Реферат

На характеристики волоконно-оптического кабеля и его эксплуатационные свойства оказывают влияние следующие факторы: атмосферно-климатические; механические; радиационные.

1. Атмосферно-климатические воздействия

Из комплекса атмосферно климатических воздействий следует вы делить температуру и влагу.

Температурные воздействия, испытываемые подземными ВОК в процессе эксплуатации, возникают вследствие температурных изменений почвы. На территории России годовой перепад температур на глубине прокладки кабеля 1,2 м сравнительно невелик и составляет 2—14 оС. Однако в результате цикличности изменения температуры на кабель со стороны грунта периодически действуют внешние силы, а в самом кабеле изза его поперечные неоднородности структуры возникают внутренние напряжения.

Различие коэффициентов температурного расширения материалов сердцевины и оболочки при наличии эксцентриситета в их расположении приводит к возрастанию напряжений, которые могут привести к появлению трещин и даже разрушению оптического волокна. Для термомеханической прочности системы необходимо, чтобы коэффициент расширения оболочки был ниже коэффициента расширения сердцевины. Наиболее сильно ВОК подвергается температурным воздействиям при транспортировке, хранении, подвеске на опорах и нахождении на поверхности земли. В этих условиях

годовой перепад температур по климатологическим данным может достигать –50—+60

оС.

Рассматривая температурную зависимость затухания существующих оптических волокон из кварца с полимерным покрытием, можно отметить, что изменение затухания в области положительных температур сравнительно невелико, а в области отрицательных температур сказывается очень резко.

На рис. 1 приведен график возрастания дополнительного затухания оптических волокон при покрытиях из различных полимеров (полиэтилена, фторопласта, эпоксиакрилата) в области отрицательных температур.

Рис. 1 Затухание ВОК в области отрицательных температур: 1 — полиэтилен; 2 — фторопласт; 3 — эпоксиакрилат

Из графика видно, что наибольшая стабильность затухания обеспечивается при применении ВОК с покрытием из эпоксиакрилата. Причиной увеличения затухания является разница коэффициентов температурного расширения материалов (кварца и полимера) и появления за счет этого микроизгибов и трещин волокна.

Особенно неблагоприятно на характеристиках ВОК сказывается одновременное действие температуры и влаги.

Применяемые для изготовления ВОК полимерные материалы гигроскопичны и через них диффундируют пары воды. Эта влага, попавшая в трещины или поры

материала, при отрицательных температурах превращается в лед и может привести к разрушению материала.

Количество воды, проникающее через пластмассовую оболочку в ВОК, может быть определено по формуле:

где Квл — коэффициент влагонепроницаемости; ∆р — разность радиальных давлений снаружи и внутри кабеля; l — длина кабеля;

t — время наблюдения;

dн и dв — соответственно наружный и внутренний диаметры оболочки кабеля.

В результате длительных испытаний установлено, что особенно агрессивно на кварцевое стекло действует водород. Он как легкий элемент диффундирует в стекло, соединяется с кислородом кварца (SiO2) и образует группу ОН. Воздействие группы ОН на кварц приводит к ухудшению физико-механических свойств волокна, вызывает его старение и увеличение затухания. Эксперименты показали, что при нахождении оптических волокон в водородной среде при температуре 15—200 оС увеличение затухания происходит в двух волновых диапазонах: на волне 1,24 мкм на 3,4 дБ/км и на волне 1,41 мкм до 2,5 дБ/км. Затухание возрастает за счет образования гидроксильных групп и диффузии водорода в сердцевину волокна. Особенно сильно проявляется этот процесс при попадании воды в ВОК, содержащие металлические элементы. В этом случае активизируется выделение водорода за счет электрохимической коррозии металла и электролиза воды. Установлено также, что процесс образования группы ОН активизируется при нахождении оптического волокна в действующем состоянии. В этом случае происходит ионизация водорода и ускоряется процесс образования группы ОН. Важнейшей задачей при конструировании ВОК является полная их герметичность и надежная защита от влаги.

2. Воздействие «сухого дугового разряда»

Диэлектрические ВОК, подвешенные на опорах контактной сети, вследствие длительного влияния сильных электромагнитных полей подвержены воздействию так называемого сухого дугового разряда. Результатом его действия является образование на нижней поверхности внешней полиэтиленовой оболочки вздутий, оплавлений, подтеков, пузырьков, трещин.

Указанные дефекты, как правило, проявляются на прибрежных ВОЛП, расположенных в зонах с морским климатом, а также в тех местах, где наблюдается значительное загрязнение воздушного бассейна продуктами топливно-энергетического и минерально-сырьевого комплекса.

Механизм образования сухого дугового разряда на внешней пласт массовой оболочке ВОК заключается в следующем.

В нормальных условиях эксплуатации поверхностное сопротивление внешней полиэтиленовой оболочки составляет 1012 Ом/м. Однако оболочка кабеля, прослужившего определенный срок, становится загрязненной и гигроскопичной, и после воздействия осадков ее поверхностное сопротивление уменьшается до 107 Ом/м, а в районах с морским климатом — до 105 Ом/м. При этом на нижней поверхности оболочки кабеля образуется тонкий токопроводящий слой, на котором под действием высокого напряжения контактного провода и линии ДПР, находящихся в непосредственной близости от ВОК, вследствие электромагнитной индукции наводятся потенциалы порядка 15—20 кВ. Под действием индуктируемого напряжения в этом слое появляется электрический ток, который стекает через заземление ближайшей опоры. По окончании

дождя токопроводящий слой начинает пересыхать. Образовавшийся сухой участок представляет собой высокое сопротивление для тока утечки. Перед этим участком наблюдается быстрое накопление заряда. Если величина потенциала на сухом участке превысит электрическую прочность воздуха, то произойдет пробой и возникнет дуговой разряд слабого тока, со провождающийся выделением тепла, под действием которого и происходят указанные повреждения внешней оболочки кабеля.

Механизм дугообразования можно проиллюстрировать следующим графиком (рис.

2).

Рис. 2. Механизм дугообразования

Первые дуговые разряды возникают на сухом участке шириной Si, примерно равной диаметру кабеля (около 14 мм). Затем сухой участок увеличивается в размерах, причем его росту способствуют электрическое разогревание и погодные условия. Дальнейшее пересыхание участка ведет к увеличению размеров дугового разряда, и, наконец, наступает момент, когда наведенная величина потенциала не может вызвать пробоя. Таким образом, для заданного индуцированного потенциала существует ограничение на длину дуги (Sпр), при превышении которого не может произойти пробоя. Кроме того, существует еще одно ограничение на длину дуги (Smax) — максимальная длина дуги, возможная в данной системе.

Представленный график (см. рис. 2) состоит из нескольких областей. Область 1 графика иллюстрирует ситуацию, когда дуга не может образоваться, другая — когда наблюдается нестабильная дуга 2 и, наконец, третья область — когда возникает стабильная дуга 3. Область существования дуги обозначена непрерывной линией. С увеличением длины сухого участка дуговой разряд гаснет (область 4). Повреждения ка беля наблюдаются только в областях 2 и 3. В области 2 только часть цикла дугообразования приходится на формирование стабильной дуги.

Материал оболочки кабеля имеет низкую теплопроводность, поэтому только повторные дуговые разряды, возникающие на одном и том же участке в течение определенного интервала времени, могут заметно поднять объемную температуру оболочки. Вероятно, этим можно объяснить тот факт, что повреждения чаще всего происходят возле точек крепления кабеля к опоре, которые как бы привязывают дугу к одному месту. Дуговые разряды, образующиеся на других участках кабеля, являются более мобильными.

Как показали исследования, разрушение оболочки кабеля в результате действия сухого дугового разряда проявляется от полугода до трех лет с момента введения ВОЛП в эксплуатацию.

На рис. 3 приведены экспериментальные графики дополнительного затухания для различных типов оптических волокон в зависимости от радиуса изгиба, продольного растяжения, поперечного сжатия и закручивания. Из представленных данных видно, что механические нагрузки приводят к существенному возрастанию затухания полимерных волокон. Кварцевые волокна более стойки к механическим воздействиям, особенно продольного характера.

По сравнению с медными проводниками оптические волокна обладают более высокой прочностью на растяжение и уступают им по стойкости к радиальным воздействиям. Поэтому как в процессе строительства, так и при эксплуатации ВОЛП необходимо предохранять ВОК в первую очередь от поперечных внешних нагрузок.

Рис. 3. Зависимость дополнительных потерь: а — от радиуса изгиба; б — поперечного сжатия; в — продольных напряжений; г — угла осевого закручивания; 1 — кварцевое волокно; 2 — полимерное волокно

На железнодорожном транспорте наиболее распространенным способом прокладки ВОК является их подвеска на опорах контактной сети. При этом кабели испытывают воздействие механических вибраций, которые возникают при прохождении по железнодорожному участку подвижного состава.

Механические вибрации могут привести не только к росту физического износа конструктивных элементов кабельного изделия, но и изменению условий распространения поляризованного излучения в оптических волокнах, а также к ухудшению их основных параметров: затухания и дисперсии. Они являются причиной возникновения в оптическом волокне двулучепреломления, которое изменяет поляризационные свойства стекловолокон и может привести к резкому ухудшению качества передаваемой информации в высокоскоростных цифровых волоконно-оптических системах передачи или в системах плотного волнового мультиплексирования.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что в результате воздействия механических вибраций в оптическом волокне происходит вращение плоскости поляризации распространяемого излучения и изменение его эллиптичности. Такое поведение поляризованного света можно объяснить следующим образом. В процессе изготовления оптического волокна для увеличения его механической прочности на светоотражающую оболочку накладывают защитное покрытие из полимерного материала, которое, как правило, является многослойным. Вследствие разницы температурных коэффициентов линейного расширения волокна и защитного покрытия последнее облегает волоконный световод неравномерно. При этом возникают

микроизгибы, т.е. отклонения волокна относительно горизонтального расположения. В процессе наложения защитного покрытия между волокном и полимером образуются полости. При воздействии вибраций оптическое волокно перемещается в этих полостях, что при водит к изменению действия эффекта микроизгибов.

Как упоминалось выше, идеально цилиндрическое оптическое волокно представляет собой изотропную среду, т.е. такую, в которой электромагнитные свойства, например, показатели преломления одинаковы во всех направлениях. Физическая асимметрия показателя преломления становится причиной возникновения разности фаз между ортогональными составляющими световой волны, что приводит к изменению эллиптичности и повороту плоскости поляризации на определенный угол.

Исходя из теории микроскопического воздействия механических вибраций, воспользовавшись представлением сплошной среды в виде набора невзаимодействующих гармонических осцилляторов, можно произвести оценку коэффициента эллиптичности η и угла поворота плоскости поляризации θ по формулам

где g — фактор гиротропии;

N — число осцилляторов в единице объема;

e и m — элементарный заряд и масса покоя электрона; ω — частота электромагнитной волны; ω0 — частота оптической несущей в идеальной среде;

F0 — постоянно действующая внешняя сила; k — коэффициент квазиупругой силы;

Ω — частота вынужденных механических колебаний;

∆n — разность показателей преломления сердцевины волокна для ортогональных составляющих поляризованного излучения;

— параметр, характеризующий изменение состояния поляризации при воздействии на оптическое волокно механических вибраций; k0 — волновой коэффициент идеальной среды;

l — длина ВОК.

Структурная схема измерения характеристик поляризованного из лучения в оптическом волокне, испытывающего воздействие механических вибраций, приведена на рис. 4.

Рис. 4. Экспериментальная установка по исследованию воздействия вибраций на параметры оптического волокна: 1 — HeNe лазер; 2 — поляроид № 1; 3 — механический прерыватель; 4 — микролинза; 5 — скремблер; 6 — преобразователь поляризации; 7 — оптическое волокно; 8 — поляроид № 2; 9 — линза; 10 — фотоприемник; 11 — персональный компьютер

Непрерывное излучение с длиной волны l = 0,6328 мкм от HeNe лазера 1 поступает на поляроид 2, который определяет направление век тора поляризации проходящего света. Далее свет попадает на механический прерыватель 3, обеспечивающий импульсный режим оптического излучения, и через микролинзу 4, повышающую эффективность ввода излучения, поступает в одномодовый волоконный световод 7. Та ким образом, на входе волоконного световода формируется линейно поляризованное излучение, а оптическое волокно на данной длине волны работает в маломодовом режиме.

На начальной части волоконного световода выполнен скремблер 5 в виде десяти витков волокна, намотанного на стержень диаметром 4 мм. Скремблер предназначен для стабилизации набора мод за счет исчезновения высших составляющих. Преобразователь поляризации 6 служит для изменения величины двулучепреломления в волоконном световоде, а значит, и параметров эллипса поляризованного излучения на его выходе.

С выхода оптического волокна свет попадает на поляроид 8 и через линзу 9 поступает на фотоприемник 10. С помощью персонального компьютера 11 производится фиксация результатов исследований.

В результате воздействия вибраций на оптическое волокно происходит изменение угла поворота плоскости поляризации, что отражается на изменении интенсивности распространяемого излучения. Характерная осциллограмма изменения интенсивности излучения в одномодовом световоде при воздействии механических вибраций представлена на рис. 5. Из приведенной осциллограммы видно, что угол поворота плоскости поляризации изменяется в полном соответствии с частотой механических вибраций, воздействующих на оптическое волокно.

Рис. 5. Осциллограмма, характеризующая изменение интенсивности поляризованного излучения в волоконном световоде при воздействии механических вибраций с частотой 19 Гц

Кроме того, механические вибрации являются причиной усиления действия поляризационной модовой дисперсии, которая становится соизмеримой с хроматической. Созданная вибрацией физическая асимметрия показателя преломления сердцевины приводит к увеличению разницы в скоростях распространения быстрой и медленных волн поляризованного излучения, а значит, к возрастанию между ними временной задержки.

4.Радиационные характеристики

Всовременной технике возможны такие условия использования кабельных изделий, при которых они оказываются под кратковременным или длительным воздействием корпускулярных либо радиоактивных волновых излучений высокой энергии. При этом важно знать степень стойкости материалов к их воздействию, сохранению ими своих оптических и механических свойств, т.е. радиационной стойкости. Наиболее чувствительной частью ВОК является оптическое волокно.

Действие радиации на оптическое волокно разделяется на три основные категории:

•образование центров окраски, приводящее к люминесценции и увеличению затухания;

•изменение плотности волокна, влияющее на дисперсию;

•изменение свойств полимерных материалов, влияющее на их механические параметры. Поскольку оптические волокна изготавливаются главным образом из стекол высокой чистоты, основой которой является SiO2, рассмотрим радиационные повреждения преимущественно в этих материалах.

Встекле всегда имеются дефекты, например, кислородные вакансии, а также различного рода примеси (ионы переходных металлов, щелочные примеси, гидроксильные группы и т.д.). Под действием ионизирующего излучения в стекле образуются электроны и дырки, захватываемые дефектами или примесями с образованием дефектных центров, которые могут иметь полосы поглощения. При рекомбинации электронов и дырок возникает люминесценция. Кроме того, облучение стекол частицами с достаточно высокой энергией может привести к образованию дополнительных дефектов. Ухудшение оптических характеристик волокна под действием ионизирующего излучения обычно не бывает длительным. Так, у большинства оптических волокон наблюдается восстановление характеристик, вызванное облучением при комнатной температуре. Имеются сведения, что интенсивность света, передаваемого по волоконному световоду, может влиять на потери в волокне, вызванные ионизирующим излуче нием. Это явление дает возможность повысить стойкость волокон к такому излучению, особенно при низких температурах, когда термическое восстановление минимально.

На рис. 6 приведены спектральные зависимости изменения ослабления сигнала в оптическом волокне с сердцевиной из кварцевого стекла с добавкой германия и светоотражающей оболочкой из кварцевого стекла, снятые через 1 ч после облучения различными дозами [2].

Рис. 6. Воздействие радиации на величину коэффициента затухания оптических волокон при облучении различными дозами в течение 1 ч: 1 — 108 Р;

2 — 2 107 Р; 3 — 1,5 106 Р; 4 — 105 Р; 5 — 104 Р; 6 — 2 103 Р

Из приведенного рисунка видно, что большое значение коэффициента затухания в области 0,8—0,9 мкм и сильная спектральная зависимость поглощения заставляют перейти в область более длинных волн. Монотонно уменьшаясь с увеличением длины волны, коэффициент затухания оптического волокна достигает минимума в области длин волн примерно 1,5—1,6 мкм. На длине волны 1,7 мкм коэффициент затухания снова

начинает расти. Значение коэффициента затухания α на длине волны 0,8 мкм больше чем на два порядка превышает значение в диапазоне длин волн 1—1,6 мкм.

На рис. 7 представлены изменения сопротивления разрыву и относительного удлинения некоторых полимерных материалов, широко применяемых при изготовлении ВОК, при различных дозах облучения.

Рис. 7. Зависимость сопротивления разрыву σ (1) и относительного удлинения ε (2) пластмасс при различных дозах облучения: а — политетрафторэтилен; б — поливинилхлорид; в — полиэтилен высокой плотности; г — полиэтилен низкой плотности

Из представленного рисунка видно, что в начальной стадии облучения некоторые характеристики отдельных материалов имеют повышение значения по сравнению с исходными. Однако при достаточно больших дозах все материалы претерпевают необратимые изменения свойств, приводящие к потере работоспособности изделия, в составе которых они эксплуатируются.

Окончательный вывод о максимально допустимом для ВОК значении поглощенной дозы может быть сделан исходя из конкретных технических требований, предъявляемых к этим кабелям, конструктивных особенностей кабелей и экспериментальных данных по зависимости свойств конструктивных материалов от поглощенной дозы.

В арсенале средств по восстановлению характеристик оптических волокон и повышению их радиационной стойкости имеются фотопросветление, экранирование, выбор основы стекла и присадок и др. Фотопросветление состоит в воздействии на облученное волокно видимым и инфракрасным излучениями. За счет этого снижаются потери, наведенные радиацией. Экранирование выполняется путем нанесения на оптическое волокно тонкого металлического покрытия, предохраняющего волокно от радио облучения. Добавка легирующих присадок (германий, фосфор и др.) существенно повышают радиационную стойкость оптических волокон.

5. Влияние разряда облака на воздушные ВОК

В металлических конструкциях ВОК могут появиться перенапряжения либо вследствие индукции от разряда облака на землю, либо вследствие непосредственного разряда облака на линию связи.

1. Индуктивное влияние.

Пусть над ВОЛП находится облако с отрицательным зарядом (рис. 8, а). Тогда вследствие электростатической индукции на поверхности земли будут

находиться заряды противоположного знака. Между облаком и землей возникнет электрическое поле. Проводник металлических конструкций, подвешенный параллельно поверхности земли и расположенный вдоль некоторой эквипотенциальной поверхности,

примет потенциал, равный потенциалу этой поверхности, причем на стороне, ближайшей к облаку, заряд проводника положителен, а на противоположной стороне отрицателен. Если рассматриваемый проводник хорошо изолирован от земли, то суммарный заряд равен нулю. В момент разряда облака на землю с исчезновением электрического поля оба заряда нейтрализуются, и потенциал проводника равняется нулю.

Если проводник плохо изолирован от земли, то отрицательный заряд проводника уходит вправо и влево от участка воздействия облака и постепенно стекает в землю. На проводнике остается лишь связанный с облаком положительный заряд (рис. 8, б). При разряде облака на землю электрическое поле между облаком и землей исчезает и положительный заряд, оказавшись свободным, начинает двигаться влево и вправо от места своего возникновения. Таким образом, проводник находится под действием потенциала, обусловленного наличием данного заряда, и достигает порядка 5 105 В.

Рис. 8. Косвенное влияние грозовых разрядов на воздушные кабели: а — при хорошей изоляции ВОК; б — при плохой изоляции ВОК

2. Влияние при непосредственном ударе молнии в металлические конструкции

ВОК.

При прямом попадании молнии в ВОК происходит пробой диэлектрика (наружных пластмассовых покровов) и ток молнии, проникая к металлическим конструкциям ВОК, распространяется по ним влево и вправо относительно точки удара в виде двух полуволн. В зависимости от сопротивления металлических конструкций распространяющийся ток может достигать величин порядка 104 А, что вполне достаточно для расплавления последних на расстоянии сотен метров. Такие проявления приводят к разрушению оптического кабеля в целом.

6. Влияние разряда облака на подземные ВОК

Когда лидер молнии достигнет поверхности земли, градиент потенциала может оказаться настолько большим, что часть токов молнии проникнет к волоконнооптическому кабелю, пробьет диэлектрические наружные покровы и попадет на металлические конструкции ВОК (рис. 9).

Ток молнии разделяется на две равные части и распространяется относительно точки удара влево и вправо в виде полуволн. Величина токов молнии может оказаться настолько значительной, что вызовет рас плавление металлических конструкций с последующим разрушением оптических волокон.

Рис. 9. Механизм воздействия разряда облака на подземный ВОК