Свойства, применение и характеристики направляющих систем

Введение

На современном этапе развития общества в условиях научно-технического прогресса непрерывно возрастает объем информации. Как показывают теоретические и экспериментальные (статистические) исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями народного хозяйства, а также увеличением объема информации в технической, научной, политической и культурной жизни общества. Повышаются требования к скорости и качеству передачи разнообразной информации, увеличиваются расстояния между абонентами. Связь необходима для оперативного управления экономикой и работы государственных органов, для повышения обороноспособности страны и удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения.

В эпоху научно-технической революции связь стала составным звеном производственного процесса. Она используется для управления технологическими процессами, электронно-вычислительными машинами, роботами, промышленными предприятиями т.д. Непременным и одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов связи являются линии связи (ЛС), по которым передаются информационные электромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика, регенератора и т.д.) к другому (станции, регенератору, приемнику и т.д.) и обратно. Очевидно, что эффективность работы систем связи во многом предопределяется качеством ЛС, их свойствами и параметрами, а также зависимостью этих величин от частоты и воздействия различных факторов, включая мешающие влияния сторонних электромагнитных полей.

1. Направляющие системы

В настоящее время наряду с широким применением кабелей получили развитие также другие средства передачи информации, такие как волноводы, световоды, линии поверхностной волны, сверхпроводящие и ленточные кабели и др. Все они объединены под общим названием - направляющие системы.

Направляющая система (НС) - это устройство, предназначенное для передачи электромагнитной энергии в заданном направлении. Таким канализирующим свойством обладают проводник, диэлектрик и любая граница раздела сред с различными электрическими свойствами (металл-диэлектрик, диэлектрик - воздух и др.). Поэтому роль НС могут выполнять металлическая линия (кабель, волновод), диэлектрическая линия (диэлектрический волновод, волоконный световод), а также металлодиэлектрическая линия (линия поверхностной волны) [1].

Современные направляющие системы передачи разделяются на:

воздушные линии связи (ВЛС);

коаксиальные кабели (КК);

сверхпроводящие кабели (СПК);

волноводы (В);

световоды (С), оптические кабели (ОК);

линии поверхностной волны (ЛПВ);

диэлектрические волноводы (ДВ);

ленточные кабели (ЛК) (полосковые линии ПЛ);

радиочастотные кабели (РК).

2. Воздушные линии связи

В настоящее время известны семь основных вида оптических кабелей для подвески на воздушные линии (ОК-ВЛ), три из которых получили наибольшее распространение - это оптический кабель в грозозащитном тросе (ОКГТ), полностью диэлектрический оптический самонесущий кабель (ОКСН) и оптический навивной кабель (ОКН) [2, 3].

Таблица 1. Основные типовые технические требования к ОК-ВЛ

Основные параметры и характеристики ОК-ВЛОКГТОКСНОКНКласс напряжений ВЛ110 кВ и выше110 и 220 кВ110 кВ и выше (ГТ) 110 кВ (ФП)Максимальная длина пролета ВЛ, м450-500450-500-Диапазон рабочих температур, °Cот -50 до +60от -50 до +60от -50 до +60Количество ОВ16-4816-488-32Диаметр ОК, мм13-2015-206,2-8,4 (ГТ) 7,3-9,0 (ФП)Масса ОК, кг/км530-720180-36032-69 (ГТ) 52-77 (ФП)Разрушающая нагрузка, кН60-14030-1001.0-1.2Средняя эксплуатационная нагрузка, кН7-307-20-Максимально допустимое рабочее тяжение, кН20-6015-300.3Допустимый ток КЗ, кА2 сек (ток КЗ, кА за 0,3 сек)190-400 (25-40)--Допустимый потенциал электрического поля, кВ-12-25-Максимальная температура грозотроса (провода), °C200-260-300Максимальная строительная длина, км4-64-62-4Срок службы, лет252525

Примечания:

Максимальная температура ОКГТ - 120 °С

Диапазон рабочих температур: -50 - +50 °С; проводника для ОКН - 300 °С

ГТ - навивка на грозотрос

ФП - навивка на фазный провод

ОКГТ

Оптический кабель встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ) является наиболее широко используемым решением для строительства ВОЛС-ВЛ. Доля ОКГТ составляет около 80% всех ВОЛС-ВЛ на вновь строящихся линиях и свыше 40% на реконструируемых.

На Рис. 1 показано, что в конструкции кабеля типа ОКГТ можно выделить сердечник или оптический модуль, содержащий оптические волокна, и внешний одинарный или двойной повив преформированных проволок. Стальная проволока, используемая в повивах ОКГТ должна быть защищена от коррозии, поэтому применяется так называемая плакированная алюминием проволока, которая существенно устойчивее к окислению, чем гальванизированная, ввиду большей толщины покрытия. Кроме того, ее проводимость выше, а прочность не ниже, чем у аналогичных стальных проволок. Также для обеспечения стойкости к токам короткого замыкания (КЗ) в повиве используют алюминиевые проволоки. Комбинацией различного числа стальных и алюминиевых проволок добиваются необходимых характеристик по прочности на растяжение и стойкости к токам КЗ. Также важно отметить, что, поскольку грозотрос подвержен частому действию разрядов молний, целесообразно для наружного слоя использовать проволоки диаметром не менее 2,5 мм и стараться, по возможности, избегать наличия алюминиевых проволок во внешнем повиве, из-за их низкой молниестойкости. Фотографию с кабелями типа ОКГТ различных производителей можно увидеть на Рис. 2.

Схема конструкций ОКГТ:

Рис. 1. Основные схемы конструкций ОКГТ

Рис. 2. Кабеля типа ОКГТ различных производителей

ОКСН

Оптические самонесущие диэлектрические (неметаллические) кабели (ОКСН) предназначены для монтажа на опорах действующих ВЛ с подвеской либо ниже фазных проводов (обычно на уровне нижней траверсы), либо по оси опоры ВЛ - в точке «нулевого потенциала».

Традиционно область применения ОКСН - ВЛ с относительно небольшими пролетами (до 200-300 м). Так на ВЛ напряжением 10, 35 и 110 кВ, при отсутствии грозозащитного троса на линиях, кабель ОКСН является практически единственным решением для ВОЛС-ВЛ. Однако в некоторых случаях ОКСН используют и на ВЛ с рабочим напряжением 220 кВ и выше с длиной пролетов 300-400 м. Известное ограничение применения ОКСН на ВЛ класса напряжения выше 150 кВ связано с явлением так называемого сухого дугового разряда, возникающего после загрязнения оболочки ОКСН из-за наведенных потенциалов электромагнитного поля. Схему конструкции кабеля типа ОКСН можно увидеть на Рис. 3.

Рис. 3. Схема конструкции ОКСН

ОКН

На существующих ВЛ, находящихся в хорошем состоянии, применялись различные технологии по подсоединению ОК к несущим проводам линии: с помощью ленты, зажимов и навивки. Навивка, как показала практика, оказалась наиболее удачной из всех этих технологий по всем показателям, таким как надежность системы, низкая стоимость монтажа, малые затраты на эксплуатацию, продуктивная работа, и на сегодняшний день является наиболее жизнеспособной технологией присоединения ОК. Основная идея этой технологии состоит в том, чтобы использовать уже существующий грозозащитный трос или один из фазовых проводов в качестве несущего проводника, на который наматывается специальный ОК - ОКН, как показано на Рис. 4. При этом ОКН может быть малогабаритным и иметь малую массу (около 40-50 кг/км), так как основная силовая нагрузка в этом случае приходится на несущий проводник. Для ОКН емкостью в 24 ОВ его диаметр составляет порядка 6 мм. Никаких работ по усилению несущей структуры не требуется, поскольку дополнительные нагрузки, привносимые ОКН, ничтожны.

Испытания в аэродинамической трубе как с моделированием гололеда, так и без него, и более чем двадцатилетняя практика применения ОКН, показали, что навитый ОК не вызывает появления нестабильностей и неустойчивых состояний в несущем проводнике. Следует также отметить, что спирально навитый ОКН дополнительно помогает противостоять вибрации и раскачиванию грозотроса или фазного провода с кабелем так, как это делает петля спирали, намотанная вокруг трубы, при сильном ветре.

Современные кабели типа ОКН разработаны для навивки на грозотрос ВЛ любого номинального напряжения или на фазный провод ВЛ напряжением до 150 кВ при обеспечении равномерного и постоянного тяжения кабеля. ОКН обеспечивают целый ряд преимуществ при строительстве ВОЛС-ВЛ, включая возможность их навивки на грозотрос действующих ВЛ напряжением 220 кВ и выше при достаточно высокой скорости подвеса и монтажа [4].

Рис. 4. Схема конструкции ОКН

Коаксиальные кабели.

Коаксиальный кабель состоит из:- оболочки (служит для изоляции и защиты от внешних воздействий) из светостабилизированного (то есть устойчивого к ультрафиолетовому излучению солнца) полиэтилена, поливинилхлорида, повива фторопластовой ленты или иного изоляционного материала;- внешнего проводника (экрана) в виде оплетки, фольги, покрытой слоем алюминия пленки и их комбинаций, а также гофрированной трубки, повива металлических лент и др. из меди, медного или алюминиевого сплава;- изоляции, выполненной в виде сплошного (полиэтилен, вспененный полиэтилен, сплошной фторопласт, фторопластовая лента и т.п.) или полувоздушного (кордельно-трубчатый повив, шайбы и др.) диэлектрического заполнения, обеспечивающей постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;- внутреннего проводника в виде одиночного прямолинейного (как на рисунке) или свитого в спираль провода, многожильного провода, трубки, выполняемых из меди, медного сплава, алюминиевого сплава, омеднённой стали, омедненного алюминия, посеребренной меди и т.п.

Благодаря совпадению центров обоих проводников, а также определенному соотношению между диаметром центральной жилы и экрана, внутри кабеля в радиальном направлении образуется режим стоячей волны, позволяющий снизить потери электромагнитной энергии на излучение почти до нуля. В то же время экран обеспечивает защиту от внешних электромагнитных помех.

Применение.

Основное назначение коаксиального кабеля - передача сигнала в различных областях техники: системы связи; вещательные сети; компьютерные сети; антенно-фидерные системы; АСУ и другие производственные и научно-исследовательские технические системы; системы дистанционного управления, измерения и контроля; системы сигнализации и автоматики; системы объективного контроля и видеонаблюдения; каналы связи различных радиоэлектронных устройств мобильных объектов (судов, летательных аппаратов и др.); внутриблочные и межблочные связи в составе радиоэлектронной аппаратуры; каналы связи в бытовой и любительской технике; военная техника и другие области специального применения.

Кроме канализации сигнала, отрезки кабеля могут использоваться и для других целей: кабельные линии задержки; четвертьволновые трансформаторы; симметрирующие и согласующие устройства; фильтры и формирователи импульса.

Сверхпроводящие кабели.

Во-первых, созданы низкотемпературные сверхпроводящие кабели (НТСП) различного назначения, с рабочей температурой в единицы K. В качестве хладагента к ним используют жидкий гелий. НТСП-кабели применяют в сверхпроводящих магнитах, в том числе в магнитах ускорителей элементарных частиц. Сложнейшие «НТСП кабели в оболочке», один из которых можно увидеть на Рис. 6, используют для создания огромных магнитов с сильными магнитными полями. В частности, для магнитов международного термоядерного реактора ITER.

Рис. 6. «НТСП кабель в оболочке»

Во-вторых, разработаны силовые сверхпроводящие линии на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Сейчас выпускают ВТСП двух поколений. К первому относят сверхпроводящие ленты в матрице из серебра или сплава на его основе. Второе поколение сверхпроводников (ВТСП-2) представляет собой тонкое сверхпроводящее покрытие на ленте-подложке. ВТСП-2 имеют наименьшие потери, но пока дороги в производстве. В обоих случаях хладагентом может быть жидкий азот, криогенные системы на нём намного дешевле, чем на жидком гелии, да и сам азот дёшев и доступен [5].

Структура ВТСП-провода 2-го поколения (Рис. 7): а - защитный слой Сu; б - керамика Y-Ba-Cu-O; в-ориентированный слой MgO; г - неориентированный слой MgO; д - лента из нержавеющей стали [6].

Рис. 7. Структура ВТСП провода 2-го поколения

Световоды.

Оптическое волокно - нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), как показано на Рис. 8, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми [7].

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения - каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе - показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т.д.

Рис. 8. Оптическое волокно

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: слева вверху - одномодовое волокно, слева внизу - многомодовое ступенчатое волокно, справа - градиентное волокно с параболическим профилем (Рис. 9).

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду.

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Рис. 9. Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

волновод оптический кабель воздушный

Литература

1. #"justify">. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи напряжением 110 кВ и выше. - М.: РАО «ЕЭС России», 1999. -108 с.

. Кабели, провода и материалы для кабельной индустрии: Технический справочник. / Сост. и редакция Кузенева В.Ю., Креховой О.В. - М.: Изд. «Нефть и газ», 1999. - 304 с.

. #"justify">. #"justify">. #"justify">. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. - М.: ЛЕСАРарт, 2003. - 288 с.

Больше работ по теме: