Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

 Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2010

Составители: Е.Ю. Елизарова. К.Х.Жунусов Направляющие системы электросвязи. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации). – Алматы: АУЭС, 2010. - 74    с. 

Конспект лекций содержит сведения о конструкциях и характеристиках направляющих систем электросвязи; методику расчета параметров направляющих систем; сведения о взаимном влиянии и мерах защиты; методы защиты линий связи от внешних воздействий; отражает вопросы проектирования, строительства и технической эксплуатации линейных сооружений связи.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

 

Содержание

Введение Лекция 1. Современная электрическая связь	4 4
Лекция 2.Конструкция и основные характеристики направляющих систем электросвязи	7
Лекция 3. Классификация и конструкция волоконно-оптических кабелей	12
Лекция 4. Электродинамика направляющих систем.	19
Лекция 5. Расчет параметров передачи двухпроводных направляющих систем	22
Лекция 6. Передача электромагнитной энергии по оптическим кабелям	28
Лекция 7. Затухание сигнала и дисперсия в волоконных световодах	34
Лекция 8. Определение длины регенерационных участков волоконно-оптических систем передачи	40
Лекция 9. Защита сооружений связи ГТС от внешних электромагнитных влияний	43
Лекция 10. Меры защиты на линиях связи от мешающих влияний	49
Лекция 11. Коррозия подземных кабелей связи	53
Лекция 12. Строительство линейных сооружений электросвязи	57
Лекция 13. Проектирование линейных сооружений электросвязи	70
Список литературы	72

  

 

Введение 

Современные линейные сооружения – важнейшая составная часть сетей связи – являются сложными инженерными сооружениями, которые должны удовлетворять все возрастающим требованиям, вытекающим из необходимости обеспечения высококачественной и надежной связи.

Новые возможности цифровых коммутаторов и технических средств транспортной среды предъявляют новые требования к направляющим системам электросвязи. Стремительными темпами идет замена кабелей с металлическими жилами на волоконно-оптические кабели на всех участках сетей, происходит переход от многомодовых к одномодовым оптическим волокнам, увеличивается длина участков регенерации и скорость передачи, используется спектральное уплотнение. Одной из сложных задач в переходный период является обеспечение совместной работы аналогового и цифрового оборудования, а также постепенный переход на более совершенные направляющие системы. Однако, по оценкам некоторых специалистов, кабели связи с медными жилами будут эксплуатироваться еще несколько лет с учетом использования систем уплотнения абонентских линий.

В данном издании представлены основные сведения о современном состоянии направляющих систем электросвязи, приведены классификация, конструкция, основные параметры кабелей связи, меры защиты от взаимных и внешних влияний, отражены вопросы проектирования, строительства и технической эксплуатации линейных сооружений электросвязи. Курс лекций предназначен для студентов очной и заочной форм обучения специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации», для изучения дисциплины «Направляющие системы электросвязи.

 

Лекция 1. Современная электрическая связь

 

Цель лекции: дать основные термины и определения в электрической связи.

 

Любая система электросвязи может быть представлена в виде структурной схемы, представленной на рисунке 1.1.

Источником и потребителем информации может быть человек, ЭВМ, устройство телемеханики или телеуправления и т.д. Преобразователями информации в сигнал и обратно могут быть: телеграфные и фототелеграфные аппараты, передающая и приемная ТВ-трубки и др.

 

                

1 – источник информации;

2 – преобразователь информации в электрический сигнал;

3 – система передачи;

4 – среда (направляющая система);

5 – преобразователь электрического сигнала в информацию;

6 – потребитель информации.

 

Рисунок 1.1- Структурная схема системы электросвязи

 

Каналом электросвязи называют комплекс физических устройств и среду, при помощи которых электрические сигналы передаются из одного пункта связи в другой. Если распространение электромагнитной энергии (электрического сигнала) происходит в свободном пространстве (в диэлектрической среде), то канал связи называют радиоканалом (радиосвязь, релейная, спутниковая и лазерная связь). Если канал связи предполагает наличие границы раздела сред, вдоль которой передается электромагнитная энергия, то его называют проводным каналом. Проводные каналы создаются с помощью направляющих систем (линий связи), в качестве которых могут использоваться двухпроводные цепи (коаксиальные и симметричные), или волноводы (волоконно-оптические световоды). Двухпроводные симметричные цепи могут быть организованы как по низкочастотным кабелям городских и сельских телефонных сетей (ГТС и СТС), так и с помощью систем передачи (высокочастотные цепи), позволяющих по одной цепи одновременно передать значительное число информации одного или различных видов. Волоконно-оптические световоды, работающие в оптическом диапазоне волн, позволяют передать очень большие объемы информации.

Для обеспечения надежной работы направляющие системы оснащают дополнительными элементами и устройствами, которые в совокупности носят название линейных сооружений связи. Совокупность линейных и станционных сооружений составляют единую систему – сеть электросвязи.

Сеть электросвязи страны (СЭС) – комплекс технических средств электросвязи, взаимодействующих на основе определенных принципов и обеспечивающих возможности своевременно, качественно и полно удовлетворять все потребности населения страны, отраслей народного хозяйства, органов государственного управления и обороны, науки и просвещения, здравоохранения и культуры в разнообразных услугах связи [3].

 

 Первичная сеть представляет собой совокупность сетевых узлов, станций и линий передач, образующих сеть типовых каналов и трактов. Первичная сеть является основой для создания вторичных сетей, состоящих из комплекса технических средств для организации каналов определенного назначения (телефонных, телеграфных, вещания, ТВ, передачи данных), а также коммутационных узлов и абонентских устройств.

Вторичная сеть – совокупность коммутационных устройств, узлов коммутации, оконечных абонентских устройств и каналов, их соединяющих. Такое построение сети наиболее экономично и надежно. Надежность обеспечивается за счет создания разветвленной сети и применения различных типов линий связи. При этом предусматривается наличие обходных, резервных путей к другим узлам. Сеть состоит из узлов (пунктов коммутации цепей, каналов) и ребер (линий связи), соединяющих эти узлы между собой.

 

г)

                                                 

а – непосредственное соединение;

б – узловое соединение;

в – радиальное соединение;

г – радиально-узловое построение сети связи.

 

Рисунок 1.2- Варианты построения сети связи

 

Возможно несколько вариантов построения сети электросвязи (см. рисунок 1.2): непосредственное соединение (а) каждого пункта с каждым (прямая связь), узловое (б) (несколько пунктов группируются в узлы и последние соединяются между собой) и радиальное (в) (имеется лишь один узел с расходящимися линиями по радиусам к другим пунктам).

Первый вариант построения сети наиболее надежен, но в технико-экономическом отношении не выгоден. Радиальная схема построения сети наиболее дешевая, но она не имеет путей резервирования.

Наилучшие результаты дает сочетание радиальной и узловой схем сети.

 

                      

Лекция 2. Конструкция и основные характеристики направляющих систем электросвязи

 

Цель лекции: изучить классификацию и конструктивные элементы электрических кабелей.

 

Кабелем связи называется электротехническое изделие, содержащее изолированные проводники, объединенные в единую конструкцию и заключенные в общую металлическую или пластмассовую оболочку и защитные покровы.

Электрические кабели классифицируют по следующим признакам: области применения, спектру передаваемых частот, конструкции, условиям прокладки и эксплуатации.

1 В соответствии с построением сети связи, в зависимости от области применения, кабели связи подразделяют на магистральные, зоновые (внутриобластные), местные (городские и сельские), станционные (внутриобъектовые).

2 По спектру передаваемых частот кабели делят на низкочастотные (до 10 кГц) и высокочастотные (свыше 10 кГц).

3 В зависимости от условий прокладки и эксплуатации кабели подразделяют на воздушные (подвесные), подземные (для прокладки в грунте), подводные и кабели для прокладки в канализации.

4 По конструкции и взаимному расположению проводников цепи электрические кабели бывают симметричные и коаксиальные. Симметричная цепь (пара) состоит из двух изолированных проводников с одинаковыми конструктивными и электрическими свойствами. У коаксиальной цепи внутренний проводник концентрически расположен внутри внешнего проводника, имеющего форму полого цилиндра (см.рисунок 2.1, ж).

Конструктивные элементы электрических кабелей. В конструктивном отношении кабель состоит из сердечника и защитных покровов. Сердечник – это скрученные в определенном порядке изолированные проводники, образующие электрические цепи, а защитные покровы – влагонепроницаемая оболочка (металл, пластмасса, металлопластмасса) и наружные покровы (джут, броня, шланг).

Сердечник содержит следующие конструктивные элементы.

1 Токопроводящие жилы  изготавливают из меди, алюминия или алюминия и меди (биметалла). Медь используют с удельным сопротивлением ρ=0,01754 Ом·мм²/м.

Для ВЧ кабелей связи чаще всего применяют медные жилы диаметрами 0,9 и 1,2 мм, а также алюмомедные жилы (на алюминиевую жилу наносят тонкий слой меди). В подводных и радиочастотных кабелях используют многопроволочную жилу, состоящую из скрученных проволок разного сечения.

Для городских кабелей применяют медные жилы диаметром 0,32; 0,4; 0,5 и 0,7 мм. В коаксиальных кабелях в качестве внешнего проводника служат цилиндрические медные трубки с продольным швом, гофрированные или оплеточные, а также алюминиевые трубки.

Изоляция токопроводящих жил. Для изоляции жил кабелей связи наряду с бумагой используют полимеризационные пластмассы – полистирол (стирофлекс), полиэтилен, фторопласт.

Известны следующие конструкции сплошной и воздушной комбинированной изоляции в кабелях связи:

трубчатая – выполняется в виде бумажной или пластмассовой ленты, наложенной в виде трубки (см. рисунок 2.1, а);

кордельная – состоит из корделя, накладываемого на проводник по спирали, из тонкой ленты, наложенной поверх корделя (см. рисунок 2.1, б);

сплошная – выполняется из сплошного слоя пластмассы (см. рисунок 2.1, в);

пористая – образуется из слоя пенопласта (см. рисунок 2.1, г);

баллонная – представляет собой тонкостенную пластмассовую трубку, внутри которой свободно располагается проводник. Трубка периодически в точках или по спирали обжимается горячим инструментом и надежно удерживает после затвердевания жилу в центре изоляции (см. рисунок 2.1, д, е);

шайбовая – выполняется в виде шайб из твердого диэлектрика, насаживаемых на проводник через определенное расстояние  (см. рисунок 2.1, ж).

 

 

Рисунок 2.1- Основные типы изоляции токопроводящих жил

 

Наибольшее применение находят следующие виды изоляции:

– для кабелей ГТС и СТС трубчатая бумажная, сплошная полиэтиленовая, пористая бумажная и полиэтиленовая;

– для симметричных ВЧ кабелей кордельно-бумажная, кордельно-полистирольная, сплошная и пористо-полиэтиленовая.

Изолированные жилы, скрученные определенным образом, образуют элементарные группы. Жилы скручивают для защиты от взаимных электромагнитных влияний.

В симметричных кабелях применяют следующие наиболее распространенные способы скрутки изолированных проводников в группы (см. рисунок 2.2):

– парная скрутка (П) – два изолированных проводника скручиваются с шагом до 300 мм, обозначается 1х2 (одна пара);

– звездная скрутка (З) – четыре изолированные жилы, расположенные по углам квадрата, скручивают с шагом 150…300 мм, обозначается 1х4 (одна четверка);

– двойная парная скрутка (ДП) – две предварительно свитые пары скручивают между собой в четверку с шагом 150…300 мм;

– двойная звездная скрутка (ДЗ) – звездная скрутка четырех предварительно свитых пар.

 

                              а)         б)                                   г)

 а – парная скрутка;

б – звездная скрутка;

в – двойная парная скрутка;

г – двойная звездная скрутка.

 

Рисунок 2.2 - Типы скрутки жил в группы

 

Скрученные в группы изолированные жилы систематизируют по определенному закону и объединяют в общий кабельный сердечник. Различают сердечники с однородной (одинаковая структура элементарных групп – четверки, пары) и неоднородной (разнородные по структуре и диаметру элементарные группы) скрутками. В зависимости от характера  образования сердечника различают повивную и пучковую скрутки (см. рисунок 2.3).

 

 

 

 

 а)                                                      б)                                  в)

 

                                                          

а – повивная однородная система скрутки групп кабельных жил в сердечнике;

б – повивная неоднородная система скрутки групп кабельных жил в сердечнике;

в – пучковая система скрутки групп кабельных жил в сердечнике.

 

Рисунок 2.3- Виды скрутки кабельного сердечника

 

В повивной скрутке элементарные группы располагают последовательными концентрическими слоями (повивами) вокруг центрального повива, состоящего из 1…5 групп (см. рисунок 2.3, а, б). Смежные повивы скручивают в противоположные стороны для уменьшения взаимного влияния и придания кабельному сердечнику большей механической прочности.

При пучковой скрутке группы сначала объединяют в пучки (50 или 100 групп), а затем пучки скручивают вместе, образуя сердечник кабеля (см. рисунок 2.3, в). Пучковую скрутку применяют лишь для НЧ кабелей ГТС.

Защитные покровы. Сердечник кабеля покрывают поясной изоляцией из полиэтиленовой или бумажной ленты и заключают в герметичную оболочку для защиты жил от влаги, света и других атмосферных факторов, а также механических и электромагнитных воздействий. Оболочки бывают металлические (свинцовые, алюминиевые, стальные гофрированные), пластмассовые (полиэтиленовые) и металлопластмассовые.

К металлическим оболочкам относятся главным образом свинцовые, алюминиевые и стальные.

Из пластмассовых оболочек наибольшее применение получили полиэтиленовые и поливинилхлоридные. Пластмассовые оболочки соче­тают влагостойкость, стойкость против коррозии, придают кабелю гибкость, легкость и вибростойкость. Из металлопластмассовых оболочек в кабельной технике находит применение алюмополиэтиленовая оболочка, представляющая собой по­лиэтиленовую трубку, металлизированную внутри слоем алюминиевой фольги.

 При прокладке кабелей непосредственно в земле или в воде они обязательно снабжаются дополнительной защитой. Защита включает подушку, броневой покров и наружный покров. Подушка бронированных кабелей обычно состоит из последовательно наложенных слоев битумного состава и пропитанной кабельной пряжи (джута). Броневой покров (броня) выполняется из стальных лент, плоской или круглой стальной проволоки. Поверх брони на кабель накладывается наружный покров, состоящий из пропитанной битумом кабельной пряжи.

 Маркировка электрических кабелей связи

Под маркой кабеля понимается  система условных обозначений, отражающих при помощи букв и цифр основные классификационные признаки и конструктивные особенности кабеля.

Первые одна или две буквы определяют назначение кабеля.

1. Магистральные симметричные кабели обозначают буквами МК, магистральные коаксиальные – буквами КМ.

2. Зоновый кабель (симметричный) – ЗК;

внутризоновый коаксиальный – ВК.

3. Местные кабели:

 КС – кабель сельский;

Т – телефдддонный низкочастотный. Марки низкочастотных кабелей отличает стоящая на втором месте буква: «С» – станционный (ТС); распределительный (ТР); дальней связи «З» – (обозначает звездную четверочную скрутку, например, ТЗБ).

Малогабаритные коаксиальные кабели имеют маркировку МКТ (с трубчато-полиэтиленовой изоляцией). Основу марок радиочастотных кабелей составляет буква «Р».

Последующие одна или две буквы обозначают особенность конструкции или материал изоляции кабеля.

Звездная скрутка НЧ кабеля обозначается буквой - 3;

 полиэтиленовая изоляция – П;

 кордельно-полистирольная (стирофлексная) изоляция – С;

 трубчато-полиэтиленовая – Т;

 Бумажная изоляция в симметричных и шайбовая изоляция в коаксиальных кабелях не имеет буквенных обозначений (маркируются отсутствием буквы).

Последние одна или две буквы марки кабеля обозначают материал и род защитного покрова.

Оболочка:

голый освинцованный кабель обозначается буквой  Г;

стальная оболочка буквой С или Ст;

алюминиевая оболочка – буквой А;

свинцовая оболочка маркируется отсутствием буквы.

Броня:

Б – бронирование кабеля двумя стальными лентами с наружным джутовым защитным покровом;

 К – бронирование круглыми оцинкованными проволоками с наружным покровом;

БГ – бронированный голый, т.е. без наружного защитного покрова.

При наличии противокоррозионных изолирующих покровов в подброневой подушке к обозначению прибавляются строчные буквы:

л – слой поливинилхлоридных лент;

п – полиэтиленовый шланг;

в – поливинилхлоридный шланг.

Шп - полиэтиленовый шланг.

В конце марки кабеля указывают число жил или коаксиальных пар и диаметр жил (проводников). Например, четырехчетверочный кабель с жилами диаметром 1,2 мм имеет следующее обозначение: 4х4–1,2; пятисотпарный городской кабель с жилами диаметром 0,32 мм имеет цифровое обозначение: 500х2–0,32; одночетверочный коаксиальный кабель обозначается: 4–2,6/9,4.

 

Лекция 3.  Классификация и конструкция волоконно-оптических кабелей

 

Цель лекции: изучить маркировку и основные элементы волоконно-оптического кабеля.

 

Оптическим кабелем (ОК) называется кабельное соединение, содержащее одно или несколько оптических волокон, объединенных в единую конструкцию, обеспечивающую их работоспособность в заданных условиях эксплуатации [5]. Оптические волокна, модули или жгуты заключают в общую оболочку, поверх которой в зависимости от условий эксплуатации может быть наложен защитный покров.

По назначению оптические кабели делятся на магистральные, зоновые, городские, станционные (внутриобъектовые и монтажные).

Магистральные ОК предназначены для передачи информации  на большие расстояния,  и поэтому они должны обладать малым затухани­ем, дисперсией и большой широкополосностью.

Зоновые кабели предназначены для связи областного центра  с районами и городами области. Дальность связи, как правило,  состав­ляет порядка сотни километров.

Городские оптические кабели используются в качестве соединительных линий между районными АТС и узлами  связи. Они  рассчитаны на  короткие расстояния (5...10 км) и большое число каналов. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

Сельские ОК предназначены  для организации сельской телефонной связи, имеют преимущественно четырех волоконную  конструкцию и прокладываются в грунт или подвешиваются по опорам.

Объектовые кабели служат для передачи различного рода информации внутри объекта. Сюда относятся кабели для информационных систем отдельных объектов (самолет, корабль и др.), а также для организации различных видов учрежденческой связи.

Монтажные ОК предназначены для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры.

По условию прокладки кабели делятся на воздушные, подземные, подводные.

Кабели воздушной подвески (см. рисунок 3.1) подвешиваются на опорах различного типа и делятся на:

-          самонесущие – с несущим тросом или без него, подвешиваемые на опорах ЛЭП и контактной сети железных дорог;

-          прикрепляемые – крепятся к несущему поводу с помощью диэлектрических шнуров или ленты, или же с помощью специальных зажимов, или спиралевидных отрезков металлической проволоки;

-          навиваемые – навиваются вокруг существующего, например, фазового провода или провода заземления (грозотроса);

-          встраиваемые в грозотрос.

Кабели подземной прокладки делятся на:

-          кабели, прокладываемые в кабельной канализации и туннелях;

-          кабели, закапываемые в грунт;

-          кабели автоматической прокладки в специальных полиэтиленовых трубах.

 

 

 

1 – оптическое волокно;

2 – гидрофобный заполнитель;

3 – полимерная трубка;

4 – центральный силовой элемент;

5 – полимерная трубка;

6 – гидрофобный заполнитель;

7 – скрепляющая лента;

8 – синтетическая нить.

 

Рисунок 3.1 - Подвесной оптический кабель

 

Подводные кабели делятся на:

-          кабели, укладываемые на дно несудоходных рек, неглубоких озер и болот (используются при прохождении водных преград небольшой длины);

-   кабели, укладываемые на дно морей и океанов (что может означать не только укладку на дно, но и закрепление на определенной глубине, или закапывание в донный грунт на определенную глубину).

Основным элементом ОК является оптический волновод – круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика (направляющая среда, структура которой обеспечивает распространение оптического излучения вдоль нее [5]). Оптические волноводы из-за малых размеров поперечного сечения обычно называют волоконными световодами или оптическими волокнами (ОВ). Для изготовления ОВ используют однородные стекла высоких чистоты и качества. При этом в зависимости от назначения кабеля в конструкцию закладываются одномодовые (магистральные), многомодовые градиентные (зоновые и городские) или многомодовые ступенчатые волокна (городские и объектовые кабели).

Стеклянное двухслойное волокно для защиты от механических и атмосферных воздействий и усиления конструкции снаружи имеет полимерное покрытие (см. рисунок 3.2).

 

1 – сердцевина;

2 – оболочка;

3 – защитное покрытие.

 

Рисунок 3.2 - Структура оптического волокна

 

В некоторых конструкциях волокно свободно расположено в трубке из фторопласта – оптического модуля (см. рисунок 3.3). Пространство между волокном и модулем иногда заполняется синтетическими нитями.

 

                             1 – оптоволокно;

2 – трубка.

Рисунок 3.3 - Модуль оптический 

                               

Кроме оптических волокон  (модулей), ОК может состоять из следующих элементов:

-       силовых (упрочняющих) стержней, принимающих на себя продольное усиление;

-       заполнителей в виде сплошных пластмассовых нитей;

-       армирующих элементов, повышающих стойкость кабеля к механическим воздействиям;

-       наружных защитных оболочек, предохраняющих от проникновения влаги и внешних механических воздействий.

В зависимости от конструкции сердечника наибольшее распространение получили 3 группы конструкций ОК: кабели повивной скрутки (модульная конструкция), с фигурным (профилированным) сердечником, ленточного типа (плоская конструкция) .

Кабели первого типа имеют повивную скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями (см. рисунок 3.4).

 

 

Рисунок 3.4- Модульная конструкция оптического кабеля

 

ОК второй группы (см. рисунок 3.5) имеют в центре армированный силовыми элементами фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещены оптические волокна. Пазы и соответственно волокна расположены по геликоиде, и поэтому волокна не испытывают продольного усиления на разрыв. Такие кабели содержат обычно 4, 6, 8, 10 волокон. Если необходим кабель большей емкости, то в сердечник закладывают несколько таких модулей.

 

                   

 

 

1 – профилированный сердечник;

2 – оптическое волокно;

3 – центральный силовой элемент из стеклопластикового стержня;

4 – внутренняя пластмассовая обмотка;

5 – стеклопластиковые стержни;

                                    6 – наружная полиэтиленовая оболочка.

Рисунок 3.5- Магистральный оптический кабель

     

а)   

1 – ОВ;

2 – демпфирующая оболочка;

3 – внешняя защитная оболочка;

4 – лентаю.

 

 

б)

в)

 а – структура кабеля;

б – лента с волокнами;

в – вид кабеля сбоку.

 

Рисунок 3.6- Кабель ленточного типа

 

Кабель ленточного типа (см. рисунок  3.6) состоит из набора плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число (чаще всего 12) оптических волокон. В стопке расположено 6, 8 или 12 лент.

Маркировка оптических кабелей

Оптические кабели связи (ОКС) выпускаются многими компаниями, как зарубежными (Alcatel, AMP, BICC Cables Company/BICC KWO Kabel GmbH, Focas, Fujikura, Hellukabel, Lucent Technologies, Mohawk/CDT, NC Сables, Philips, Pirelli, Samsung, Siemens, Sumitomo), так и Российскими («Москабельмет», Москва (теперь «Москабель-Фуджикура»); «Оптен», Санкт-Петербург; «Оптика-кабель», Москва (теперь «Москабель-Фуджикура»); «Самарская оптическая кабельная компания (СОКК)», Самара. Российские компании, как правило, используют импортное оборудование и волокно (например, волокна фирмы Corning, Alcatel, Fujikura), их продукция соответствует мировому уровню качества и подтверждена соответствующими сертификатами, что позволяет использовать ее с выгодой для отечественного потребителя [6].

Как показывает практика, разные фирмы-производители используют различные обозначения для оптических кабелей, поэтому маркировка иногда различается.

Пример маркировки кабеля
СКО-ДПС-024 Е 06-06-М2
Расшифровка
	СКО — сокращённое название производителя (СКО — Севкабель-Оптик).
	ДПС — кодовое обозначение центрального силового элемента и оболочек кабеля.
	024 — общее количество оптических волокон в кабеле.
	Е — тип оптического волокна.
	06 — максимальное количество оптических волокон в модуле или пучке.
	06 — число элементов в повиве сердечника.
	М2 — число медных жил.
Пояснения
	ДПС - кодовое обозначение центрального силового элемента и оболочек кабеля: Первая буква — тип центрального силового элемента: Д — модульный, с диэлектрическим центральным силовым элементом Пр: СКО-ДПС-024Е... О — трубчатый (центральный модуль). Пр: СКО-ОПС-... Вторая буква — тип оболочки: А — алюмополиэтиленовая ( Пр: СКО-ДАО-...) ; П — полиэтиленовая ( Пр: СКО-ДПС-...) ; Н — нераспространяющая горения ( Пр: СКО-ДНО-...) . Третья буква — тип дополнительных внешних покровов: О — без дополнительных внешних покровов ( Пр: СКО-ДАО-...); Л — с гофрированной продольно наложенной стальной лентой и ПЭ оболочкой (  Пр: СКО-ДПЛ-...); Н — с гофрированной продольно наложенной стальной лентой и оболочкой из пластмассы, не распространяющей горение ( Пр: СКО-ДПН-...); С — с однослойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой      ( Пр: СКО-ДПС-... или СКО-ОПС-...); У — с усиленной однослойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой (  Пр: СКО-ДПУ-...) ; 2 — с двухслойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой ( Пр: СКО-ДП2-... или СКО-ДА2-... ) ; М — с однослойной броней из стеклопластиковых стержней и ПЭ оболочкой ( Пр: СКО-ДПМ-...) ; Т — с периферийными диэлектрическими силовыми элементами и ПЭ оболочкой .
	024 — в кабеле 24 волокна (СКО-ДПС-024 Е 06-06-М2), в кабеле может быть от 2 до 216 волокон.
	Е — тип оптического волокна: Е — одномодовое стандартное; С — одномодовое со смещённой дисперсией; Н — одномодовое со ненулевой смещенной дисперсией; М — многомодовое; (СКО-ДПС-024 Е 06-06-М2);
	06 -  максимальное количество оптических волокон в модуле или пучке: в модуле может быть от 4-х до 12-ти оптических волокон (СКО-ДПС-024 Е 06-06-М2);
	06 - суммарное количество модулей и корделей в повиве сердечника: сердечник может состоять из 4-12 элементов (СКО-ДПС-024 Е 06-06-М2)
	M2 - количество медных жил: кабель может содержать 2, 4 или 8 медных  жил (СКО-ДПС-024 Е 06-06-М2).

Лекция 4. Электродинамика направляющих систем

 

Цель лекции: изучить основные уравнения электромагнитного поля, уравнения Максвелла, теорема Умова-Пойнтинга.

 

Основные уравнения электромагнитного поля, называемые уравнениями Максвелла, обобщают два основных закона электротехники: закон полного тока и закон электромагнитной индукции.

Согласно закону полного тока линейный интеграл напряженности магнитного поля по любому замкнутому контуру равен полному току, протекающему через поверхность, ограниченную этим контуром. Полный ток складывается из токов смещения и токов проводимости:

 

.                                    (4.1)

 

Уравнение (4.1) называется первым уравнением Максвелла.

В соответствии с законом электромагнитной индукции, открытым Фарадеем, электродвижущая сила, возникающая в контуре при изменении магнитного потока Ф, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром, равна скорости изменения этого потока со знаком минус:

 

 .                                (4.2)

 

Это уравнение называют вторым уравнением Максвелла. Уравнения (4.1) и (4.2) представлены в интегральной форме. Для решения практических задач чаще используются уравнения Максвелла в дифференциальной форме:

 

rot H = σE + ε_a (дЕ/дt) = σE + jωε_aE,                                 (4.3)

 

                     rot Е = – μ_а(дН/дt) = – j ωμ_аH.                                         (4.4)

 

Здесь σ, ε_a, μ_а — соответственно проводимость, абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды;

σE – плотность тока проводимости (т.е. тока в металлических массах);      jωε_aE – плотность тока смещения (т.е. тока в диэлектрике).

С физической точки зрения уравнение (4.3) показывает, что изменяющееся электрическое поле создает вокруг себя магнитное поле (вихрь Н), а уравнение (4.4) – что всякое изменение магнитного поля сопровождается появлением электрического поля (вихрь Е). В целом изменение одного поля приводит к появлению другого поля, в результате действует и распространяется комплексное электромагнитное поле, переносящее электромагнитную энергию в пространстве и направляющих системах.

Среды могут существенно отличаться друг от друга по величине удельной проводимости σ. Чем больше удельная проводимость, тем больше плотность тока проводимости. Часто для упрощения анализа используются понятия идеального проводника и идеального диэлектрика. Идеальный проводник – это среда с бесконечно большой удельной проводимостью, а идеальный диэлектрик – среда, не обладающая проводимостью. В идеальном проводнике может существовать только ток проводимости I_пр=σE, а в идеальном диэлектрике – только токи смещения  I_см=jωε_аE.

При рассмотрении процессов в проводниках током смещения можно пренебречь и расчетные формулы приобретут вид:

 .                                            (4.5)

В диэлектрических направляющих системах (диэлектрические волноводы, световоды), а также в атмосфере преобладают токи смещения и для их анализа пользуются уравнениями:

 .                                             (4.6)

Так как направляющие системы имеют цилиндрическую конструкцию, то наиболее часто записывают уравнения Максвелла в цилиндрической системе координат (оси z, r, φ), при этом ось z совмещают с осью направляющей системы (см. рисунок 4.1).

 

Рисунок 4.1- Компоненты электромагнитного поля

 в цилиндрической системе координат

 

В цилиндрической системе координат уравнения Максвелла для проводников имеют вид:

1/r (дE_z/дφ) = – j ω μ_аH_r ,

дE_z/дr = j ω μ_аH_φ ,                         .                                         (4.7)

(дH_φ/дr) + (H_φ/r) – 1/r (дH_r/дφ) = σE_z

 

После дифференцирования H_r по φ и H_φ по r и подстановки полученных производных в указанные уравнения получим:

 

д²Е_z/дr² + 1    /r (дE_z/дr) + 1/r² (дH_r/дφ) = jk²E_z                                 (4.8)

где k = – коэффициент вихревых токов (по модулю).

 

Решая данное уравнение, находим E_z, величина H_φ определяется из уравнения

 

H_φ = [1/(jωμ_а)]·[дE_z/дr].                                  (4.9)

Зная компоненты электромагнитного поля E и Н, можно определить энергию, распространяющуюся вдоль проводника, а также энергию, поглощаемую или излучаемую им. 

Теорема Умова-Пойнтинга

Теорема Умова-Пойнтинга характеризует баланс энергии электромагнитного поля. Запас электромагнитной энергии в объеме V составляет

                                                    (4.10)

где  – энергия электрического поля в единице объема;

 – энергия магнитного поля в единице объема.

Используя уравнение Максвелла, получаем

                                (4.11)

где dS – элемент поверхности S, ограничивающий объем V.

Данное выражение носит название теоремы Умова-Пойнтинга. Левая часть выражения характеризует расход электромагнитной энергии за единицу времени, правая часть показывает, на что расходуется за единицу времени заключенная в объеме энергия.

Первый член правой части выражения (4.11) представляет собой поток энергии, за единицу времени через замкнутую поверхность объема V в окружающее пространство или в объем V от внешних источников.

Количество энергии, распространяющейся в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока энергии, выражается векторной величиной

,

называемой вектором Умова-Пойнтинга (вектором Пойнтинга).

Второй член в соответствии с законом Джоуля-Ленца характеризует энергию внутри объема V, преобразованную в тепло за единицу времени.

Направление движения электромагнитной энергии в пространстве показывает направление вектора Пойнтинга. Теорема Пойнтинга позволяет установить связь между напряженностями полей Е и Н на поверхности какого-либо объема с потоком энергии, входящей в этот объем либо выходящей из него.

Уравнения Максвелла дают  возможность точно решить практически любую электродинами­ческую задачу, включая передачу сигналов связи по различным направляющим системам в разных диапазонах частот.

Лекция 5. Расчет параметров передачи двухпроводных направляющих систем

 

Цель лекции: дать основные понятия первичных и вторичных характеристик кабеля.

 

Количественно потери в проводниках можно определить нахождением составляющей вектора Пойнтинга, проникающей в толщу проводников через их поверхность:

                                     .                                          (5.1)

Для единицы длины цилиндрического проводника при синусоидальном изменении поля радиальная составляющая вектора Пойнтинга составляет

                                        .                                         (5.2)

Полное внутреннее сопротивление проводника Z, представляющее собой сумму активной (R) и реактивной (jωL_внутр) составляющих, определяется выражением

                                                                  (5.3)

где R – активное сопротивление проводника;

L_внутр – внутренняя индуктивность (jωL_внутр – реактивное сопротивление индуктивности);

E_z – продольная составляющая вектора E на поверхности проводника;

Н*_j – комплексно–сопряженная величина тангенциальной составляющей вектора Н на поверхности проводника;

r – радиус проводника.  

                      

Следовательно, величины R и L могут быть определены из уравнения (5.2), если известны Е_z и Н_j. Величины Е_z и Н_j находят путем решения уравнений Максвелла (4.8) и (4.9) для конкретной направляющей системы.

Полное сопротивление проводника определяется путем решения уравнений Максвелла и проведения соответствующих преобразований:

 

                                                                  (5.4)

где R и L – соответственно активное сопротивление и индуктивность проводника;

I₀ – видоизмененная функция Бесселя нулевого порядка первого рода;

I₁ – функция Бесселя первого порядка первого рода.

 

Обычно пользуются заранее рассчитанными таблицами [9], где бесселевы функции и их соотношения сведены в таблицу в виде соответствующих коэффициентов F(kr), G(kr), H(kr), Q(kr).

В симметричном кабеле проводники расположены в непосред­ственной близости друг к другу, поэтому при расчете приходится считаться с эффектом близости.

Таким образом, активное сопротивление симметричных кабелей (СК) состоит из сопротивления постоянному току (R₀), сопротивления за счет поверхностного эффекта (R_П), сопротивления за счет эффекта близости (R_Б) и сопротивления потерь в окружающих металлических массах (R_М) (соседние проводники, экран, оболочка, броня):

 

     (5.5)

 

где R₀ – сопротивление цепи постоянному току, Ом/км:

 

                                                                                               (5.6)

 

ρ=1/σ – удельное сопротивление материала жил, Ом·мм²/м;

d₀ – диаметр жил, мм;

R_П, R_Б, R_М – дополнительное сопротивление, соответственно за счет поверхностного эффекта, эффекта близости и потерь в окружающих металлических массах;

χ – коэффициент укрутки, учитывающий увеличение длины цепи за счет скрутки, принимается равным 1,02…1,07;

р – коэффициент, учитывающий потери на вихревые токи в жилах второй цепи элементарной группы, для звездной скрутки р=5; для парной скрутки р=1;

а – расстояние между центрами жил цепи, мм.

 

При звездной скрутке , при парной скрутке а=d₁, где диаметр изолированной жилы, мм, для кордельной изоляции определяется по формуле:

где d₀ – диаметр токопроводящей жилы, мм;

d_к – диаметр корделя, мм, обычно принимаем 0,6…0,8 диаметра жилы;

Δ – общая толщина лент, наложенных поверх корделя, мм,

 

Δ=n∙t_л,

      n – число лент;

      t_л – толщина ленты.

диаметр изолированной жилы со сплошной или пористой изоляцией определяется:

                                            

где ∆ – радиальная толщина изоляционного слоя, мм;

r₀ – радиус токоподводящей жилы, мм;

k – коэффициент вихревых токов, 1/мм:

 

                                         ;

μ_а – абсолютная магнитная проницаемость,

μ_а=μ₀·μ, Гн/м;  μ₀=4π·10^-7, Гн/м;

μ – относительная магнитная проницаемость;

Индуктивность симметричной кабельной цепи

 

                                                                 (5.7)

где Q(kr) – коэффициент функции Бесселя, учитывающий явление поверхностного эффекта.

 

Коаксиальные кабели используются для высокочастотных систем передачи, поэтому их параметры рассчитывают для частот выше 60 кГц. В этом случае активное сопротивление (Ом/км) состоит из суммы сопротивлений внутреннего (R_а) и внешнего (R_b) проводников с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости:

 

                                                               (5.8)

где R_a, R_b – активное сопротивление соответственно внутреннего и внешнего проводников, Ом/км;

r_a, r_b – диаметры соответственно внутреннего и внешнего проводников, мм;

f – частота, Гц.

Для медных проводников формула примет вид:

 

Для алюминиевых проводников:

 

 

Индуктивность коаксиальной цепи, Гн/км, состоит из суммы внешней индуктивности между проводами L_внеш и внутренней индуктивности проводников L_A+L_B. Индуктивность медных проводников составляет:

 

                                   (5.9)

 

Для алюминиевых проводников формула примет вид:

                               (5.10)

На рисунке 5.1 представлена частотная зависимость первичных параметров.

Рисунок 5.1- Частотная зависимость первичных параметров

 

Емкость направляющих систем, Ф/км, может быть рассчита­на как емкость конденсатора (плоский для воздушных линий свя­зи и симметричных кабелей и цилиндрический для коаксиальных кабелей), образованного определенной длины отрезком воздуш­ной линии связи:

 

для симметричного кабеля

                                                                                (5.11)

где ε_экв – эквивалентная относительная диэлектрическая прони­цаемость изоляции жил;

ψ – коэффициент, учитывающий близость соседних проводников и металлической оболочки;

 – коэффициент укрутки.

для коаксиального кабеля

 

                                                                          (5.12)

Проводимость изоляции G, См/км, зависит от проводимости материала изоляции и диэлектрических потерь:

                                        G = G₀+G_пер.                                               (5.13)

Проводимость изоляции, обусловленная диэлектрическими потерями при переменном токе, определяется выражением:

                                         G_пер= ωC·tgδ.                                              (5.14)

 

Вторичные параметры направляющих систем

Вторичными параметрами направляющей системы часто пользуются на практике как наиболее просто поддающими­ся измерению. В свою очередь Z и γ полностью определяются первичными параметрами цепи R, L, C, G.

Волновое сопротивление – это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения.

                             .                                 (5.15)

 

В диапазоне относительно низких (тональных) частот волновое сопротивление, Ом, составляет

 

                              .                                                  (5.16)

 

 

В диапазоне высоких частот  волновое сопротивление, Ом, равно

 

                                                                                (5.17)

 

Коэффициент распространения (1/км) является комплексной величиной и может быть представлен в виде суммы ее действительной и мнимой частей:

                                .                               (5.18)

 

Действительная часть α и мнимая часть β характеризуют соответственно затухание и изменение фаз тока и напряжения, а также мощности на участке цепи длиной 1 км и называются коэффициентом затухания и коэффициентом фазы.

В диапазоне высоких частот, когда ωL>>R, ωC>>G, формулы для расчета коэффициентов затухания и фазы примут вид:

 дБ/км,

                                      рад/км                                       (5.19)

где  характеризует потери в металле, а  – потери в диэлектрике.

Характер частотной зависимости коэффициентов α и β приведен на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2-Частотная зависимость коэффициента затухания, коэффициента фазы и скорости распространения электромагнитной волны

Скорость распространения электромагнитной энергии по цепи связи. Скорость передачи зависит от параметров цепи и частоты тока. Она определяется выражением:

     .                                                 (5.20)

На рисунке 5.2 показана частотная зависимость скорости распространения электромагнитной волны по кабельной линии.

 

Лекция 6. Передача электромагнитной энергии по оптическим кабелям

 

Цель лекции: дать основные сведения О ВОЛС, типах световодов.

 

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) – это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, называемым «оптическое волокно».

Волоконно-оптическая сеть – это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой  являются волоконно-оптические линии связи. Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю.

Достоинства ВОЛС:

1)     широкая полоса пропускания  обусловлена высокой частотой несущей 10¹⁴ Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду;

2)     низкий уровень шумов  в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода;

3)     высокая помехозащищенность объясняется тем, что волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования. В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения;

4)     малое затухание светового сигнала в волокне позволяет строить участки линий без ретрансляции протяженностью до   100 километров и более;

5)     малый вес и объем – внешний диаметр оптического кабеля (1,5 см) в несколько раз меньше медного телефонного кабеля с такой же пропускной способностью;

6)     высокая защищенность от несанкционированного доступа обусловлена тем, что ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приемо-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности ВОЛС могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги;

7)     гальваническая развязка элементов сети – данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно позволяет избежать электрических «земельных» петель;

8)     взрыво- и пожаробезопасность – из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях;

9)     экономичность – волокно изготавливают из кварца, более распространенного, в отличие от меди, материала. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции (уменьшается количество повторителей на протяженных линиях);

10)длительный срок эксплуатации – срок службы ВОК составляет 25 лет, за это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающей аппаратуры.

Наряду с преимуществами, волоконно-оптические системы имеют ряд недостатков, обусловленных главным образом дороговизной прецизионного монтажного оборудования и надежностью лазерных источников излучения. Высока стоимость интерфейсного оборудования (оптические приемники и передатчики, пассивное коммутационное оборудование, оптические соединители и разветвители). Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке ВОЛС также остается высокой.

Несмотря на перечисленные недостатки, преимущества от применения ВОЛС значительны, поэтому дальнейшее развитие технологии ВОЛС в информационных сетях является перспективным.

 

Типы световодов

Простейший световод представляет собой круглый диэлектрический стержень, называемый сердцевиной, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины , а оболочки , где ε₁ и ε₂ – относительная диэлектрическая проницаемость. Показатель преломления оболочки обычно постоянен, а сердцевины (в общем случае) является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Если сердцевина световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со ступенчатым профилем показателя преломления (см. рисунок 6.1 а) (есть ступенька п на границе сердцевина-оболочка).

Если показатель преломления от центра к краю изменяется не ступенчато, а плавно, то такие световоды называются световодами с градиентным профилем показателя преломления, или градиентными световодами (см. рисунок 6.1, б).

Наибольшее распространение получили градиентные световоды с параболическим профилем показателя преломления:

 

                                                                           (6.1)

где n1 – показатель преломления в центре сердцевины (≈1,5);

r – текущий радиус;

d – диаметр сердцевины;

                             = 0,003 ... 0,01 .                                       (6.2)

 

Рисунок 6.1- Ход лучей в ступенчатом (а), градиентном (б) и одномодовом (в) оптическом волокне

 

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред. Лучи распространяются в оптически более плотной среде, окруженной менее плотной, поэтому необходимо n1>n2. В зависимости от угла Θ_кр, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (см. рисунок 6.2), имеют место волны излучения, волны оболочки (вытекающие лучи) и сердцевины (направляемые лучи).

 

 

Рисунок 6.2- Распространение излучения по оптическому волокну

 

 

Если угол падения меньше некоторого критического угла, который определяется соотношением

                                   ,                                             (6.3)

 

то луч полностью отражается на границе сердцевина – оболочка и остается внутри сердцевины (луч 3). Этот угол соответствует углу полного внутреннего отражения φ_п.

Режим полного внутреннего отражения зависит от диаграммы направленности источника излучения. Величину Θкр называют апертурным углом.

Апертурой называется максимальный угол между оптической осью и световым лучом, падающим на торец многомодового волоконного световода, при этом выполняются условия полного внутреннего отражения в сердцевине (луч 3 на рисунке 6.2). Величина апертурного угла зависит от абсолютного значения показателя преломления сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки.  Световод пропускает лишь лучи, заключенные в конусе с углом Θкр, соответствующим φ_п – углу полного внутреннего отражения.

Наряду с понятием апертура принято использовать также понятие числовая апертура (от англ. Numerical Aperture):

 

                                                                          (6.4)

где n₀ – показатель преломления наружной среды (равен 1, если торец световода граничит с воздухом).

 

Как видно из рисунка 6.2, между предельным углом полного внутреннего отражения φ_п и апертурным углом падения луча имеется взаимосвязь. Чем больше угол φ_п, тем меньше апертурный  угол волокна Θ_кр.

Луч в торец световода следует вводить под углом, меньшим апертурного угла волокна Θ_кр. До тех пор, пока угол падения луча меньше, чем Θ_кр, луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе сердцевина - оболочка и передача будет проходить эффективно.

В зависимости от условий распространения световой волны в сердцевине и числа распространяющихся мод оптические волокна делятся на две группы: одномодовые (SMF – Single Mode Fiber, (см. рисунок 6.3) и многомодовые (ММF – Multi Mode Fiber).

 

 

Рисунок 6.3-Типы световодов

 

Число мод в световоде связано с числовой апертурой следующими простыми соотношениями:

для ступенчатого световода

;                             (6.4)

для градиентного световода

                                 (6.5)

где а – радиус сердцевины волокна,

 λ – длина волны.

 Критическая частота и длина волны  волоконного световода

При передаче электромагнитной энергии по волокну основная ее часть распространяется внутри сердцевины, часть же проникает в оболочку, где экспоненциально затухает. Степень уменьшения напряженности поля определяется волновым числом оболочки g₂. При больших значениях волнового числа (высоких частотах) поле концентрируется внутри сердцевины. С уменьшением g₂ поле перераспределяется в пространстве вне сердцевины и при g₂=0 выходит из волокна (излучается). Частота, при которой это происходит, называется частотой отсечки, или критической частотой.

Критическая частота определяется при g₂=0 и имеет вид:

 

                                                                                            (6.6)

где V – нормированная (характеристическая) частота волокна.

 

Характеристическая частота представляет собой обобщенный параметр, включающий диаметр сердцевины, длину волны и коэффициенты преломления сердцевины и оболочки:

                                                 .                                                (6.7)

 

Таким образом, каждая мода имеет характеристическую частоту, которая определяет ее область существования. Тип мод определяется также параметром V = Р_тп (п характеризует число изменений поля по периметру световода, а т – по диаметру).

В таблице 6.1 приведены значения V для некоторых типов волн.

 

Т а б л и ц а  6.1-Типы волн в оптическом волокне

n	Значение V=Pmn, при m, равном			Тип волны
	1	2	3
0	2,405	5,520	8,654	Е0m, H0m
1	0,000	3,832	7,016	HEnm
1	3,832	7,016	10,173	EHnm

 

Из таблицы 6.1 видно, что только одна несимметричная мода НЕ₁₁ имеет V=0, а следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердцевины.

Выбирая параметры световода (λ, d, n1, n2) таким образом, чтобы следующие высшие моды с более высокими частотами отсечки не могли распространяться, можно получить режим распространения только одной (основной) моды НЕ₁₁.

Таким образом, при 0<V<2,405 наблюдается одномодовый режим распространения.

Рабочая частота и диаметр сердцевины световода при одномодовом режиме выбираются из условий:

                                              ;                                                 (6.8)

 

                                              .                                           (6.9)

 

Практически одномодовый режим достигается при применении волокон с d≈λ. Для увеличения d надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки (n1≈n2).

С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод возрастает и устанавливается многомодовый режим передачи.

 

Лекция 7. Затухание сигнала и дисперсия в волоконных световодах

 

Цель лекции: изучить причины возникновения затухания и дисперсии в волоконных световодах.

 

Затухание в световодных трактах  характеризуется собственными потерями (α_соб) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (α_доп).

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения α_п и потерь рассеяния α_р.

 

                                      α_соб=α_п+α_р+α_пр.                                                    (7.1)

 

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

Затухание в результате поглощения α_п, дБ/км, связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала световода (tg δ) и определяется по формуле

 

                                                                                (7.2)

где п₁ - показатель преломления сердцевины;

λ – длина волны, мкм;

tgd – тангенс угла диэлектрических потерь световода (для кварца составляет 10^–10).

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Потери на рассеяние, дБ/км, рассчитывают по формуле

                                                                                                     (7.3)

где К_р – коэффициент рассеяния (для кварца (1…1,5)дБ/км·мкм⁴);

l – длина волны, мкм.

Окна прозрачности [8]

Связь по волоконно-оптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, а только в определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери. Области минимальных потерь получили название окон прозрачности (см. рисунок 7.1).

 

 

Рисунок 7.1 - Собственные потери в оптическом волокне

 

Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности, перечисленные в таблице 7.1. Характеристики полупроводниковых излучателей и фотоприемников оптимизированы для работы в этих окнах.

 

Т а б л и ц а  7.1-Окна прозрачности

Окно прозрачности	Длина волны, мкм	Затухание, дБ/км
1	0,85	3…2
2	1,3	0,3…1
3	1,55	0,2…0,3

 

Из таблицы 7.1  видно, что переход из первого во второе окно прозрачности дает существенный выигрыш по величине затухания, тогда как работа в третьем окне большого выигрыша в величине потерь не приносит. С другой стороны, по мере увеличения рабочей длины волны начинает быстро расти стоимость активных оптоэлектронных компонентов. Исходя из этих двух обстоятельств, в технике локальных сетей, где из-за сравнительно малой протяженности кабельных трасс стоимость оконечной аппаратуры относительно велика, в подавляющем большинстве случаев используют первое и второе окна прозрачности. Линии дальней связи, стоимость которых определяется в первую очередь длиной участка регенерации, работают в основном во втором и третьем окнах прозрачности, где кроме низкого затухания,достигается также малая величина дисперсии.

 

Дисперсия и пропускная способность световодов

Наряду с затуханием α важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является полоса частот ΔF, пропускаемая световодом. Она определяет объем информации, который можно передавать по оптическому кабелю (ОК). Ограничение ΔF применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Данное явление носит название дисперсии.

Дисперсия (уширение импульсов) – рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Импульсный сигнал на вход приемного устройства приходит тем искаженнее, чем длиннее линия. Дисперсия приводит к  появлению межсимвольных помех и ограничению пропускной способности кабеля. Чем меньше дисперсия, тем больший поток информации можно передать по волокну.

Уширение импульса возникает также при прохождении импульса через соединители, модуляторы, демодуляторы и другие устройства.

Величина дисперсии может быть рассчитана по формуле:

 

                                       .                                        (7.4)

Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в световоде (межмодовая или модовая дисперсия), а с другой стороны – некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Δλ (хроматическая дисперсия).

Межмодовая дисперсия. В многомодовых оптических волокнах основной вклад в уширение импульса вносит межмодовая дисперсия. Процесс возникновения межмодовой дисперсии следует отдельно рассматривать в ступенчатом и градиентном волокне из-за зависимости скорости распространения всех лучей от показателя преломления (v=c/n₁).

Для ступенчатого оптического волокна:

,   при l<l_c;

                                           ,  при l>l_c                               (7.5)

где l_с – длина связи мод, для ступенчатого оптического волокна составляет 5…7 км.

Для градиентного оптического волокна:

 

                                  ,  при  l<l_c;

                                   ,  при l>l_c  .                                  (7.6)

 

Длина связи мод градиентного световода 10…15 км.

Модовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок ниже, чем у ступенчатых волокон (см. рисунок 7.2).

 

 

Рисунок 7.2 - Межмодовая дисперсия оптических волокон

На практике расчет полосы пропускания многомодового волокна выполняют по формуле

 

.                                            (7.7)

 

Полоса пропускания измеряется в МГц·км. Физический смысл параметра – это максимальная частота передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия растет с увеличением длины линии, то полоса пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально.

Хроматическая (частотная) дисперсия. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Данная дисперсия вызвана наличием спектра частот у источника излучения, определяется его характером диаграммы направленности и некогерентностью.

Материальная дисперсия объясняется тем, что коэффициент преломления стекла изменяется с длиной волны n=f(l). Практически любой источник генерирует не на одной длине волны, а в определенном спектральном диапазоне ∆l. В результате различные спектральные составляющие сигнала имеют различную скорость распространения, что приводит к различной задержке на выходе волокна. У лазерных источников спектр узкий, поэтому данная дисперсия незначительна.

В выражение для материальной дисперсии входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

 

                                                                                       (7.8)

где Δl – ширина спектральной линии источника излучения;

l – длина передаваемой волны;

с – скорость света;

l – длина линии.

 

Для идеального ступенчатого профиля

 

                                                                                        (7.9)

где ∆l – ширина спектральной линии источника излучения (для лазера 1…3 нм, для светодиода 20…40 нм);

М(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км) – пикосекунд на нанометр ширины спектра и километр длины световода.

 

С увеличением длины волны значение материальной дисперсии уменьшается, затем проходит через ноль и приобретает отрицательное значение.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризует зависимость коэффициента распространения моды от длины волны γ=ψ(λ) и зависит от ширины передаваемого спектра частот.

 

                                                                    (7.10)

где В(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км).

 

Удельная хроматическая дисперсия является алгебраической суммой удельных материальной и волноводной дисперсий:

 

                                      D(λ)= М(λ)+ В(λ).                                            (7.12)

 

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией соотношением:

 

                                      , с/км                                      (7.13)

где D(λ) – удельная хроматическая дисперсия, с/(нм·км);

Δλ – ширина спектра излучения источника, нм.

 

Профильная дисперсия. Данный вид дисперсии проявляется в реальных ОВ, которые могут быть регулярными (с регулярной, геликоидальной скруткой), нерегулярными (с нерегулярным изменением границы раздела профиля показателя преломления), неоднородными (наличие инородных частиц).

К причинам появления данной дисперсии относятся:

-        поперечные и продольные флуктуации геометрических размеров и формы волокна (эллиптичность поперечного сечения и т.п.);

-        изменения границы профиля показателя преломления;

-        осевые и внеосевые провалы профиля показателя преломления, вызванные особенностями технологии изготовления ОВ.

 

Величина уширения импульсов из-за профильной дисперсии в ООВ находится из выражения:

 

                                            (7.14)

где n – эффективный показатель преломления;

b – нормированная постоянная распространения;

m₁ – групповой показатель преломления сердцевины;

Г – коэффициент локализации по мощности;

ν – нормированная частота.

 

Упрощенная формула:

 

                                      ,                                                 (7.15)

где П(λ) – удельная профильная дисперсия, пс/(нм·км).

 

Результирующее значение дисперсии:

                                   .                          (7.16)

Поляризационная модовая дисперсия. Поляризационная модовая дисперсия τ_пмд возникает вследствие различной скорости распространения двух мод. Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

Коэффициент удельной дисперсии Т нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/√км), а τ_пмд растет с ростом расстояния по закону .

Из-за небольшой величины τ_пмд может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

При передаче цифрового сигнала высокой полосы (>2,4 Гбит/с) из-за наличия τ_пмд может возрастать битовая скорость появления ошибок.

 

Таким образом, результирующее значение дисперсии в одномодовом оптическом волокне определяется выражением

 

                     .                                           (7.17)

 

Явление дисперсии приводит как к ограничению пропускной способности кабелей, так и к снижению дальности передачи по ним, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса. Таким образом, полоса частот ∆F дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулой

 

                                                                                                 (7.18)

где значения с индексом х – искомые, а без индекса х – заданные.

 

Соответственно

                               .                                 (7.19)

 

Пропускная способность и дальность передачи по ОК ограничиваются не только дисперсией, но и затуханием световодов. В многомодовых световодах ограничивающим фактором является дисперсия, а в градиентных и одномодовых световодах с хорошими дисперсионными характеристиками, дальность связи может лимитироваться затуханием световодного тракта.

 

Лекция 8. Определение длины регенерационных участков волоконно-оптических систем передачи

 

Цель лекции: изучить причины, влияющие на длину регенерационного участка.

 

Длина регенерационного участка определяется суммарным затуханием регенерационного участка и дисперсией оптического кабеля. Суммарное затухание состоит из потерь мощности непосредственно в оптическом волокне и из потерь в разъемных и неразъемных соединениях.

Суммарные потери регенерационного участка, дБ, можно рассчитать по формуле

 

                                                                     (8.1)

 

где  – количество разъемных соединителей;

 – потери в разъемных соединениях ;

 – количество неразъемных соединений;

 – потери в неразъемных соединениях ;

а_t – допуск на температурные изменения затухания ОВ (1 дБ);

а_в – допуск на изменение характеристик со временем (5 дБ);

α – коэффициент затухания ОВ .

Рисунок 4.9- Скелетная схема волоконно-оптического тракта

 

 

Длину регенерационного участка, км, с учетом потерь мощности можно определить по формуле

 

                                                                (8.2)

где Э_П=(Р_пер–Р_пр) – энергетический потенциал волоконно-оптической системы передачи;

Р_пер – уровень мощности оптического излучателя, дБм;

Р_{пр мин} – чувствительность приемника, дБм.

 

С учетом энергетического потенциала системы допустимые потери в волоконно-оптическом тракте составят

 

                  а_доп = Э_П – а_Σ .                                                        (8.3)

 

Тогда длина регенерационного участка будет  составлять

 

                                               .                                                      (8.4)

 

На длину регенерационного участка накладывают ограничения дисперсионные характеристики волокна.

С учетом дисперсии оптического волокна длина регенерационного участка составит

 

                                                                                            (8.5)

где В – требуемая скорость передачи информации, бит/с;

τ – значение хроматической дисперсии одномодового оптического волокна, с/км .

 

В результате расчета и уточнения длин регенерационных участков по секциям между обслуживаемыми регенерационными пунктами (ОРП), определяется число необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) на каждой секции и составляется скелетная схема кабельной линии, на которой указываются ОРП и НРП, длины участков и секций, тип кабеля и нумерация НРП. Как правило, нумерация НРП приводится дробью: в числителе указывается порядковый номер НРП, а в знаменателе – номер предыдущего ОРП (см. рисунок 8.2).

 

             

 

Рисунок 8.2 - Структура оптического линейного тракта на проектируемом участке

 

Количество НРП можно определить по формуле

 

                                                    (8.6)

где L_ОРП – расстояние между ОРП, км.

 

Как правило, при применении одномодового оптического волокна на зоновых линиях связи установки регенерационных пунктов не требуется.

 

Лекция 9. Защита сооружений связи ГТС от внешних электромагнитных влияний

 

Цель лекции: изучить источники опасных и мешающих влияний.

 

На соединительные и абонентские линии ГТС могут оказывать влияние следующие посторонние источники: высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП); электрифицированный железнодорожный транспорт (эл. ж. д.); передающие радиостанции; промышленные установки различного назначения.

По интенсивности и характеру воздействия внешних источников на линии связи влияния разделяют на опасные и мешающие.

Опасными влияниями называют такие влияния, при которых напряжения и токи, возникающие в цепях связи, могут создать опасность для здоровья и жизни абонентов и работников эксплуатации, а также вызвать повреждение аппаратуры, приборов, кабеля связи.

Мешающие влияния проявляются в телефонных цепях и каналах связи в виде шумов, тресков, нарушения или ухудшения качества связи.

Наибольшее воздействие на линии ГТС оказывают высоковольтные линии электропередачи и электрифицированные железные дороги, которые вместе принято называть линиями высокого напряжения (ЛВН). Вокруг провода ЛВН создается интенсивное электромагнитное поле, которое вследствие электромагнитной индукции вызывает в линии связи посторонние напряжения и токи.

Электрическому влиянию, обусловленному наличием в ЛВН переменного электрического напряжения, подвержены в основном цепи воздушных линий связи. Подземные и подвесные кабели связи не подвержены электрическому влиянию, так как силовые линии электрического поля экранируются поверхностью земли и металлической оболочкой (экраном) кабеля.

Магнитному влиянию, обусловленному протекающими по проводам ЛВН токами, подвержены как воздушные, так и кабельные линии связи. Высоковольтные линии передачи бывают воздушные и кабельные. Кабельные ЛЭП оказывают меньшее влияние, так как сказывается экранирующее действие кабельных оболочек. В зависимости от режима работы ЛЭП делятся на симметричные и несимметричные. Симметричные ЛЭП характеризуются одинаковыми напряжениями и токами в проводах. Такие линии не имеют остаточных напряжений и токов в земле. К симметричным линиям относятся трехфазные ЛЭП с заземленной (нейтральная точка линейных трансформаторов заземлена) и изолированной нейтралью, а также двухпроводные линии.

В несимметричных линиях передачи в качестве одного из рабочих проводов используется земля. К таким линиям относятся:

- ЛЭП напряжением более 35 кВ, работающие в неполнофазном режиме по схеме «два провода – земля»;

- электрифицированные железные дороги (эл. ж. д.), работающие на переменном токе промышленной частоты 50 Гц;

- контактные сети эл. ж. д. и городского электротранспорта (трамвай, метро), питающиеся от постоянного тока.

На контактных сетях городского электротранспорта питающее, напряжение достигает 600... 800 В, на эл. ж. д. постоянного тока – 3,3...3,7 кВ, на эл.ж.д. переменного тока – 25 кВ.

При рассмотрении влияния на линии связи различают следующие режимы работы ЛВН: нормальный, вынужденный, аварийный.

Нормальный режим работы характеризуется условиями, при которых ЛВН работает постоянно.

Вынужденный режим – это режим, при котором ЛВН работает ограниченное время (как правило, не более 2 ч) в несимметричном режиме (например, неполнофазный режим трехфазной ЛЭП или одностороннее питание контактной сети эл. ж. д. при временном отключении одной из смежных тяговых подстанций).

Аварийный режим имеет место при обрыве фазового провода трехфазной ЛЭП или контактного провода эл. ж. д. При этом в ЛЭП возникают либо высокое напряжение относительно земли (ЛЭП с изолированной нейтралью), вызывающее большое электрическое влияние, либо токи короткого замыкания (ЛЭП с заземленной нейтралью), вызывающие магнитное влияние.

Наибольшее влияние на линии связи оказывают несимметричные ЛВН, так как напряженность электромагнитного поля около несимметричной линии существенно больше, чем у симметричной. В нормальном режиме работы несимметричные ЛВН могут оказывать как мешающие, так и опасные влияния; при этом опасные напряжения незначительны. В случае вынужденного и особенно аварийного режимов работы влияние на линии связи резко возрастает.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что кабельные линии ГТС могут быть подвержены опасному и мешающему магнитным влияниям, которые и следует учитывать при проведении расчетов.

 Расчет опасных магнитных влиянии

Одним из основных факторов, определяющих степень влияния ЛВН на линии связи, является характер сближения. Под сближением понимается взаимное расположение линии связи и ЛВН, при котором в линии связи могут возникать опасные и. мешающие напряжения и токи.

Сближение может быть параллельным, косым и сложным (см. рисунок 9.1). Участок сближения считается параллельным, если кратчайшее расстояние между линиями (ширина сближения) а изменяется по длине сближения не более чем на 10% от среднего значения. Если это условие не выполняется, то участок сближения называется косым.

 

 

Рисунок 9.1- Схема сближения линии связи с ЛВН

 

При расчете косое сближение заменяется ступенчатым параллельным, выбирая длину параллельных эквивалентных участков так, чтобы отношение максимального значения ширины сближения к минимальному на концах участка было  (см. рисунок 9.1). При этом условии эквивалентная ширина сближения а_экв определяется соотношением .

Опасное магнитное влияние может возникнуть при обрыве и заземлении фазового провода ЛЭП или контактного провода эл.ж.д. Большая величина тока короткого замыкания создает интенсивное магнитное поле. В результате в жилах кабеля индуцируется ЭДС, которая может превышать допустимые значения. Эта ЭДС называется продольной, так как индуцированное электрическое поле направлено вдоль провода связи.

Продольная ЭДС — это разность потенциалов между началом и концом провода связи на длине гальванически неразделенного участка. Гальванически неразделенным участком считается участок линии связи, не содержащий усилителей, трансформаторов, фильтров. На ГТС низкочастотные абонентские и соединительные линии являются гальванически неразделенными. Для протяженных межстанционных соединительных линий, на которых используются системы передачи, за длину гальванически неразделенного участка принимается длина усилительного (регенерационного) участка.

Абсолютное значение продольной ЭДС (В), наведенной в проводе связи от магнитного влияния ЛВН, на сложном участке сближения (см. рисунок 9.1) рассчитывается, на частоте 50 Гц по формуле

 

                              (9.1)

где п — число участков сближения;

I₁ – влияющий ток, А;

m_{12 i} – коэффициент взаимной индукции между однопроводными цепями ЛВН и линии связи на i-том участке сближения, Гн/км;

l_i – длина i-того участка сближения, км;

S_i – результирующий коэффициент экранирования между ЛВН и линией связи на i-том участке сближения.

 

За величину влияющего тока I₁ при коротком замыкании фазового провода ЛЭП принимается ток короткого замыкания При работе ЛЭП в неполнофазном режиме влияющий ток равен фазовому току. Аналогично определяется влияющий ток и при влиянии эл. ж. д. переменного тока в аварийном режиме.

При вынужденном режиме работы эл. ж. д., когда питание электровозов осуществляется от одной тяговой подстанции, за величину влияющего тока принимается эквивалентный влияющий ток I_экв. Эквивалентный влияющий ток – это ток частотой   50 Гц, одинаковый по величине на всем участке сближения и оказывающий на цепи связи такое же магнитное влияние, как при реальном распределении тока.

Коэффициент взаимной индукции (Гн/км) можно определить  по приближенной формуле, которая справедлива в диапазоне тональных частот:

 

                                                                                 (9.2)

где а – ширина сближения, м;

f – частота влияющего тока, Гц;

σ_З – проводимость земли, См/м.

 

Результирующий коэффициент экранирования (на низких частотах его называют коэффициентом защитного действия — КЗД) учитывает уменьшение наведенной ЭДС за счет защитного действия металлических экранов, размещенных между ЛВН и линией связи. В общем виде коэффициент защитного действия

 

                                                                                       (9.3)

где S_об, S_tp, S_р, S_м – коэффициенты защитного действия соответственно оболочки кабеля связи, заземленных тросов, подвешенных на опорах ЛЭП, рельсов железнодорожных путей, проложенных рядом с кабелем связи, металлических сооружений (соседних кабелей связи, трубопроводов, газопроводов и т. д.).

Отметим, что при эксплуатации линейных сооружений связи необходимо знать не величину продольной ЭДС, а величину напряжения провода связи относительно земли, зависящего от этой ЭДС, так как обслуживающий персонал, работая на линии связи, может попасть именно под это напряжение. Величина напряжения провода относительно земли зависят от состояния линии. На рисунке 9.2. показан характер продольного изменения напряжения проводов линии связи относительно земли при изолированных и заземленных концах проводов.

 

            а)                                       б)                                      в)

а – изолированный;

б – заземленный  по обоим концам;

в – заземленный с одного конца.

 

Рисунок 9.2-Изменение относительно земли напряжения провода связи:

 

Наибольшее напряжение провода относительно земли возникает на изолированном конце линии связи при заземлении противоположного конца. Поэтому расчет опасного магнитного влияния проводится именно для этого случая, так как при этом действует полная индуцированная ЭДС (при сопротивлении заземления, равном нулю).

 Расчет мешающих влияний

Псофометрическое напряжение (от греческого слова «псофос» – шум), или просто напряжение шума, – это такое напряжение с частотой 800 Гц, которое оказывает на телефонную передачу такое же мешающее воздействие, как и индуцированные напряжения с различными частотами. Результирующие псофометрические значения напряжения и тока определяют, используя закон квадратичного суммирования

 

                                                    (9.4)

где U_i,, I_i – соответственно действующие значения индуцированного напряжения и тока на частоте i-той гармоники;

Р_i – коэффициент акустического воздействия на частоте i-той гармоники.

Метод расчета шумов по гармоническим составляющим требует знания индуцированных напряжений и токов каждой гармоники для конкретных ЛВН, что на практике вызывает затруднение. Поэтому для количественной оценки мешающего влияния ЛВН можно определить эквивалентные значения напряжения или тока во влияющей линии частотой 800 Гц:

 

                                                                (9.5)

где U₁, I₁ — действующие значения соответственно напряжения и тока влияющей ЛВН;

F_U, F_I  – телефонный формфактор напряжения и тока соответственно;

k_П  – поправочный коэффициент, учитывающий состав гармоник и условия сближения линии связи и ЛВН.

 

Телефонный формфактор — это отношение псофометрического значения напряжения (тока) к его действующему значению:

 

                              .                                 (9.6)

 

Псофометрические значения токов и напряжений в ЛВН можно определить путем измерения с помощью измерительного прибора (псофометра), включенного во влияющую линию по соответствующей схеме.

Интенсивность мешающих влияний зависит от величины асимметрии проводов цепи связи. При влиянии ЛВН различают поперечную и продольную асимметрии. Поперечная асимметрия обусловлена различием расстояний от проводов цепи связи до ЛВН. Продольная асимметрия обусловлена неравенством параметров проводов цепи связи относительно земли, вызываемым неизбежными конструктивными неоднородностями.

Результирующее напряжение шума в двухпроводной телефонной цепи, индуцируемое линией высокого напряжения, равно

 

                                                                 (9.7)

где U_1М, U_2М – напряжение, обусловленное соответственно продольной и поперечной асимметрией при магнитном влиянии;

 U_1Э, U_2Э – то же, при электрическом влиянии.

 

При влиянии ЛВН на кабельные линии ГТС электрическим влиянием можно пренебречь. Составляющей влияния U_2М также можно пренебречь, так как расстояние между жилами рабочей пары кабеля много меньше ширины сближения. Таким образом, при влиянии на кабельные линии ГТС определяющим является магнитное влияние, обусловленное продольной асимметрией цепей связи.

Мешающее напряжение в двухпроводной цепи зависит от величины асимметрии проводов относительно земли. Симметрию проводов двухпроводной цепи относительно земли принято оценивать коэффициентом чувствительности телефонной цепи к помехам

 где U_дв – индуцированное напряжение помех на зажимах нагрузки двухпроводной цепи;

U_одн – индуцированное напряжение в однопроводной цепи. Коэффициент чувствительности расчетным путем определить весьма сложно, поэтому на практике его чаще всего определяют путем измерения. Для кабельных цепей η=(1,4 – 2)∙10 ^{– 3}.

В конце изолированного от земли провода U_одн=E/2. Поэтому напряжение шума в двухпроводной цепи кабеля ГТС от влияния ЛВН можно определить на частоте 800 Гц по формуле

 

                      .                                                 (9.8)

 

Лекция 10.  Меры защиты на линиях связи от опасных и мешающих влияний

 

Цель лекции: изучить основные методы защиты на линиях связи.

 

Основные меры защиты на линиях связи от опасных и мешающих влияний: применение кабелей связи с оболочками, имеющими повышенный экранирующий эффект; включение разрядников и предохранителей; включение редукционных трансформаторов; прокладка вдоль кабеля металлических тросов.

Экранирование кабелей связи. Экранирование является одной из основных мер защиты от (опасных и мешающих влияний. Металлические оболоч­ки (экраны) полностью защищают кабельные цепи связи от внешних электрических полей и частично снижают влияние магнитных полей. Физическая сущность экранирования металлической оболочки кабеля основана на создании индуцированными линиями высокого напряжения токов в оболочке встречного магнитного поля, которое частично компенсирует основное влияющее поле. Эффективность экранирования  кабельных экранов оценивается коэффициентом экранирования, который в диапазоне низких частот называют коэффициентом защитного действия (КЗД). Применительно к влиянию ЛВН на кабели связи в диапазоне низких частот КЗД определяется как отношение ЭДС, наводимой в жилах кабеля при наличии экрана, к наводимой ЭДС при отсутствии экрана. Различают идеальный и реальный КЗД. Идеальный КЗД соответствует идеальному заземлению, а реальный – конечному значению сопротивления заземления. Для тонального диапазона частот идеальный КЗД

 

                                                                               (10.1)

где R_{0 об} — активное сопротивление экранирующих покровов кабеля постоянному току;

L — полная индуктивность экранирующих покровов.

 

Из формулы (10.1) видно, что для уменьшения КЗД (улучшения экранирования) необходимо уменьшать активное сопротивление и повышать индуктивность экранирующих покровов. Для обеспечения надежного экранирования необходимо строго выполнять нормы на величину сопротивления заземления экранов, так как чем меньше сопротив­ление заземления, тем лучше экранирование.

Существующие конструкции кабелей ГТС со свинцовыми оболочками (кабели ТГ, ТБ) и полиэтиленовыми оболочками с ленточными алюминиевыми экранами (кабели ТПП, ТППБ) имеют сравнительно большие КЗД на частоте 50 Гц: для небронированных кабелей - S=0,99...0,6, а для бронированных - S=0,96...0,3. Следовательно, эти кабели не всегда обеспечивают высокую защищенность от опасных напряжений и токов в зоне повышенного электромагнитного влияния. Существенно снизить (улучшить) КЗД кабелей связи можно заменой свинцовых оболочек алюминиевыми (КЗД уменьшается в 7...8 раз). Поэтому для зон повышенного электромагнитного влияния ЛВН рекомендуется использовать кабели связи с алюминиевыми оболочками. В настоящее время на ГТС для организации протяженных межстанционных соединительных линий широко используют высокочастотный кабель МКСАШп–4х4–1,2. В местах скопления большого количества ЛВН (например, на территории мощных электростанций) и для организации низкочастотных межстанционных соединительных линий в зоне повышенного влия­ния целесообразно использовать специально выпускаемые для таких целей кабели, имеющие алюминиевую оболочку и броню, защищенные полиэтиленовым шлангом.

Защита с помощью разрядников и предохранителей.. На телефонных сетях для защиты от опасных напряжений и токов аппаратуры АТС, телефонных аппаратов абонентов и кабелей связи широкое применение находят разрядники и предохранители. На городских телефонных сетях разрядники и предохранители устанавливают на кроссах, которые являются на телефонных станциях местом соединения линейных и станционных кабелей. На кроссе обеспечивается возможность подключения к абонентским .и соединительным линиям с целью проведения измерений и проверок в сторону линии и в сторону станции при определении места повреждения.

Для защиты от высоких напряжений, возникающих на линии связи, между проводом и землей включают разрядник. Защитная функция разрядника заключается в полном или частичном преобразовании энергии электрического поля наведенной волны, опасной своим высоким потенциалом, в энергию магнитного поля с низким напряжением относительно земли. Основными рабочими элементами разрядника являются электроды, отделенные друг от друга искровым промежутком.

 

Рисунок 10.1- Защитное действие разрядника

 

При возникновении на разряднике высокого напряжения частотой 50 Гц или импульсного напряжения при грозовых разрядах с амплитудой, превышающей напряжение его зажигания, происходит пробой искрового промежутка (см.рисунок 10.1). Тогда через разрядник потечет разрядный ток

 

                                                                                (10.2)

где U_П – амплитуда падающей волны;

Z_В – волновое сопротивление цепи «провод–земля»;

R_раз – сопротивление разрядника;

R_З – сопротивление заземления.

 

Практически , поэтому .

При отекании разрядного тока наведенное напряжение уменьшается до величины падения напряжения на разряднике и заземлителе:

 

.

 

Отсюда следует, что защитное действие разрядника возрастает с уменьшением сопротивления заземления. Поэтому очень важным условием надежной работы разрядников является строгое соблюдение норм на сопротивление заземления.

 Защита ВОЛС от внешних электромагнитных влияний

Общие положения. Полностью неметаллические ОК практически не подвержены внешним электромагнитным воздействиям полей линий высокого напряжения (ЛВН), грозовых разрядов. Повреждение таких кабелей возможно только при прямых ударах молнии в кабель, в результате которых могут произойти термические и механические разрушения. Вероятность такого удара очень мала. Однако положение кардинально меняется, если ОК содержит металлические элементы (медные жилы дистанционного питания, стабильные армирующие элементы, оболочку и т.д.). При внешних электромагнитных воздействиях в металлических элементах могут индуцироваться токи, наводиться ЭДС, представляющие опасность как для самого кабеля, так и для подключенной аппаратуры.

Учитывая критичность ОК к воздействию влаги, следует отметить, что к опасным можно относить токи и напряжения, наводимые в металлических элементах ОК, приводящие к повреждению его изоляции (элементов конструкции относительно земли, между элементами), даже если они и не приводят к перерывам связи вследствие повреждения оптических волокон при воздействии. Это справедливо, поскольку при повреждении изоляции ОК снижается уровень защиты волокон о влаги, что в дальнейшем приводит к повреждению линии связи вследствие коррозии оптических волокон, их усталостного разрушения.

Определение вероятного числа повреждений ударами молнии оптического кабеля с металлическими элементами. Вероятное число повреждений ОК с металлическими элементами и внешним изолирующим шлангом, проложенным по открытой местности, можно определить по графикам ожидаемого числа повреждений кабеля на 100 км в год (см.рисунок 10.2).

При ориентировочных подсчетах электрическую прочность изоляции металлических элементов относительно земли можно принять U_пр » 150 кВ. Интенсивность грозовой деятельности в районе проектируемого участка определяется по сведениям метеостанций (средняя продолжительность гроз 20 ч/год). Исходя из графиков, определяют вероятное число повреждений n. Вероятное число повреждений, полученное из графиков, относится к отрезку линии длиной 100 км.

 

Рисунок 10.2 -  Ожидаемое число повреждений кабеля (n) на 100 км длины в год (ρ – удельное сопротивление грунта)

 

Для определения абсолютного значения вероятного числа повреждений участка длиной L, число повреждений нужно умножить на отношение длин:

 

                                             .                                              (10.3)

 

Полученные данные  сравнивать непосредственно с нормой нельзя, т.к. последние относятся к участку линии длиной 100 км. Для их сравнения допустимое число опасных ударов молнии приводят к этой же длине (допустимое число опасных ударов молнии для зоновых линий связи равно 0,5):

 

                                        .                                      (10.4)

 

Исходя из полученных данных, делают вывод, нужно ли применять дополнительные меры защиты кабеля от ударов молнии [10, с. 177-184].

 

 

Лекция 11. Коррозия подземных кабелей связи

 

Цель лекции: изучить причины возникновения коррозии и методы борьбы с ней.

 

Коррозия-процесс разрушения металлических оболочек кабелей, а также защитных и экранирующих покровов вследствие химического, механического и электрического воздействия окружающей среды. Коррозия приводит к потере герметичности кабелей связи, ухудшению их электрических свойств и возможно выводу кабеля из строя.

Различают 3 вида коррозии:

-         почвенную (электрохимическую);

-         межкристаллитную (механическую);

-         электрокоррозию (коррозию блуждающими токами).

 

Почвенная коррозия – процесс разрушения металлической оболочки кабеля, вызванный электрохимическим взаимодействием металла с окружающей его почвой.

Основными причинами, вызывающими почвенную коррозию, являются: содержание в почве влаги, органических веществ, солей, кислот, щелочей, неоднородность оболочки кабеля, неоднородность химического состава грунта, соприкасающегося с оболочкой кабеля. В результате на поверхности металла образуются гальванические пары, что сопровождается циркуляцией тока между металлом и окружающей средой. В местах выхода токов из оболочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в которых и происходит разрушение оболочки.

Меры защиты:

- выбор трассы с менее агрессивным грунтом (песок, глина, суглинок, нежирный чернозем;

- применение кабелей с герметичными полиэтиленовыми шлангами поверх металлических оболочек (для алюминия и стали);

- протекторные установки (принцип катодной станции).

 

Межкристаллитная коррозия- возникает вследствие вибрации кабеля при его транспортировке на значительные расстояния, прокладке кабеля вблизи железных дорог с большим грузовым движением, на мостах автомобильных дорог, а так же при подвеске на опорах воздушных линий.

В свинцовой оболочке кабеля при межкристаллитной коррозии появляются мелкие трещины, которые, увеличиваясь за счет продуктов коррозии, приводят к дальнейшему разрушению металла и распаду некоторых участков оболочки.

Меры защиты: антивибрационные амортизирующие рессорные подвески.

Электрическая коррозия - процесс разрушения металлических оболочек кабеля за счет блуждающих токов в земле.

Источниками блуждающих токов могут быть рельсовые пути трамвая, электрифицированных железных дорог, метрополитена, установок дистанционного питания, использующих в качестве обратного провода землю.

На электрифицированных железных дорогах и трамвайных сетях питающий ток, возвращаясь по рельсам к питающей подстанции, частично отводится в землю. Проходя по земле и встречая на своем пути металлическую оболочку кабеля, ток распространяется по этой оболочке, а затем сходит с оболочки в землю и к рельсу, чтобы возвратиться к другому полюсу генератора. Те участки кабеля, на которых блуждающие токи входят в кабель, образуют катодную зону.  Участки кабеля, на которых блуждающие токи выходят из кабеля в землю, образуют анодную зону, в которой происходит разрушение оболочки кабеля (см. рисунок 11.1).

Рисунок 11.1-Схема прохождения блуждающих токов

 

Анодной зоной  называется участок кабеля, на котором он имеет положительный электрический потенциал по отношению к окружающей среде. В этой зоне токи стекают с оболочки, унося частицы металла и разрушая ее.

1 А блуждающего тока приводит к потере в течение года 12 кг стали, 36 свинца, 100 кг алюминия.

Катодной зоной  называется участок, на котором он имеет отрицательный электрический потенциал по отношению к окружающей среде. В этой зоне ток втекает в оболочку, не создавая опасности ее разрушения.

Знакопеременной зоной  называется участок, на котором имеет место чередования положительных и отрицательных потенциалов по отношению к земле.

Интенсивность электрокоррозии металлической оболочки зависит от тока и напряжения в ней. По действующим нормам напряжение и плотность тока не должны превышать: Vк<-0,9 В, Iк<0,15 мА/дм². При больших значениях требуется защита кабеля от электрокоррозии.

Меры защиты: электрический дренаж и катодная станция.

Электрический дренаж – это отвод блуждающих токов с защищаемого кабеля посредством проводника (см. рисунок 11. 2).

Рисунок 11.2 – Электрический дренаж

 

Дренаж подключается к кабелю в середине анодной зоны, т.е. там, где кабель имеет наибольший положительный потенциал по отношению к земле. Блуждающие токи по дренажному кабелю отводятся из оболочки защищаемого кабеля к рельсам или минусовой шине, питающей подстанции. В результате анодная зона на кабеле превращается в катодную.

Катодные станции.  Принцип действия катодной защиты состоит в том, что к оболочке кабеля, имеющей положительный потенциал по отношению к земле, присоединяется положительный полюс от постоянного тока, тем самым, придавая оболочке отрицательный потенциал. Таким образом, напряжение источника тока переводит анодную зону на оболочке кабеля в катодную. Положительный полюс источника тока заземляют. Принцип работы катодной станции показан на рисунке 11.3.

 

Рисунок 11.3

 

Протекторная защита по принципу работы отличается от катодной только тем, что для создания отрицательного потенциала на оболочке кабеля в анодной зоне защищаемую оболочку соединяют не с источником постоянного тока, а с металлическим электродом (протектором). Протектор имеет собственный электрохимический потенциал, более отрицательный, чем потенциал металла оболочки. Схема протекторной защиты показана на рисунке 11.4.

При протекторной защите потери металла вследствие коррозии не прекращаются, только коррозионный процесс с защищаемого кабеля перемещается на протектор. Таким образом, анодная зона с защищаемого кабеля переносится на протектор, который, являясь анодом, разрушается.

 

1 – кабель связи;

2 – протектор.

Рисунок 11.4- Схема протекторной защиты кабеля от коррозии

 

 

Лекция 12. Строительство линейных сооружений электросвязи

 

Цель лекции: ознакомить с организацией работ по строительству линейных сооружений электросвязи

 

Основными видами работ при строительстве линейных сооружений являются:

- строительство телефонной кабельной канализации;

- прокладка кабелей в кабельной канализации, коллекторах, тоннелях, по мостам, стенам зданий и подвеска кабелей;

- монтаж кабельных линий связи;

- устройство вводов кабелей.

 

Прокладка кабеля в канализации

 

В каналах телефонной канализации прокладывают как электрические, так и оптические небронированные кабели связи. Прежде чем приступить к прокладке кабеля в канализации, необходимо провести соответствующую подготовку каналов трубопровода.

Подготовительные работы начинаются с так называемой «заготовки каналов», которая может быть выполнена из металлических полых палок (чаще всего дюралюминиевых), которые снабжены по концам винтовыми штырями и втулками. Палки последовательно свинчивают одна с другом и вводят в канал. На конец первой палки навинчивают наконечник. Когда наконечник появится в соседнем колодце, к нему крепят стальную проволоку диаметром 3 мм и выталкивают палки обратно, постепенно их отвинчивая. После вытаскивания всех палок в канале остается проволока — это и есть заготовка. Если заготовка выполняется на прямолинейном участке канализации, то палки, не развинчивая, пропускают в канал следующего пролета. Способ заготовки каналов из палок достаточно трудоемок, однако он не требует дополнительных механизмов и приспособлений.

Известны также способы заготовки при помощи пневматического каналопроходчика, упругой стальной ленты, полиэтиленовой трубки, стеклопластиковых прутков. Если заготовка выполняется в занятых каналах, то необходимо принять меры, исключающие повреждение проложенных кабелей.

После заготовки проверяют исправность канала. Для этого к заготовке крепят пробный цилиндр, а за цилиндр крепят металлическую щетку, диаметр которой равен диаметру канала. Пробный цилиндр, проходя по каналу, удаляет наплывы на стыках труб, а щетка удаляет из канала мелкий мусор и остатки грунта. При большой засоренности канала его прочищают специальным совком с острыми краями, который навинчивают на конец первой палки.

1 – кабель;

2 – колодец;

3 – трубопровод;

4 – чулок;

5 – компенсатор;

6 – блок;

7 – кабельное колено;

8 – лебедка.

Рисунок 12.1- Схема затяжки кабеля

 

После проверки исправности каналов приступают к затягиванию кабеля. Кабели емкостью до 100 пар затягивают в пролеты канализации, как правило, вручную. Тяжелые кабели затягивают с помощью механизмов следующим образом. Кабельную тележку или козлы-домкраты с кабелем устанавливают у колодца со стороны, обращенной к направлению протяжки . При этом кабель должен поступать в колодец обязательно с верха барабана. Кабельную машину или лебедку устанавливают у второго колодца. Стальной канат лебедки соединяют с заготовкой и вытягивают в колодец, у которого установлен барабан с кабелем. Конец каната соединяют с помощью концевого стального чулка с концом кабеля, а затем лебедкой затягивают кабель в канал.

Для подтягивания конца кабеля в колодце используют сквозной кабельный чулок, а для подтягивания кабеля в промежуточном колодце – разрезной чулок. Во избежание кручения кабеля канат соединяют с чулком через компенсатор кручения, чтобы предохранить оболочку кабеля от повреждения о края отверстия канала, в него вставляют разъемную предохранительную втулку или кабельное колено. На рисунке 12.2 показаны основные устройства для затяжки кабеля в трубопровод.

 

а – чулки кабельные (1 – концевой; 2 – сквозной;

3 – разрезной);

б – компенсатор кручения;

в – предохранительная втулка;

                   г – колено кабельное.

Рисунок 12.2 -Приспособления для затяжки кабеля в трубопровод

 

После затяжки концы кабеля хорошо заделывают и укладывают на консоли. В зимнее время кабели в свинцовых оболочках можно протягивать при температуре до –20 °С, а кабели в пластмассовых оболочках – при температуре не ниже –10 °С.

Прокладка оптических кабелей в кабельной канализации. Волоконно-оптические линии связи, проходящие в черте населенных пунктов, как правило, прокладывают в телефонной канализации. Основу составляют трубы круглого сечения диаметром 100 мм – асбоцементные, бетонные или пластмассовые.

Телефонную канализацию прокладывают на глубине       0,4…1,5 м отдельными блоками, герметично состыкованными между собой. Через 80…150 м по трассе телефонной канализации размещают смотровые устройства – телефонные колодцы. По стенкам колодцев имеются особые консоли, на которых укладывают кабели, а в местах стыка двух строительных длин – кабельные муфты.

Устройство для размотки ОК с кабельного барабана устанавливают в начале трассы у люка входного колодца, со стороны входа в канал кабельной канализации. Барабан ставят таким образом, чтобы размотка ОК шла с его верхней части. На трассе во всех местах, где происходит изменение ее направления от прямолинейного, расставляют направляющие устройства.

Перед прокладкой ОК верхний на барабане конец строительной длины, с которого начнется протяжка, должен быть оснащен специальным наконечником. Заготовочную проволоку или трос присоединяют к концу наконечника, укрепленного на конце ОК.

При затягивании ОК вручную скорость прокладки может составлять 5…7 м/мин. Процесс затягивания должен осуществляться равномерно, без резких рывков и остановок ОВ, с соблюдением минимально допустимого радиуса изгиба кабеля.

Оптические кабели, по сравнению с электрическими, имеют существенно меньшую массу. Поэтому в телефонной канализации их можно затягивать на прямолинейных участках длиной до 1 км, а на трассе с изгибами длину кабеля уменьшают до 0,5 км. Общее число оптических кабелей в одном канале не должно превышать трех, а суммарная площадь сечения этих кабелей (20...25)% площади сечения канала.

Для уменьшения трения кабель при протяжке смазывают тонким слоем технического вазелина. Чтобы исключить воздействие растягивающих усилий на оптические волокна, используют специальное устройство захвата оптического кабеля, которое обеспечивает восприятие всей нагрузки армирующими элементами кабеля.

Для увеличения длины затягиваемых оптических кабелей и повышения надежности их работы в эксплуатации находят применение пластмассовые трубки диаметром 30...40 мм. Эти трубки затягивают по две-три одновременно в каналы трубопроводов канализации. Оптические кабели затягивают в эти малые трубки уже при более благоприятных условиях и со значительно меньшим коэффициентом трения.

После прокладки ОК  выкладывают по форме колодцев и укладывают на консоли. Как правило, ОК укладывают в ближайшем по вертикали ряду консолей, в ближнем к кронштейну ручье консолей. В точках поворота ОК можно закрепить с помощью липкой ленты или мягкой проволоки.

После выкладки ОК оптические волокна проверяют на отсутствие обрыва путем их просвечивания и сдают для проведения монтажных работ. До проведения монтажа концы ОК должны быть защищены от механических повреждений и попадания влаги.

 

 Прокладка кабелей по мостам, стенам зданий и подвеска на опорах

Прокладка кабелей по мостам. В черте города переходы кабелей связи через реки, как правило, делают по мостам. Способ прокладки кабеля зависит от конструкции и габаритов моста и в каждом случае определяется отдельным проектным решением. Обычно кабель прокладывают в трубах, проложенных под пешеходной частью, так же, как и в обычной телефонной канализации. Трубы укладывают под пешеходной частью моста в один или два ряда. С обеих сторон моста сооружают колодцы, из которых выводят трубы для укладки на мосту При большой длине пролетной части моста в тротуарах делают специальные смотровые устройства.

При невозможности прокладки кабелей в трубопроводах их прокладывают в огнестойкие желоба, укрепляемые с боковой стороны или под пешеходной•частью моста. Если через мост нужно проложить один кабель, то его можно подвесить на тросе, прикрепляемом к ферме моста.

Под действием вибрации оболочки кабелей (особенно свинцовые), проложенных по мостам, быстро стареют и разрушаются. Для уменьшения действия  вибрации применяют амортизирующие устройства. К числу таких устройств относятся упругие основания из песка, резиновой крошки, специальные пружинные амортизаторы. Кабели по мостам по возможности прокладывают одной строительной длиной, чтобы избежать монтажа муфт. В местах перехода кабелей с моста на берег оставляют запас в виде петли.

Прокладка кабелей по стенам зданий. При устройстве кабельных вводов распределительной сети часто приходится распределительные кабели вводить в здания по наружной стене и далее путем открытой прокладки по стене на уровне второго этажа с ответвлением в каждый подъезд. Вывод кабеля из подземного трубопровода на наружную стену здания осуществляется через изогнутую стальную трубу с внутренним диаметром 50 мм. Сопряжение этой трубы с подземной асбестоцементной трубой производится с помощью бетонной или деревянной пробки. Выводы кабеля из подземной канализации на стену здания можно делать также из полиэтиленовых труб наружным диаметром 63 мм одной длиной от колодца до стены, включая изгиб при выводе на стену. На участках вертикальной прокладки кабель защищают от механических повреждений стальными желобами высотой до 3 м.

Монтаж оптических кабелей

На ГТС оптические кабели связи используют на соединительных линиях между станциями и прокладывают в телефонной канализации, поэтому монтаж соединительных муфт кабеля осуществляется в основном в кабельных колодцах.

Способы сращивания ОВ. В настоящее время для соединения ОВ кабелей связи применяется сварка ОВ. Сварку проводят с помощью электрической дуги, кислородно-водородной горелки, хлороводородной горелки, СО-лазера, плазменного генератора. Из всех способов практическое применение при монтаже ОК в процессе строительства и эксплуатации ВОЛС нашел только способ сварки с помощью электрической дуги.

При сварке одномодовых волокон приходится решать сложные инженерные задачи, связанные с необходимостью обеспечения малых значений осевого и углового смещений, например, осевое смещение свариваемых одномодовых ОВ не должно превышать 0,1 мкм. Жесткий допуск по смещению продольных осей соединяемых одномодовых ОВ обусловлен тем, что силы поверхностного натяжения не могут обеспечить для данного типа волокна с диаметром сердцевины 5…8 мкм точную юстировку. Такие допуски при юстировке одномодовых ОВ не могут быть достигнуты вручную.

В комплектах для сварки одномодовых ОВ используются системы автоматической юстировки со специальными микроподвижками, системой контроля качества юстировки и электронным блоком управления. Известны два основных способа контроля качества автоматической юстировки ОВ.

При первом способе качество юстировки оценивают по уровню мощности оптического сигнала, проходящего через стык ОВ, а ввод и вывод оптического излучения в ОВ осуществляют через участки изгиба волокна в специальных устройствах.

При втором способе принцип работы системы контроля заключается в следующем. Если пучок света падает перпендикулярно на торец ОВ, то возникает отраженный поток света, анализ распределения мощности которого позволяет определять профиль показателя преломления и выявлять максимум оптической мощности, т.е. оптическую ось.

Как правило, потери на стыках одномодовых ОВ, выполненных методом сварки, выполненной автоматическим сварочным аппаратом, составляют 0,05…0,01 дБ.

Разъемное соединение оптических кабелей. Разъемные соединители применяются в оконечных разделочных муфтах и     19-дюймовых полках, а также в промежуточных кроссах.

Соединитель SC, дизайн которого принадлежит японской фирме NTT, считается самым перспективным, и применяется во всех отраслях, связанных с ВОЛС. Соединитель ST применяется в сетях передачи данных. Резьбовой соединитель FC преимущественно используется с одномодовым волокном, но менее удобен, чем SC, кроме того, он не имеет дуплексного аналога.

Поэтому для линии связи целесообразно применять соединители типа SC и ST. Вносимые потери при применении соединителей SC для волокна SMF составляют менее 0,5 дБ; соединителей SТ для волокна SMF составляют менее 0,7 дБ [7, с. 44].

Типовые значения потерь в разъемных соединителях различного типа приводятся в таблице 12.1.

 

Таблица 12.1-Параметры основных типов разъемных соединителей волоконных световодов.

 

В случае использования переходных розеток с одного типа соединителя на другой значение потерь принимается равным потерям, вносимым одним ST-коннектором с керамическим наконечником.

Коммутационно-распределительные устройства. Муфты. Основными требованиями к конструкции коммутационно – распределительных устройств являются:

- надежная защита световодов оптического кабеля от механических повреждений;

- возможность закрепления концов кабеля;

- удобство размещения в корпусе технологического запаса волокна с соблюдением заданного радиуса изгиба, защитных гильз сварных соединителей и корпусов, механических сплайсов (при их наличии). Потребность в таком запасе обусловлена как необходимостью выноса сращиваемых волокон за пределы корпуса муфты, например, для установки в сварочный аппарат, так и необходимостью обеспечения возможности повторного сращивания в случае обнаружения каких-либо дефектов;

- создание простого и удобного доступа к волокнам, сплайсам, розеткам и коннекторам разъемных соединителей во время ремонтных и профилактических работ;

- обеспечение удобства подключения коннекторов и розеток разъемных оптических соединителей;

- хорошие массогабаритные показатели в сочетании с большой емкостью и высокой плотностью упаковки оптических портов.

Промежуточные (линейные) защитные муфты применяются главным образом для сращивания кабелей внешней прокладки. Потребность в установке муфты возникает при ремонтах поврежденного кабеля, а также при переходе с кабеля большей емкости на два или более кабеля меньшей емкости.

Муфты обеспечивают размещение технологического запаса волоконных световодов, укладку защитных гильз или сплайсов сростков на специальных кассетах и защиту их от механических повреждений, предохранение внутреннего объема оптических кабелей от воздействия влаги. Смонтированные муфты укладываются в коллекторах и колодцах кабельной канализации, имеются варианты, допускающие укладку непосредственно в грунт, болото или под воду на глубину до 10 м, а также для подвески на столбах воздушных линий связи.

Основой муфты являются полимерный или металлический корпус в форме цилиндра или параллелепипеда (реже – диска), в котором размещается лоток с кассетами для укладки оптических сростков и механические фиксаторы кабелей. В конструкции муфты предусматриваются элементы герметизации внутреннего объема, а также обеспечения непрерывности броневых и упрочняющих элементов кабеля (см. рисунок 8.6).

Корпус муфты может состоять из двух частей, разделенных в продольном направлении. Нижняя часть используется в качестве монтажного основания для лотка с кассетами, верхняя часть выполняет функцию крышки. На таких корпусах часто имеются внешние ребра жесткости. Во втором варианте корпус муфты представляет собой цельный цилиндр, который надвигается на лоток после завершения операций сращивания и укладки световодов. Такой корпус обычно закрепляется с двух сторон конусообразными переходами.

 

1 – оптический кабель;

2 – волокно;

3 – сросток;

4 – термоусаживаемая муфта.

 

Рисунок 12.3- Кабельная муфта

 

При монтаже соединительных муфт на ОК на подводных переходах для электрического соединения металлических проволок, соединяемых строительных длин кабеля и обеспечения высокой механической прочности применяется специальный каркас, состоящий из двух фланцевых дисков и фиксирующих трубок между ними.

Очень важным этапом, от которого зависит надежность работы ОВ, являются выкладка их в кассете и фиксация защитных гильз. Для предотвращения выпадения гильз между фиксаторами вводят небольшое количество липкого полиизобутиленового компаунда. Кассету закрывают крышкой и в двух местах скрепляют липкой лентой. Одновременно к ней прикрепляют паспорт на смонтированную муфту.

 Устройство вводов кабелей связи

Основные оконечные кабельные устройства ГТС размещают в помещении кросса телефонной станции (защитные полосы, рамки, разделительные блоки) и в распределительных шкафах (кабельные боксы).

Способ ввода кабелей связи в здание телефонной станции зависит от емкости и расположения станции, а также размещения линейного оборудования внутри здания. Для станции большой емкости кабели связи вводят, как правило, через кабельные шахты .

Кабельные шахты устраивают в помещениях подвальных этажей зданий телефонных станций, как правило, непосредственно под помещением кросса. Рядом со станцией обычно сооружают два станционных колодца, которые соединяют с шахтой вводными блоками асбестоцементных труб. В некоторых случаях станционные колодцы соединяют с шахтой коллектором или тоннелем Вводные блоки, коллекторы и тоннели должны иметь уклон в сторону станционных колодцев Шахту оборудуют кронштейнами и консолями, на которые укладывают магистральные кабели. В шахте на вводимых магистральных и межстанционных кабелях монтируют газонепроницаемые муфты, обеспечивающие возможность содержания кабелей под избыточным давлением воздуха. Здесь же эти кабели большой емкости распаивают в муфтах-перчатках на стопарные кабели, которые группируют в пакеты, и через патрубки в межэтажных перекрытиях подают на оконечные устройства, устанавливаемые в помещении кросса. Если помещение кросса телефонной станции размещается на несколько этажей выше шахты, то распайка вводных кабелей на стопарные может производиться в помещении, находящемся над шахтой. Такое помещение называется перчаточной.

 

 

1 – вводный блок;

2 – газонепроницаемые муфты;

3 – разветвительные муфты (перчатки);

4 – пакеты стопарных кабелей;

5 – патрубки;

6 – оконечные кабельные устройства.

 

Рисунок 12.4- Ввод кабелей в станцию через шахту

 

На станциях небольшой емкости вместо шахт используют приямки, в которых кабели распаивают и подают непосредственно к кабельным оконечным устройствам.

Во избежание проникновения из кабельной канализации в здание станции воды и газа все свободные и занятые кабелями каналы вводных блоков должны быть герметично заделаны деревянными пробками (свободные) и пропитан­ной маслом паклей (занятые).

Распределительные шкафы размещают в месте соединения пар магистральных кабелей с парами распределительных кабелей. В настоящее время распределительные шкафы в основном размещают в нишах внутри зданий в подъездах, коридорах или в специально выделенных помещениях.

Выбор трассы прокладки линии связи. При выборе оптимального варианта трассы кабельной линии исходят из того, что линейные сооружения являются наиболее дорогой и сложной частью сети связи, поэтому при проектировании особое внимание должно быть обращено на уменьшение удельного веса расходов по строительству и эксплуатации линии, эффективную и надежную ее работу. Минимальные расходы достигаются при выборе трассы наименьшей протяженности и уменьшении объема строительных работ, в особенности ручных (немеханизированных), а также снижением затрат на защиту линий связи от механических влияний и коррозии. При выборе трассы линии необходимо учитывать вопросы удобства эксплуатации и пригодность площадок для размещения обслуживаемых и необслуживаемых усилительных (регенерационных) пунктов.

Трасса выбирается преимущественно вдоль автомобильных и грунтовых дорог. В виде исключения, для значительного спрямления, трасса может отходить от них, прокладываться вдоль железных дорог с соблюдением допустимой ширины сближения. Также возможно применение метода воздушной подвески специальных оптических кабелей на железных дорогах или опорах линий электропередачи.

При выборе трассы необходимо иметь в виду также и обеспечение междугородной связью крупных населенных пунктов, расположенных по трассе с одновременным размещением в них обслуживаемых усилительных (регенерационных) пунктов (ОРП).

Места перехода через судоходные и сплавные реки выбираются вдали от мест, где суда бросают якоря или скапливается сплавляемый лес, преимущественно на участках наименьшей ширины реки с пологими берегами и ровным дном с тем, чтобы обеспечить механизированную прокладку. Трасса должна располагаться не менее 300 м ниже по течению реки от железнодорожных мостов и мостов магистральных шоссейных дорог и не менее 50 м от мостов шоссейных и грунтовых дорог местного значения. При прокладке через судоходные и сплавные реки на расстоянии     300 м от основного предусматривается резервный кабель. Переходы через реки выполняются кабелеукладчиком на вытянутых тросах с предварительной планировкой берегов.

На территории городов с благоустроенными улицами кабель прокладывается в телефонной канализации, при этом следует стремиться к максимальному использованию существующей канализации. Сооружение новой канализации и прокладку бронированного кабеля в черте населенного пункта необходимо предусматривать преимущественно под тротуаром или пешеходной частью улицы. В стесненных условиях при близком расположении строений, кабелей, при пересечении с коммуникациями, работы по прокладке телефонной канализации и кабеля производят вручную.

Пересечение автодорог с твердым покрытием производят методом горизонтального бурения с прокладкой двух асбестоцементных труб (основной и резервной), через грунтовые дороги кабелеукладчиком с последующей защитой кирпичом.

Для фиксации кабеля на местности предусматривается установка железобетонных замерных столбиков. Если волоконно-оптические кабели прокладываются непосредственно в грунте, может оказаться целесообразным использование следующих способов определения трассы кабеля: установка наземных столбиков как системы маркирования; прокладка одновременно с кабелем специального провода, определяющего его местоположение; либо установка специальных маркеров в местах, где имеются сростки.

Вводы проектируемого кабеля на АТС оконечного пункта выполняются в свободных каналах существующих блоков кабельной канализации.

Монтаж и прокладка оптического кабеля с учетом выбранной трассы. При строительстве ВОЛС выполняются следующие работы: разбивка линии; доставка кабеля и материалов на трассу; испытание, прокладка и монтаж кабеля, устройство вводов. При прокладке кабеля в пределах города сооружается кабельная канализация, в полевых условиях кабель кладется непосредственно в землю на глубину 1,2 м.

При строительстве решают вопросы прокладки кабеля в канализации и грунте, монтажа оптического кабеля, предусматривают меры защиты ВОЛС от влияния воды, грозы, грызунов.

Для прокладки междугородных ОК в грунт в настоящее время получили применение три способа: прокладка кабелеукладчиком, траншейная прокладка и прокладка кабеля в пластмассовой трубе.

Бестраншейный способ прокладки кабеля с помощью кабелеукладчика, благодаря высокой производительности и эффективности, является основным. Он широко применяется на трассах с размытыми рельефами местности и разными грунтами. Для прокладки используются кабелеукладчики с активными и пассивными рабочими органами. С помощью ножевого кабелеукладчика в грунте прорезается узкая щель, и кабель укладывается на ее дно на заданную глубину залегания 0,9…1,2 м. При этом на кабель действуют механические нагрузки. Кабель на пути от барабана до выхода из кабеленаправляющей кассеты подвергается воздействию продольного растяжения, поперечного сжатия и изгиба, а в случаях применения вибрационных кабелеукладчиков – вибрационному воздействию. В зависимости от рельефа местности и характера грунтов, конструкции и технического состояния кабелеукладчиков, а также режимов его работы механические нагрузки на кабель могут изменяться в широких пределах.

Обязательной является планировка трассы перед прокладкой ОК бульдозером. Подъемы и уклоны трассы не должны превышать 30^○. При прокладке ОК в сложных грунтах обязательно должна применяться предварительная пропорка грунта. Цель предварительной пропорки – обнаружение скрытых препятствий, которые могли бы повредить кабель. При обнаружении таких препятствий грунт на этих участках разрабатывается с помощью бурильных и взрывных работ, машин и механизмов для разработки траншей и т.п.

Прокладку кабеля рекомендуется выполнять под постоянным оптическим контролем. Контроль осуществляется по результатам измерения затухания ОВ кабеля с помощью оптического тестера, оптического рефлектометра или других аналогичных средств измерения.

Прокладка оптического кабеля на переходах через подземные коммуникации. На пересечениях с шоссейными, железными дорогами, продуктопроводами и другими коммуникациями ОК затягивают в асбоцементные или пластмассовые трубы, которые прокладываются закрытым (горизонтальным проколом, бурением) или открытым способом. Прокладка труб под препятствиями, как правило, проводится до начала прокладки кабеля в районе пересечения. При этом необходимо отдавать предпочтение таким способам, при которых не требуется разрезать ОК. При подходе кабелеукладчика к подземному препятствию ОК сматывают с барабана и укладывают «восьмеркой». Затем протягивают кабель под препятствием в заготовленную трубу, снова наматывают на барабан, заряжают в кассету и продолжают прокладку.

Если под подземным препятствием труба не прокладывается, то проложить ОК без разрезания можно следующим способом. Под препятствием откапывают котлован, барабан с ОК снимают с кабелеукладчика и, освободив кабель от разборной кассеты, устанавливают на козлы перед препятствием. Кабелеукладчик перемещают за препятствие, опускают нож в котлован, заправляют предварительно протянутый под препятствием ОК в кассету и продолжают прокладку. Для предохранения кабель от перегибов под препятствием устанавливают кабельное колено или ролики. При этом необходимо обеспечивать свободную подачу кабеля с барабана, установленного на козлах, и подтяжку кабеля, проходящего по поверхности земли.

Для сокращения трудоемкости работ рекомендуется в местах пересечения использовать укороченные строительные длины ОК, так называемые короткомеры, которые по согласованию с заказчиком могут поставляться в небольшом количестве с кабельных заводов.

Прокладка оптического кабеля через водные преграды. Подводная прокладка рассматривается как часть или отрезок подземной прокладки, когда приходится пересекать реки, ручьи, болота, озера, искусственные водоемы, каналы. По действующим нормам прокладки кабеля связи через судоходные реки, сплавные и несудоходные реки глубиной до 3 м проводится с минимальным заглублением до 1 м. Без заглубления прокладка допускается при глубине водоемов более 8 м по согласованию с организациями, эксплуатирующими водоем. Заглубление кабеля в дно неглубоких каналов или рек является обязательным. Практически целесообразность заглубления кабеля и его величина определяется проектом.

Для такой прокладки используются ОК с металлическими упрочняющими элементами и металлическими оболочками. Эти кабели более герметичны, и их механические характеристики позволяют использовать традиционные технические средства прокладки.

Кабелеукладчики рекомендуется применять только на мелководье, так как на больших глубинах невозможно проконтролировать процесс прокладки кабеля. Грунты при этом не должны быть выше III категории.

Прокладка ОК без металлических элементов через отдельные водные преграды вызывает определенные трудности. Например, не исключается возможность всплывания кабеля при небольших перемещениях донных грунтов. При сильном течении кабель находится под дополнительной нагрузкой и нужно контролировать, чтобы уровень этой нагрузки не превысил допустимый. Поэтому прокладку кабеля рекомендуется выполнять с применением укладки защитного трубопровода и его заглублением в дно. Полиэтиленовые трубки, а на опасных участках стальные трубы могут прокладываться (как подземный кабель) на глубине до 1,2 м. Преимуществом применения трубок является то, что при встрече с неожиданным препятствием (даже при пропорке грунта) возможные повреждения ограничиваются трубкой, а не кабелем.

При прокладке магистральных ОК первичной сети на переходах через внутренние водные пути – судоходные и сплавные реки, водохранилища, осуществляется резервирование кабельного перехода путем прокладки кабелей по двум створам (верхнему и нижнему), расположенным на расстоянии не менее 300 м друг от друга. При наличии на трассе мостов автомобильных дорог общегосударственного и республиканского значения допускается прокладка одного из кабелей по мосту. При этом в основном и резервном кабелях включается по 50% ОВ.

При невозможности бестраншейной прокладки ОК кабелеукладчиками кабели на переходах через водные преграды прокладываются в предварительно разработанные подводные траншеи. Траншеи разрабатываются техническими средствами специализирующихся на подводных работах организаций. На судоходных реках подводные траншеи в русле при глубине до 0,8 м можно разрабатывать экскаваторами. При больших глубинах экскаваторы необходимо устанавливать на понтонах, перемещаемых по створу перехода с помощью тросов лебедками.

Весьма эффективным и простым средством разработки траншеи для прокладки ОК в несвязных и малосвязных грунтах являются гидромониторы, с помощью которых размывается грунт. Гидромониторы используются для размывания траншей глубиной до 2 м, на водных преградах глубиной 8…12 м при строительстве линии используют водолазов.

 

Лекция 13. Проектирование линейных сооружений электросвязи

 

Цель лекции: ознакомить с основными этапами проектирования.

 

Проект – комплексный технико-экономический документ, в котором техническая и экономическая стороны строительства неразрывно связаны. Проект должен содержать исследования, обосновывающие что, где и в какой очередности надо строить для сокращения сроков ввода в эксплуатацию объекта и получения наибольших результатов при наименьших затратах.

Линейные сооружения – наиболее дорогая, громоздкая и сложная часть сети связи. Проект линейных сооружений связи представляет собой обоснованное техническими и экономическими расчетами и изображенное графически решение по строительству проектируемого линейного сооружения, сети, здания отдельног о объекта, узла или подсистемы кабельной магистрали.

Проект может быть направлен на создание новых, вновь вводимых объектов, либо на реконструкцию уже существующих объектов с целью повышения качества их функционирования.

Последовательность проектирования. Сначала решаются вопросы обоснования экономической целесообразности и производственно-хозяйственной необходимости строительства и реконструкции.

Затем принимают основные объемно-планировочные, технологические, конструктивные и другие решения с дальнейшей детализацией.

Оптимизация проектирования. В процессе проектирования с целью нахождения оптимальных, квазиоптимальных или рациональных проектных решений используется многовариантность. Использование типовых проектов позволяет уменьшить трудоемкость проектирования, снизить затраты на проектные разработки, повысить их качество.

При проектировании сетей и линий связи используют ЭВМ: разрабатывают математическую модель системы, исследуют ее, оценивают и принимают решение по проектированию.

 

 Основные этапы проектирования

Технико-экономические обоснования. Решение о проектировании линий связи принимаются, исходя из схем развития и размещения магистральных, внутризоновых и местных сетей связи на основе технико-экономических обоснований, подтверждающих экономическую целесообразность и хозяйственную необходимость проектирования и строительства данного объекта. В ходе проектирования рассматривают возможность реконструкции действующих линейных сооружений связи и повышение их эффективности. Например, дополнительные каналы связи между пунктами могут быть получены не только путем строительства новых кабельных магистралей, но и повышением степени уплотнения существующих.

Примерный состав и содержание ТЭО проектирования строительства кабельной линии связи:

1      Введение. Цель строительства и основные положения задания на разработку ТЭО.

2      Исходные данные. Анализ состояния существующей первичной сети связи, численность населения.

3      Обоснование пропускной способности и систем передачи проектируемой магистрали. Обоснование числа каналов для передачи различных видов информации (телефонная связь, передача данных, Интернет, видеоконференцсвязь, аренда и т.п.); анализ технической и экономической целесообразности реконструкции существующих средств связи или строительство новой кабельной магистрали.

4      Выбор трассы магистрали и схема организации связи. Анализ вариантов прохождения трассы, мест размещения ОРП и НРП, сетевых узлов; схема организации связи с учетом обеспечения связью населенных пунктов, расположенных в районе прохождения трассы. Условия строительства и эксплуатации, приведенные затраты.

5      Основные технологические решения. Ситуационная схема трассы и ее обоснование; графические, метеорологические и геологические особенности трассы, наличие ЛЭП, электрифицированных железных дорог; рекомендуемые методы строительства линий связи; анализ условий эксплуатации; реконструкция и строительство станционных сооружений.

6      Основные строительные решения. Объемы и типы зданий ОРП, вспомогательные технические здания, объем жилищного строительства, возможности использования типовых проектов.

7      Сроки строительства. Сроки поставки основного оборудования и кабеля, рекомендации по очередности введения пусковых комплексов.

8      Себестоимость строительства, основные технико-экономические показатели. Стоимость строительства по различным конкурирующим вариантам, основные технико-экономические показатели.

9      Выводы и предложения. Общая оценка вариантов, рекомендации по стадийности проектирования, основные требования по проведению ОКТ и НИР.

 

Список литературы 

1.    Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи. – М.: Радио и связь, 1988. – 542 с.

2.    Ионов А.Д., Попов Б.В. Линии связи: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1990. – 168 с.: ил.

3.    Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учеб. пособие для вузов/ В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, В.И. Иванов и др.; Под ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева. – М.: Радио и связь, 1996. – 344 с.: ил.

4.   Денисьева О.М., Мирошников Д.Г. Средства связи для «последней мили». – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ-НТЦ НАТЕКС, 1999. – 137 с.: ил.

5.    Толковый словарь терминов по системам, средствам и услугам связи./ Докучаев В.А., Иванова О.Н. и др.; Под. ред. В.А. Докучаева. – М.: Радио и связь, 2000. – 256 с.

6.    Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2000. – 468 с.: ил.

7.    Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999. – 268 с.: ил.

8.    Семенов А.Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях связи. – М.: КомпьютерПресс, 1998. – 302 с.: ил.

9.    Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей. – М.: Радио и связь, 1983. – 416 с.

10.    Строительство и техническая эксплуатация ВОЛС./ Под ред. Б.В. Попова. – М.: Радио и связь, 1996. – 176 с.: ил.

11.   Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. – 672 с.: ил.