обрыва.


7. Расчет показателей надёжности


.1 Понятие надёжности


Надежность - комплексное свойство объекта. Важнейшей составляющей надежности канала связи, линии передачи и линейных сооружений является готовность. При расчете параметров готовности пользуются следующими соотношениями[7]:


Kгl = (8760 - tm)/8760; (7.1)

Tl = Kгl t/(1 - Kгl); (7.2)

TL = (8760l - mLt)/(mL) = tKгl/(1 - Кгl); (7.3)

Kгl = TL/(TL+t). (7.4)


Здесь t - среднее время восстановления, r; m - число повреждений (отказов) на 100км линии в год; l - длина относительно короткого участка линии (обычно l принимают равным 100км); L - общая длина линии, км; Кгl - коэффициент готовности короткого участка линии длиной l; TL - средняя наработка между отказами всей линии; Tl - средняя наработка между отказами на участке линии длиной l; KгL - коэффициент готовности на общей длине линии.

В канале ТЧ или основном цифровом канале протяженностью 13900км (без резервирования) должны обеспечиваться [7] показатели готовности, приведенные в таблице 7.1.


Таблица 7.1

Параметры ГотовностиЗначение для канала ТЧ или ОЦК протяженностью 13900км (без резервирования) Существующая сетьПерспективнаяцифровая сетьКанал в целом (норма)Только линейные СооруженияКанал в целом (норма)Только линейные сооруженияКоэффициент готовности0,910,950,980,985Среднее время наработки между отказами, ч11,0 98,8_______340,5Среднее время восстановления, ч1,15,2_______5,2Число отказов на 100км в год______0,606_______0,182

.2 Расчет параметров готовности подземной ВОЛС


За многие годы эксплуатации электрических кабелей связи получены статистические данные о причинах, числе повреждений и времени их устранения. Эти данные могут быть использованы, при внесении определенных корректив, для прогнозирования параметров готовности ВОЛС. Основные виды повреждений магистральных кабелей и процентное распределение таких повреждений (отказов), вызывающих остановку связи, характеризуются данными, приведенными в таблице 7.2м [7].

Эти данные получены по результатам анализа 1813 отказов (аварий) коаксиальных кабелей различных типов. По симметричным магистральным кабелям причины и распределение отказов весьма близки к указанным в таблице 7.2.


Таблица 7.2

Причины повреждений (отказов)Частость отказов,%Земляные работы сторонних организаций и Населения вблизи места прокладки кабелей53,65Удары молний17,04Оползни, обвалы, просадки грунта16,85Дефекты изготовления кабеля0,57Дефекты прокладки и монтажа3,14Дефекты эксплуатации4,06Влияние ВЛ0,69Коррозия оболочки0,82Старение кабеля0,26Прочие и невыясненные причины2,92

В таблице 7.3 приведены средние значения интенсивности (числа) отказов (на 100км в год) и среднеквадратические отклонения интенсивности отказов для коаксиального кабеля (64 тыс. км) по данным эксплуатации с 1975 по 1985 годы [7]. Повреждаемость оптических кабелей, обусловленная внешними причинами, согласно зарубежным данным, мало отличается от повреждаемости коаксиальных кабелей. В таблице 7.3 приведены также данные о среднем времени восстановления ОК, рассчитанные на основе данных по коаксиальному кабелю, с учетом поправок на особенности полностью диэлектрических оптических кабелей.


Таблица 7.3

Причины отказовИнтенсивность отказов mСреднеквадратическое откланение s(m)Время восста Новления ОК ч1234Земляные работы сторонних организаций Стихийные явления: Удары молний Мерзлотные Оползни Обвалы Осадка грунта Паводки Ливни Прочие природные0,13150,01736,2760,14900,017310,3120,05810,0077-----------0,01250,01168,4790,01690,007010,1630,01090,007413,6010,02510,00749,9070,00820,006813,160,00680,00228,493Дефекты, в том числе Строительства Эксплуатации Заводские0,01050,010110,5360,04690,01028,4710,02690,00958,7420,01310,00696,4590,00690,006911,233Старение0,00080,00046,028Влияние ВЛ и ЭЖД0,00110,0011-------Прочие0,00340,00347,319Причина не установлена0,01110,00798,401Всего0,34380,14147,247

Диэлектрические ОК не подвержены ударам молний и влиянию ВЛ и контактной сети электрифицированных железных дорог (ЭЖД). Поэтому для них примем среднюю интенсивность отказов 0,2846. При среднем времени восстановления 7,247ч (смотри таблицу 7.3) получаются следующие показатели надежности ОК [7]:

Коэффициент готовности на длине 100км.........................0,99976

Наработка между отказами на длине линии 100км............30774ч

Наработка между отказами на длине 13900км....................214,2ч

Коэффициент готовности на длине 13900км.........................0,967

Таким образом, ожидаемые коэффициенты готовности ОК существенно выше, чем это требуется для существующей первичной сети.

При строительстве новых дорогостоящих подземных ВОЛС можно осуществить дополнительные меры по уменьшению числа случаев повреждений ОК от стихийных явлений. Имеются в виду более тщательные обследование и учет грунтовых условий на трассе прокладки кабеля при проектировании; правильный выбор защитных покровов кабелей, соответствующим грунтовым условиям; внедрение наиболее современных методов эксплуатации и осмотра трассы кабелей.

Исключая повреждения от стихийных природных явлений и влияния ВЛ и ЭЖД, получим значение интенсивности отказов, равное 0,1955. При этом будут следующие показатели надёжности [7]:

коэффициент готовности на длине 100 км .......................0,99984

наработка между отказами на длине 100 км .....................44801 ч

наработка между отказами на длине 13900 км ..................315,1 ч

коэффициент готовности на длине 13900 км .....................0,9775

Для достижения требуемого значения коэффициента готовности (0,985) при данной плотности отказов (0,1995) необходимо уменьшить время восстановления до 4,85 ч. Это возможно при использовании временной оптической кабельной вставки.

Рассчитаем показатели надёжности ОК для проектируемого участка ВОЛС ПС Восточная - ПС Заря:


Исходные данные: L = 32,849 км; l = 100 км; m = 0,2846;

t = 7,247 ч.

Krl = (8760 - tm) / 8760 = (8760 - 7,247*0,2846) / 8760 = 0,99976;l = Krl*t / (1 - Krl) = 0,99976*7,247 / (1 - 0,99976) = 30773 ч;

TL = (8760*l - mLT) / (mL) = (8760*100 - 0,2846*32,849*7,247) / / (0,2846*32,849) = 93682 ч;

  1. Исходные данные: L = 32,849 км; l = 100 км; m = 0,1955;

t= 7,247 км.rl = (8760 - t*m) / 8760 = (8760 - 7,247*0,1955) / 8760 = 0,99984;l = Krl * t / (1-Krl) = 0,99984*7,247 / (1 - 0,99984) = 44801 ч;L = (8760*l-m*L*t)/(m*L) = (8760*100 - 0,1955*32,849*7,247)*

* (0,1955*32,849) = 135441 ч;rL = TL / (TL + t) = 136441 / (136441 +7,247) = 0,99994.


.3 Расчет параметров готовности подвесной ВОЛС


Единая энергетическая система Российской Федерации обладает протяженной и разветвленной сетью воздушных линий электропередачи. В таблице 7.4 приведены цифры протяженности ВЛ в зависимости от их напряжения [7].


Таблица 7.4

Напряжение ВЛ U, кВДлина ВЛ, тыс. км.2208333010400...500347502,611500,5

Причины и относительное количество повреждений ВЛ приведены в таблице 7.5 [7].


Таблица 7.5

Причины поврежденийЧастость отказов , %Перекрытие и разрушение Изоляторов57,0Перекрытие с фазы на опору3,8Перекрытие с фазы на проезжающие механизмы3,3Обрыв грозозащитного троса3,1Обрыв фазного провода2,4Перекрытие на деревья1,6Набросы на фазу1,8Прочие 27,0

Как уже сказано, оптические кабели либо встраиваются в грозозащитный трос либо навиваются на трос или фазовый провод. Поэтому представляет интерес статистика обрывов фазовых проводов и грозозащитных тросов (таблица 7.6)


Таблица 7.6

Напряжение ВЛ, кВ Интенсивность отказов, mФазатрос1100,17...0,190,22...0,252200,05...0,070,06...0,093300,04...0,060,05...0,085000,03...0,050,03...0,06

Нормативное среднее время восстановления повреждений на ВЛ напряжением 110 и 220 кВ составляет 12,4 ч, на ВЛ-330 и ВЛ-500 - 6,2 ч.

Показатели готовности ОКГТ, вычисленные по этим данным, приведены в таблице 7.7 [7].


Таблица 7.7

U, кВmT, чKrlTl, чTL, чKrL1100,02512,40,9996535028239,70,95082200,0912,40,9998797321687,80,98233300,086,20,99994112301801,80,99235000,066,20,99995134763963,40,9936

Таким образом, ВОЛС, подвешенные на опорах ВЛ 110 кВ, соответствуют требованиям к коэффициенту готовности существующей сети связи, а ВОЛС, подвешенные на опорах ВЛ-220, 330, 500 кВ, - требованиям к КrL перспективной цифровой сети.

Рассчитаем показатели готовности ОКГТ для проектируемого участка ВОЛС-ВЛ ПС Восточная - ПС Заря:

Исходные данные: L = 32,849 км; l = 100 км; m = 0,09; t = 12,4 ч.


Krl = (8760-t*m) / 8760 = (8760-12,4*0,09) / 8760 = 0,99987;l = Krl*t / (1-Krl) = 0,99987*12,4 / (1-0,99987) = 97321 ч;L = (8760*l - m*L*t) / (m*L) = (8760*100 - 0,09*32,849*12,4) /

/ (0,09*32,849) = 295934 ч;rL = TL / (TL + t) = 295934 / (295934 +12,4) = 0,99995.


.4 Анализ результатов расчетов


На основании расчетов надежности ОК при подземной прокладке и воздушной подвеске в таблице 7.8 приведены сравнительные характеристики показателей надежности.

Таблица 7.8

Тип ВОЛСKrlTl, чTL, чKrLПодземная ВОЛС m = 0,2846 m = 0,1955 0,99976 0,99983 30773 44801 93682 136441 0,99992 0,99994Подвесная ВОЛС0,99987973212959340,99995

Из таблицы 7.8 следует, что по всем показателям надежности подвесной вариант строительства ВОЛС на проектируемом участке ПС Восточная - ПС Заря лучше чем подземный.


8 Строительство ВОЛС-ВЛ на участке ПС Восточная - ПС Заря


.1 Общие сведения


Технология монтажа ОК на ВЛ имеет существенные отличия от технологии монтажа проводов, принятой в России. Раскатка обычных проводов и тросов выполняется на земле с последующим подъемом на опоры. При этом повреждаемость внешнего повива велика.

Конструкции же многих ОКГТ во внешнем повиве содержат стальные проволоки, плакированные тонким слоем алюминия, повреждение которого приведет к коррозии стали и снижению несущей способности троса. Раскатка же ОКСН с полиэтиленовой оболочкой по земле просто недопустима. Даже незначительные повреждения оболочки и нарушение ее герметичности приведет к проникновению в кабель влаги и резкому сокращению его срока службы в результате потери механической прочности оптических волокон.

Главная особенность технологии монтажа ОК на ВЛ, принятой во всем мире, состоит в том, что раскатка кабеля проводится под тяжением через систему роликов, смонтированных на опорах вблизи его точек подвеса. Технология направлена на то, чтобы в процессе монтажа исключить возможность каких либо повреждений кабеля. Это достигается применением особых приемов, специального оборудования и приспособлений, позволяющих ограничить воздействия различных механических нагрузок (растягивающих, изгибных, раздавливающих, крутильных и других) в пределах максимально допустимых, заданных изготовителем.


8.2 Строительство ВОЛС-ВЛ на монтажном участке (опора №9 - опора №17)


Вся трасса ВОЛС-ВЛ ПС Восточная - ПС Заря, протяженностью 32,849км, разбивается на монтажные участки (12 штук), согласно табл 8.1.

Таблица 8.1

№№ участковМарка КабеляДлина Кабеля, мПролеты ВЛМеста Установки муфт1ОКГТ-МТ-43350ОПУ-1-9Опора №92ОКГТ-МТ-434209-17Опора №173ОКГТ-МТ-4338017-25Опора №254ОКГТ-МТ-4295025-33Опора №335ОКГТ-МТ-4324533-43Опора №436ОКГТ-МТ-4250543-50Опора №507ОКГТ-МТ-4277550-56Опора №568ОКГТ-МТ-4322556-64Опора №649ОКГТ-МТ-4333564-72Опора №7210ОКГТ-МТ-4309072-80Опора №8011ОКГТ-МТ-4246080-87Опора №8712ОК-50-2*50087-ОПУ

*) - кабель оптический линейный с наружной оболочкой из полиэтилена, с длиной волны 1,31мкм, с коэффициентом затухания 0,5дБ/км и количеством оптических волокон - 4.

Границами монтажных участков служат как анкерно-угловые, так и промежуточные опоры. В соответствии с протяженностью монтажных участков определена строительная длина кабеля.

Границы монтажных участков, типы и номера опор, ограничивающих монтажные участки, направление раскатки кабеля и места расстановки барабанов с кабелем указаны на рисунке 1.1.

В дипломном проекте в качестве примера подробно рассмотрены вопросы строительства и монтажа кабеля на монтажном участке опора№9 - опора№17 (оп.№9 - оп.№17). ниже приведена характеристика данного монтажного участка:

Длина участка, м........................................................................3315

Количество пролетов, шт...............................................................8

Опора П26м, шт...............................................................................9

Пересечения, шт:

Ручей.................................................................................................1

ВЛ 10кВ (у опоры№17)...................................................................1

Полевая дорога................................................................................1

Типы крепления кабеля ВОЛС, шт:

Анкерные..........................................................................................2

Промежуточные...............................................................................7

С целью повышения уровня механизации и качества монтажа кабеля связи проектом предусматривается монтаж с использованием комплекса машин, обеспечивающего монтаж кабеля под тяжением.

В комплекс машин входят размоточно - тормозная, тягово-намоточная установки, монтажный трос и монтажные приспособления (роликовые подвесы, соединительные и монтажные зажимы).

Минимальная температура производства работ по раскатке и подвеске кабеля связи - минус 10 градусов.

Основные машины, механизмы и приспособления, используемые при строительстве на монтажном участке ОП.№9 - ОП.№17, приведены в таблице 8.2.


НаименованиеМаркаКоличествоКомплекс тяговой---------------1Комплекс тормозной---------------1Трактор Т - 130 2Автогидроподъемник АГП - 222Буровая машина БМ - 302А1Кран автомобильныйКС - 2561К1Трос тяговый диаметром 11,5мм длиной 3600м---------------1Раскаточный блок (Æ656мм)-----------------9Вертлюг -----------------1Чулок монтажный------------------2Зажим специальный натяжной-----------------2

Специальная линейная и монтажная арматура (натяжные и поддерживающие зажимы, коуши и крепежные струбцины) поставляются НПВП «Электросетьстройпроект» (г. Москва).


.2.1 Подготовительные работы

Качественное проведение монтажа кабеля в сжатые сроки, жестко определенные временем отключения линии, в значительной мере зависит от комплекса подготовительных работ.

Ниже рассмотрена технологическая схема производства подготовительных работ для монтажного участка ОП.№9 - ОП.№17.

  1. До начала работ по монтажу кабеля необходимо проверить техническое состояние опор ВЛ, где будет производиться подвеска кабеля.
  2. Смонтировать на опорах узлы крепления кабеля, соединительных кабельных муфт и кабельных шлейфовых барабанов.
  3. Развезти дополнительно необходимую арматуру, материалы и приспособления.
  4. Отключить ВЛ 10кВ. Смонтировать защиты№1.
  5. Выполнить раскатку и завеску тягового монтажного троса в ролики, подвешенные к нижним траверсам опор.
  6. Завезти к опоре№17 барабан№2 с кабелем длиной 3420м.
  7. Расставить механизмы согласно схеме (рисунок 8.1).
  8. Установить барабан с кабелем на тормозной комплекс, снять с него обшивку и проверить качество монтируемого кабеля. Задать необходимое тормозное усилие на кабеле.
  9. Соединить у опоры№17 тяговый трос с кабелем при помощи монтажных чулок, через осевой шарнир (вертлюг).

10.Отключить обе цепи ВЛ 220кВ ПС Восточная - ПС заря. Выполнить заземление проводов на опорах№9 и №17.

8.2.2 Монтаж кабеля

рассмотрим технологическую схему производства работ по монтажу кабеля на монтажном участке ОП.№9 - ОП.№17.

  1. используя рации, выполнить раскатку кабеля ВОЛС в пролетах ОП.№9 - ОП.№17.
  2. Когда на барабане тормозного комплекса останется 5-6 витков кабеля, раскатку прекратить. При помощи специального монтажного зажима выполнить временное крепление кабеля к трактору. Остатки кабеля раскатать вручную.
  3. Оставив свободным конец кабеля нужной длины, для установки соединительной кабельной муфты, установить натяжной зажим на кабель.
  4. Поданкеровать кабель ВОЛС на опоре№17.
  5. Отвизировать кабель в пролетах 9-17, нанести отметки и смонтировать натяжной и поддерживающий зажимы.
  6. Выполнить анкерное крепление кабеля на опоре№9. Демонтировать защиты №1. Включить ВЛ 10кВ.
  7. Переложить кабель из роликов в поддерживающие зажимы на промежуточных опорах 10-16, с установкой протекторов и амортизаторов. Заземлить кабель на промежуточных опорах.
  8. Концы кабеля на опорах №№9, 17 собрать в бухты на шлейфовые кабельные барабаны до монтажа соединительных кабельных муфт.
  9. Снять заземление и включить ВЛ.
  10. Перегнать тяговый комплекс к опоре №25.

Для сокращения времени отключения действующей ВЛ, на период монтажа кабеля, проектом предусматривается следующая технология выполнения работ:

  • Монтаж на опорах металлических элементов кремния кабеля, соединительных кабельных муфт и шлейфовых кабельных барабанов выполнять без снятия напряжения;
  • Раскатку и завеску на опорах тягового монтажного троса выполнять без снятия напряжения;
  • Монтаж волоконно-оптического кабеля связи выполнять под тяжением со снятием напряжения с обеих цепей действующей ВЛ;
  • Монтаж соединительных кабельных муфт, их подъем на опору и крепление, выполнять без снятия напряжения.

С целью сокращения времени нахождения кабеля в раскаточных роликах (не более суток), монтаж натяжных и поддерживающих зажимов, перекладка кабеля из раскаточных роликов производится, как с опусканием кабеля ВОЛС на землю, где есть возможность, так и без опускания на землю, с автогидроподъемников АГП. Эти работы необходимо выполнять параллельно несколькими звеньями.

Визировка кабеля ВОЛС, анкеровка и поданкеровка может выполняться как с помощью тягового комплекса, обеспечивающего контроль тягового усилия, так и с помощью визировочных реек при помощи дополнительного тягового механизма.

После полного монтажа кабеля (за исключением соединительных кабельных муфт) на одном монтажном участке приступают к раскатке кабеля на следующем монтажном участке.

Монтаж кабельных муфт выполняется в передвижной лаборатории. После разделки и проверки целостности оптической части кабеля производится стыковка волокон сваркой и укладка в специальные герметичные муфты (например ХОК 106 фирмы Nokia). Сварка одномодового волокна с затуханием, не превышающем в среднем 0,05дБ/стык, требует высокой квалификации исполнителей и высокопрецизионного сварочного оборудования и инструмента таких фирм, как Fujikura, Siemens. Затем, с помощью монтажного троса, кабельная муфта поднимается на опору и закрепляется. Ветви кабеля наматываются на шлейфовые кабельные барабаны с соблюдением мер предосторожности от скручивания.

8.3 Потребность в машинах, механизмах транспорте


Для выполнения работ по подвеске ОКГТ на участке ВЛ ПС Восточная - ПС Заря потребность в основных строительных машинах, механизмах и транспортных средствах определена по физическим объектам работ и годовой производительности машин и механизмов. Перечень необходимых машин и механизмов определен исходя из технологии выполнения работ и соответствует «Табелю машин и механизмов для мех колонн по строительству ВЛ и подстанций 35-750кВ», утвержденному Минэнерго СССР, приведен в таблице 8.3.


Наименование машин, механизмов и Транспортных средствКоличество ЕдиницПримечаниеТяговый комплекс1Тормозной комплекс1Трактор Т - 130 2Кран автомобильный КС - 3575А1Стрела 10мАвтогидроподъемник АГП - 223Автомобиль грузовой УРАЛ - 3751Автомобили специальные4Кран автомобильный КС - 2561К Буровая машина БМ - 302А1 1Для устройства ЗащитЛодка моторная1Передвижная лаборатория по Монтажу соединительных кабельных муфт1

Примечание: к специальным автомобилям относятся топливозаправщики, цистерны для питьевой воды, бригадные автомобили вместимостью 18-24 человек, автобусы вместимостью 22 человека, мастерские с подъемными устройствами 1,0т.


9. Оценка технико - экономической эффективности ВОЛС - ВЛ


В данном дипломном проекте проведено экономическое сравнение подвесного и подземного вариантов сооружения ВОЛС.

При экономическом сравнении вариантов использованы экономические показатели магистрали Санкт-Петербург - Москва и линии связи Тайшет - Байкальск, являющихся участками транссибирской линии связи (ТСЛ). Стоимость строительно-монтажных работ (СМР) подземного варианта принята из материалов треста Межгорсвязьстрой и АО Ростелеком [7]. Стоимость СМР подвесного варианта принята по результатам строительства магистральной линии Санкт-Петербург - Финляндия из материалов РАО ЕЭС России[7].

При сопоставлении вариантов сооружении линий связи могут ипользоваться различные критерии: минимум капитальных затрат; минимум приведенных затрат, когда учитываются и капитальные и приведенные затраты; минимум приведенных платежей (наибольшая скорость сооружения линии); минимизация организационных трудностей при эксплуатации.

Еще нет достаточно надежных данных по эксплуатационным затратам ни для варианта подземной прокладки ОК, ни для варианта его подвески на опорах ВЛ. Сложность учета эксплуатационных затрат усугубляется двумя обстоятельствами: во - первых, неизвестен объем первоначальных затрат на создание инфраструктуры для эксплуатации оптических кабелей на предприятиях, ведущих эксплуатацию электрических кабелей, во - вторых, неизвестно соотношение между капитальными и эксплуатационными затратами для линии передачи с оптическими кабелями.

В нашем случае наиболее точным качественным критерием оптимальности при выборе варианта сооружения ВОЛС является критерий минимума капитальных затрат.

В таблице 9.1 [7] приведены экономические показатели применительно к климатическим условиям Сибири.

Таблица 9.1

Варианты строительстваСтоимость кабеля, тыс.долл/кмСтоимость СМР тыс.долл/кмПодземный 9,3814,74Подвесной 10,010,52

Особо следует подчеркнуть, что стоимость кабеля и СМР увеличивается пропорционально увеличению требуемой механической прочности кабеля.

На рисунке 9.1 показаны графики удельной стоимости: подземного 1 и подвесного 2 кабелей, СМР подземного 3 и подвесного 4 вариантов, а также суммарные затраты подземного 5 и подвесного 6 вариантов сооружения ВОЛС на 1км линии [7].

Таким образом, суммарные затраты подземного варианта строительства практически всегда выше, чем подвесного.


10. Мероприятия по охране труда, технике безопасности и сохранению окружающей среды


Все работы (строительные, монтажные, и специальные) по сооружению ВЛ должны выполняться в соответствии со СНиП 3.05.06-85 Электротехнические устройства, Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов, Правила пожарной безопасности при производстве электромонтажных работ на объектах Минэнерго СССР.

Погрузочно-разгрузочные работы на железнодорожной станции должны производиться в соответствии с ГОСТ 12.3.009-79, а также руководствоваться Правилами по технике безопасности и производственной санитарии при погрузочно-разгрузочных работах на железнодорожном транспорте, утвержденными МПС.

Все работы вблизи объектов, находящихся под напряжением необходимо выполнять в соответствии с требованиями Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок и Правил техники безопасности при производстве электромонтажных работ на объектах Минэнерго СССР. Все работы должны производиться только с особого разрешения обслуживающего персонала и под его непосредственным наблюдением. Должны быть выполнены основные мероприятия, обеспечивающие безопасное выполнение работ, а именно:

  • произведены необходимые отключения и приняты меры, препятсвующие ошибочному включению напряжения;
  • наложены заземления;
  • вывешены предостерегающие и разрешающие плакаты;
  • оформлен в установленном порядке наряд-допуск.

При производстве строительно-монтажных работ должны быть соблюдены требования по предотвращению запыленности и загазованности воздуха. Не допускается при стоянке машин и механизмов с двигателями внутреннего сгорания - работа двигателя вхолостую.

На отведенной для строительства территории не допускается вырубка деревьев и кустарника, не предусмотренная проектной документацией.

Во избежание загрязнения почвы горюче-смазочными материалами, стоянки и заправки строительных машин и механизмов должны производиться на специально отведённых площадках.


Заключение


В процессе дипломного проектирования на тему «Проект строительства участка ВОЛС по высоковольтной линии передачи» были достигнуты следующие результаты:

  • выбрана система передачи на 120 каналов производства ЭЗНП РАН, для организации диспетчерско-технологической связи между ПС Восточная и ПС Заря;
  • выбран оптический кабель ОКГТ-МТ-4-10/125-0,36/0,22-13,1-81/72;
  • рассчитаны параметры оптического кабеля;
  • на основании расчета длины участка регенерации сделан вывод о том, что установка регенераторов не требуется;
  • проведённые расчеты механической нагрузки на ОКГТ подтвердили, заданную заводом изготовителем, разрывную прочность кабеля;
  • расчет показателей надёжности показал, что подвесной вариант строительства ВОЛС на проектируемом участке ПС Восточная - ПС Заря лучше, чем подземный;

В проекте были рассмотрены вопросы строительства и монтажа кабеля на монтажном участке (опора №9 - опора №17), а также мероприятия по охране труда, технике безопасности и сохранению окружающей среды.

Оценка технико-экономической эффективности ВОЛС-ВЛ показала, что суммарные затраты подземного варианта строительства практически всегда выше чем подвесного.


Список используемой литературы


1.Ишкин В.Х., Семенов В.А., Электроэнергетика России // Connect! Мир связи. - 1998.-N 10.-с56-59.

.Ишкин В.Х., Тулинов В.В., Ходатай В.А., Цым А.Ю. На пути к стандартизации // Connect! Мир связи.-1998.- N10. -с.60-61.

.Ишкин В.Х. , Цимвер И.И., Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ. -М.:Энергоиздат,1981.-208 с.

.Нормативные материалы по проектированию. Линии связи с использованием аппаратуры PDH и SDH. НП. 1. 287-1-96/ Гипросвязь. -М. 1996.- 68 с.

.Баланчевадзе В.А. , Ишкин В.Х., Стечний В.П. Телекоммуникационные сети электроэнергетики России // Connect! Мир связи.-1998.- N10. -с. 64-68.

.Богданова О.И. Конструкция оптических кабелей. // Электрические станции. -1997. - N2. -с. 36-43.

.Цым А.Ю. , Воронцов А.С. Новая технология сооружения волоконно-оптических линий передачи // Труды международной академии связи. -1998. - N1 (5). - с. 13-16.

. Смирнов Б.И. Подвеска оптических волокон на воздушных линиях электропередачи // Электрические станции. -1997. - N2. -с. 44-48.

.Цветков Ю.Л. Особенности монтажа оптических кабелей на воздушных линиях электропередачи. // Электрические станции. -1997. - N2. -с. 49-53.

.Ходатай В.А. , Шедько В.М. Давыдов И.С., Хволес Е.А., Волоконно-оптическая линия связи госграница (Финляндия)- ПС-90 Ленэнерго. // Электрические станции. -1997. - N2. -с. 53-55.

.Гроднев И.И., Ишкин В.Х. , Волоконно-оптическая связь вдоль линий электропередачи // Электросвязь. -1996.- N3.-с.21-22.

.Портнов Э.Л. Электромагнитная совместимость оптических кабелей. // Электросвязь.-1995.- N11. -с. 28-29.

.Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. // Учебник для ВУЗов / Под редакцией Попова. -М. :Радио и связь., -1995. -200 с.

.Алексеенко А.Л. , Белов Ю.Н. , Ионов А.Д. , Хабибулин В.М. Проектирование и строительство волоконно-оптических линий связи. : Учебное пособие. -Новосибирск.:СибГАТИ, 1997.-92с.

.Заславский К.Е. Волоконно-оптические системы передачи, часть 3: Учебное пособие. -Новосибирск.:СибГАТИ, 1997.-61с.

.Крюков К.П. , Новгородцев Б.П. Конструкции и механический расчет линий электропередачи: Учебник. -Л.:Энергия, 1970.-392с.

.Бошнякович А.Д. Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи: Учебник. 2-е переработанное. -Л.:Энергия, 1971.-296с.

.Справочник по проектированию линий электропередачи / Под редакцией Реута М.А.-М.:Энергия, 1980. -296с.


Содержание Введение 1.Характеристика трассы ВЛ на участке ПС Восточная - ПС Заря 2.Выбор систем передачи 2.1Существующие системы передачи по ВЛ

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ