автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Особенности грозовых воздействий на оптические кабельные линии и мер их защиты применительно к районам Крайнего Севера Европейской части России

Колесников Олег Вячеславович

На правах рукописи

Ж

ОСОБЕННОСТИ ГРОЗОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ И МЕР ИХ ЗАЩИТЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЙОНАМ КРАЙНЕГО СЕВЕРА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики на кафедре «Линии связи».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Соколов С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Хромой Б.П.

кандидат технических наукХабибулин В.М. Ведущее предприятие: Концерн «Связьстрой»

Защита диссертации состоится « 2006 года в^£^4асов

на заседании диссертационного совета К219.001.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, г.Москва, ул. Авиамоторная, д.8а, ауд._£££7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ Автореферат разослан «Л5> ¿^/И^^&ЛрОб года

Ученый секретарь

диссертационного совета К219.001.03 Кандидат технических наук, доцент

Поборчая Н.Е.

aooGft

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Оптические кабели, в отличие от электрических, имеют малый диаметр, и как следствие, большое омическое сопротивление металлических элементов, а также высокую электрическую прочность диэлектрических конструктивных элементов.

Ток молнии, попадая в оптический кабель, имеющий в своей конструкции металлические элементы, может вызывать два типа повреждений - с перерывом связи и без перерыва связи. В первом случае ток молнии, протекая по металлическому элементу, нагревает его до высоких температур и в результате чего происходит оплавление оптических волокон. Во втором случае пластмассовая оболочка оптического кабеля, наложенная поверх металлической, под воздействием искровых разрядов подвергается многочисленным пробоям, число которых за грозовой сезон может достигать значительной величины. Через эти отверстия к металлической оболочке оптического кабеля попадает влага, разрушая ее, и, как следствие, возникает коррозия оптического волокна, приводящая к образованию микротрещин и с течением времени разрушению оптического волокна.

Следует учитывать, что повреждения оболочки кабеля могут достигать сотен метров. Поэтому длительность восстановительных работ велика и требует больших материальных затрат.

В настоящее время оптические кабельные линии только начинают проектировать и прокладывать в районах Крайнего Севера европейской части России, поэтому оценить параметры грозоповреедаемости оптических кабельных линий возможно только, определяя эти параметры, на эксплуатируемых долгое время электрических кабельных магистралях.

Одна из основных специфических особенностей проектирования защиты линий связи от ударов молнии заключается в том, что она осуществляется исходя из допустимого уровня повреждаемости. Такой подход обусловлен сложностью учета всего многообразия факторов, влияющих на повреждаемость, и значительным > удорожанием линии при стремлении ее полностью защитить. Поэтому особое

значение имеет достоверность оценки ожидаемой грозоповреждаемости и правильный выбор мероприятий по защите.

Несмотря на обширный материал, имеющийся в работах Е.Д. Зунде, И.С. Стекольникова, В.М. Мучника, М. Юмана, Б. Шонланда, К. Бергера. В.В. Бургсдорфа,. A.A. Алиэаде, М.И. Михайлова, С.А. Соколова, Э.М. Базеляна, Э.Л. Портнова, В.П. Ларионова, В.И. Левитова, Б.Н. Горина и др., до настоящего времени

отсутствует единое толкование как физических основ грозовой деятельности, так и вопросов влияния грозовых разрядов на подземные кабельные линии. Данные теоретических расчетов параметров грозоповреждаемости, выполненные по действующему «Руководству по защите подземных кабелей связи от ударов молнии» и экспериментальных исследований, этих же параметров, проведенные для различных территориальных зон России, как правило, не совпадают. Экспериментальные исследования параметров грозоповреждаемости кабельных магистралей, эксплуатируемых в районах Крайнего Севера европейской части России показывают, что они также не соответствуют расчетным. Следовательно, меры защиты от ударов молнии, спроектированные на основании теоретических расчетов будут не эффективны. Такой же результат будет очевидно и для вновь проектируемых оптических кабельных линий.

Основными особенностями территории исследуемого района, расположенного на севере европейской части России, являются:

- высокое удельное сопротивление грунта;

- редкие грозы при направлении ветров, как правило, с запада на восток;

- преобладающее направление трасс кабельных магистралей - с севера на юг.

Наличие таких особенностей требует дополнительного исследования параметров грозодеятельности на оптические кабельные линии.

Учитывая изложенное, особое значение приобретает обработка и анализ имеющегося статистического материала о грозоповреждаемости реальных электрических кабельных линий связи, проложенных в исследуемом районе и разработка методики, позволяющей применить полученные результаты на вновь проектируемые и строящиеся оптическиег кабельные линии с целью их защиты от ударов молнии.

Таким образом, достоверное определение параметров грозоповреждаемости на оптические кабельные линии в исследуемом районе позволит решить актуальную задачу оптимальной защиты оптических кабельных магистралей от грозовых воздействий и экономии денежных средств при их проектировании, строительстве и эксплуатации.

Цель работы

Целью диссертационной работы является определение достоверных параметров грозозащиты оптических кабелей связи, проектируемых в исследуемом

районе Крайнего Севера европейской части России, и разработка на их основе оптимальных методов защиты оптических линий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научно-технические и прикладные задачи:

- выявление и исследование основных факторов, определяющих грозоповреждаемость оптических кабельных линий связи в условиях европейского севера;

- определение реальной грозоповреждаемости действующих линий с учетом конкретных особенностей зоны;

- определение проводимости почвы в исследуемом районе на эквивалентной частоте, на которую приходится основная часть энергии грозового импульса;

- разработка методики расчета параметров грозодеятельности оптических кабельных линий связи с целью их защиты от ударов молнии;

- определение напряжений наведенных грозовым импульсом в металлических элементах конструкции оптических кабелей;

- усовершенствование, разработка и оценка эффективности защитных мероприятий;

- разработка предложений и рекомендаций по защите оптических кабелей от ударов молнии.

Методы исследования

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использовались элементы теории электрических цепей и теории электросвязи, теории вероятности и математической статистики. При проведении количественных расчетов использовался пакет программного обеспечения Mathcad 11 Enterprise Edition.

Научная новизна

1. Определены параметры грозовой деятельности; характер и возможные расстояния распространения токов молнии в грунте; напряжения в цепях «земля-броня» и «металлическая оболочка-броня», возникающие в точке удара молнии в кабель, либо при протекании токов молнии в земле вдоль кабеля.

2. Выявлено, что на грозоповреждаемость кабельных магистралей исследуемого района существенное влияние оказывает направление движения гроз относительно трассы кабельной магистрали.

3. Определено, что в резко неоднородных фунтах и грунтах с высоким удельным сопротивлением, грозоповреждаемость кабелей будет определяться в основном процессами дугообразования.

4. Разработана методика определения проводимости почвы на частоте 1590 кГц, используя значения проводимости на частотах 50 Гц и 300 кГц.

5. Разработана методика определения напряжения на металлических элементах оптического кабеля, которая учитывает реальные условия распространения грозового импульса по цепям, образованным внешними покровами кабеля «земля-броня» и «металлическая оболочка-броня».

6. Предложена более простая методика оценки вероятности плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии, позволяющая проводить экспресс-анализ по выбору требуемой марки кабеля при проектировании мер защиты от грозовых воздействий на оптические кабельные магистрали.

Реализация результатов

В результате анализа статистических данных о грозоповреждаемости электрических кабелей и теоретических исследований предлагаются графики для определения вероятности повреждения шланговых покровов оптических кабелей, проложенных в исследуемой зоне, при воздействии на них грозовых разрядов, дающие возможность рассчитать по ним параметры грозозащиты вновь проектируемых оптических кабельных магистралей.

Разработана методика, позволяющая определить удельную проводимость почвы в исследуемом районе для частоты тока молнии 1590 кГц. Используя предлагаемую методику, рассчитаны проводимости почв для районов Крайнего Севера европейской части России, что позволяет практически использовать полученные результаты при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий связи.

Предлагается методика оценки вероятности повреждений оптических кабелей ударами молнии, основанная на рекомендации К-25 «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии» и исследованиях, проведенных в главах 1 и 2, по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе.

Практическая ценность

Результаты диссертационной работы использованы:

- в НИР № 1701/03 «Разработка и обоснование технических решений по

в

монтажу электрических и оптических кабелей связи на оконечных устройствах объектов связи», проводимой в НИЛ-17 НИЧ МТУСИ, при проведении учебных занятий на кафедре линий связи по дисциплине «Направляющие системы электросвязи».

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий, проектируемых в исследуемой зоне европейского севера России, что будет способствовать экономии денежных средств, выделяемых на грозозащиту.

Основные положения, выносимые на защиту

- оценка параметров грозоповреждаемости оптических кабельных линий возможна путем исследования с помощью разработанной методики определения параметров грозодеятельности эксплуатируемых долгое время электрических кабельных магистралей,

- грозоповреждаемость линий связи, проложенных в исследуемой зоне, существенно зависит от направления передвижения гроз относительно трассы магистрали,

- грозоповреждаемость кабелей зависит от прокладки в резко неоднородных фунтах с высоким удельным сопротивлением,

- разработанная методика определения проводимости почвы на частоте 1590 кГц, позволяющая использовать имеющиеся в литературных источниках данные о проводимости почв на частотах 50 Гц и 300 кГц,

- разработанная методика определения напряжения на металлических элементах оптического кабеля, которая учитывает реальные условия распространения грозового импульса (с учетом отражений) по цепям, образованным внешними металлическими покровами кабеля.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ, Москва, 2003 - 2006 годы; на научных семинарах кафедры Линии связи МТУСИ, Москва 200"4 - 2006 годы.

Основное содержание диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 12 печатных работах.

Объем и структура работы

Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение и список литературы. Она изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 97 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, охарактеризовано состояние исследуемого вопроса, сформулирована цель работы, определены задачи и методы исследования. Сформулированы научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту.

8 первой главе определяется грозоловреждаемость подземных оптических кабельных линий связи от ударов молнии, используя статистические характеристики грозоповреждаемости, полученные на реальных кабельных магистралях, эксплуатируемых в исследуемом районе Крайнего Севера Европейской части России. Исследование грозоповреждаемости четырех реальных кабельных магистралей общей протяженностью 1798 км проводилось в период с 1967 по 2005 годы. Все исходные данные для расчета и оценки грозоповреждаемости кабельных магистралей соответствуют действующему «Руководству по защите подземных кабелей связи от ударов молнии». Анализ фактических и расчетных величин грозоповреждаемости кабельных магистралей показывает их несовпадение, поэтому особенно важно учитывать конкретные особенности рассматриваемой территории, иначе расчет приведет к ошибочным результатам.

Избирательная грозоловреждаемость реальных кабельных линий свидетельствует о наличии существенных территориальных изменений, влияющих на грозоловреждаемость. К ним относятся удельное сопротивление грунта, молниестойкость кабеля и интенсивность грозовой деятельности в районе прокладки кабельной магистрали.

Для получения обобщающих характеристик грозоповреждаемости, оценки их надежности и типичности рассчитаны средние величины грозоповреждаемости и показатели, характеризующие их изменение: Р - среднее число опасных ударов молнии за период наблюдения, Я • вариационный размах, А - среднее арифметическое отклонение, о1 - дисперсия, а - среднее квадратичное отклонение, (У„ - коэффициент вариации по вариационному размаху, С/, -коэффициент вариации по линейному отклонению, и„ - коэффициент вариации по

среднему квадратичному отклонению.

Данные расчета средних величин грозоповреждаемости и показателей, характеризующих их изменение трех исследуемых магистралей сведены в таблице 1.

Таблица 1.

Данные расчета средних величин грозоповреждаемости кабелей

Кабельная магистраль Р Я й <т2 а ий% и/А и.%

1 4,21 21 3,52 22,65 4,76 499 84 113

2 21,09 34 9,37 142,1 11,92 161 44 57

3 17,58 24 8,49 84,95 9,22 137 48 52

Анализ распределения повреждаемости по данным таблицы 1 показывает наличие существенной неравномерности в распределении числа опасных ударов молнии, как между магистралями в целом, так и внутри их. Наличие избирательной поражаемое™ кабельных магистралей доказывается путем применения к распределению грозоповреждаемости на участках распределения Пуассона.

Оценка влияния продолжительности грозовой деятельности на грозоповреждаемость кабельных магистралей проведена двумя способами: по изменению средней для конкретной территории продолжительности гроз по годам, и по изменению грозовой деятельности вдоль трасс кабельных линий. В таблице 2 приведены результаты количественного анализа связей между грозовой деятельностью и грозоповреждаемостью исследуемых кабельных линий связи.

Таблица 2

Показатели, характеризующие изменение продолжительности грозовой деятельности и повреждаемости на исследуемых магистралях

КМ № и.,%

Грозо-деятельность Повреждаемость Гроэо-деятельностъ Повреждаемость Грозо-деятельностъ Повреждаемость

1 147 346 39 83 47 102

2 202 158 46 42 62 49

3 121 341 33 93 38 116

Для выявления связей между грозодеятельностью и повреждаемостью во времени и по территории проводится корреляционный и дисперсионный анализы, которые дают возможность практического использования полученных результатов.

Анализ особенностей грозовых явлений в исследуемой зоне показал:

- на исследуемой территории показатель «продолжительность грозового дня» (в часах) обладает достаточной устойчивостью,

- показатель «продолжительность грозовой деятельности» (число дней с фозой за год) обладает существенной изменчивостью, как во времени, так и по исследуемой территории.

Анализ изменения уровней грозодеятельности по отдельным метеостанциям показал, что этот показатель на части территории может быть значительно больше, чем в среднем по зоне. Поэтому при проектировании защиты от грозы необходимо использовать не усредненные величины уровня грозодеятельности, а конкретные данные метеостанций, расположенных в районах будущих объектов связи.

Используя проведенные теоретические и экспериментальные исследования параметров грозозащиты электрических и оптических кабелей в исследуемом районе, построены графики вероятности повреждения шланговых покровов оптического кабеля связи при воздействии на него грозовых разрядов. Для построения графиков необходимо знание следующих данных: молниестойкость кабеля (допустимый ток молнии, не вызывающий повреждений оптических кабелей с перерывом связи), кА. интенсивность грозовой деятельности в районе прокладки оптического кабеля, удельное сопротивление грунта, Омм, электрическую прочность изоляции наружной защитной оболочки, кВ. Графики вероятности повреждения шланговых покровов оптического кабеля с перерывом связи по категориям молниестойкости приведены на рис. 1.

Рис. 1. Вероятности повреждения шланговых покровов ОК с перерывом связи по категориям молниестойкости

Графики построены с использованием экспериментальных данных,

полученных с трасс магистралей КМ-1, КМ-2, КМ-3, КМ-4.

Во второй главе исследуется один из основных параметров почвы, влияющий на грозоповреждаемость оптических кабелей - удельная проводимость (ст). В исследуемом районе выделяются три природно-климатические зоны: зона тундры, зона лесотундры и зона тайги. В тундре преобладают сплошные по вертикали мерзлые толщи мощностью до 600 метров. Глубина протаивания колеблется от 0,2 до 2 метров. В лесотундре мерзлые породы распространены на севере и прерывисто-мерзлые на юге. Глубина протаивания слоистых песков достигает 4 метров. В зоне тайги на севере мерзлая толща имеет массивно-островное строение. В остальной части распространены острова многолетней мерзлоты.

Расчет ожидаемого числа опасных ударов молнии учитывает два возможных варианта распространения токов молнии в земле при воздействии на кабель: образование электрической дуги от тока удара молнии в земле до кабеля и растекание токов без образования дуги (токи утечки).

Для исследуемой территории, характеризуемой сложными фунтами и грунтами с высоким удельным сопротивлением (условия для преимущественного развития поверхностного пробоя) более правильным является представление искровой зоны в виде проводящей плоскости. Радиус искровой зоны определяется из выражения:

W /и - ток молнии, кА;

Е0 - пробойная напряженность грунта в однородном поле, кВ/м;

£0, - пробивное напряженность фунта в неоднородном поле, кВ/м;

р, - удельное сопротивление фунта, Ом-м.

Анализ показал, что переход от искровой зоны в виде полусферы к представлению искровой зоны в виде проводящей плоскости приводит к увеличению опасной зоны вокруг кабеля в 1,7 раза. Это в большей степени сказывается на росте фозоповреждаемости высокодобротных кабелей, чем кабелей с низкой добротностью. Кроме того, наличие значительной неоднородности фунтов на большей части исследуемой территории (валунные пески с примесью фавия и гальки, болота, скальные выбросы и т.д.) способствуют образованию дуговых процессов при попадании токов молнии в фунт. Определение проводимости почвы в исследуемом районе для частоты 1 590 Гц, на которую приходится основная часть

энергии, оказывающей влияние на подземный оптический кабель, проводилось по результатам измерений проводимости земли на частотах 50 Гц и 300 кГц, которые имеются в литературе. Для этого использовалась специально разработанная методика. Результаты расчета проводимости почв для районов Крайнего Севера европейской части России приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Проводимость почв для районов Крайнего Севера европейской части России

1, Гц Район Ощ|П Отах РтШ Ртах

50 I 2.00Е-04 5.00Е-04 2000.0 5000.0

50 II 5.00Е-04 1.00Е-03 1000 0 2000.0

300000 - 1.50Е-02 2.00Е-02 50.0 66.7

1590 I 2.77Е-03 4.73Е-03 211.5 360.6

1590 II 3.97Е-03 6.20Е-03 161.3 252.0

Экспериментальное подтверждение методики определения проводимости почв в исследуемом районе проводилось на основании проведенных измерений проводимости почвы, по разработанной методике измерений и сравнений результатов с теоретическим расчетом. Результаты измерения удельного сопротивления грунта в исследуемом районе и данные расчета по предлагаемой методике приведены на рисунке 2.

Частап ^ц

Рис. 2. Измеренные и расчетные зависимости удельного сопротивления почвы от частоты для различных строений фунтов

Наблюдается хорошее совпадение теоретических и измеренных значений удельного сопротивления почвы, что подтверждает возможность использования предлагаемой методики для практических расчетов удельного сопротивления почвы

при проектировании защиты оптических кабельных линий от ударов молнии.

В третьей главе определены напряжения, наведенные на металлических элементах оптического кабеля О КЛАК - 01 - 0,3/2,0 - 8/4. Этот кабель используется на участках с повышенной грозодеятельностью.

Примем следующую модель для определения напряжений, наводимых на металлических элементах кабеля. Теоретическое обоснование для дальнейших исследований - это модель линии передачи Зунде. Зунде предположил, что кабельная оболочка однородна по всей длине кабеля, и что кабель имеет бесконечную длину. В развитие модели сделано следующее допущение. Предположим, что оболочка пробивается только на части ее длины, учтем возникающее при этом заземление, и тогда представим кабель определенной конечной длины. Рассмотри две цепи, первая - «земля-броня» и вторая -«металлическая оболочка-броня». Первоначально определяется напряжение в цепи «земля-броня», а затем, через параметр связи, в цепи «металлическая оболочка-броня».

Напряжение достигает максимального значения в месте входа тока молнии в кабель, и является функцией проходного полного сопротивления броневого покрова, величины тока молнии и расстояния вдоль кабеля, на котором идет распространение импульса тока, прежде чем он уйдет в землю.

На основании принятой модели получены выражения для определения напряжения, наводимого на металлических элементах оптического кабеля для случаев, когда максимальное значение напряжения меньше, чем минимально требуемое для пробоя; максимальное значение напряжения является настолько большим, что пробой кабеля происходит по всей его длине; напряжение больше, чем пороговое значение и кабель пробит на части его длины, с резким переходом от пробитой зоны к непробитой, т.е. с учетом отражений в области перехода.

Напряжение в цепи «металлическая оболочка-броня» оптического кабеля с учетом отражений тока молнии в области перехода имеет вид:

{р1 /V-¿+О+а)~—^-И

Г;+Г0

гДе 1(0,0) - импульсный ток молнии в месте входа, А; 2ц - проходное полное сопротивление брони, Ом; р - коэффициент отражения;

Гв - постоянная распространения цепи «земля-броня» (при условии

непосредственного контакта брони с землей), м'1;

Г„ - постоянная распространения цепи «металлическая оболочка-броня», м'1;

Г, - постоянная распространения цепи «земля-броня» (при условии когда броня изолирована от земли), м"1; х - текущая координата, м.

Результаты расчета напряжений в цепи «металлическая оболочка- броня» с учетом отражений и без них приведены на рисунке 4.

Рис. 4. Напряжение «металлическая оболочка-броня» при расстоянии между точками заземления 100 м

Учет отражений приводит к увеличению напряжения на металлических

элементах кабеля, поэтому при определении грозоповреждаемости оптических

кабелей, имеющих металлические элементы, следует учитывать отражения,

которые реально возникают из-за неравенства волновых сопротивлений цепей в

месте пробоя изолированной оболочки.

В четвертой главе определяется вероятность повреждения шланговых

покровов оптического кабеля с перерывом связи, используя рекомендацию К.25

МСЭ-Т «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии» и результаты

исследования параметров грозозащиты кабельных магистралей, эксплуатируемых в

исследуемом районе, приведенные в главах 1 и 2.

Ожидаемое вероятное количество повреждений оптического кабеля за год

определяется выражением:

где ки - коэффициент поправки числа повреждений (для расчета берется равный 3);

Nd - общее вероятное среднегодовое количество всех ударов молний величиной от 1 до 250 кА;

Р - вероятность амплитуды тока молнии равной или большей, чем /„;

/о - ток повреждения [кА], соответствующий минимальной величине амплитуды тока молнии, вызывающего возникновение прямой дуги к кабелю и возникновение первичного повреждения.

Для упрощения методики расчетов вероятного количества повреждений оптического кабеля и проведения экспресс-анализа для определения требуемой конструкции по молниестойкости в выражении для Nf вместо коэффициента поправки числа повреждений Ки предлагается использовать коэффициент ориентации ударов молнии высокими объектами, определяемый конкретными условиями сближения. Вводится новый параметр оптического кабеля -коэффициент риска грозовых повреждений.

Тогда выражение для определения ожидаемого вероятного количества повреждений оптического кабеля за год в результате прямых ударов молнии примет вид:

N^Nj-K^-KJ,

гЯв Nd - общее вероятное среднегодовое количество ударов молнии величиной от 1 до 250 кА в эквивалентную зону поражения кабеля; KrLi - коэффициент риска грозовых повреждений кабеля; Кj - коэффициент ориентации ударов молнии высокими объектами. Зависимость коэффициента риска грозовых повреждений кабеля от максимально допустимого тока молнии в металлопокровах приведена на рис. 5.

Рис. 5. Коэффициент риска грозовых повреждений кабеля в зависимости от максимально допустимого тока молнии в кабеле

Область применения конкретного оптического кабеля можно определить при помощи рисунков 5 и в. На рис. 6 приведены зависимости вероятного числа первичных повреждений от коэффициента риска КпЛ грозовых повреждений оптических кабелей при различных удельных сопротивлениях грунта и Т„ = 30 час.

Рис. 6 Изменение вероятного числа первичных повреждений Np от коэффициента

риска грозовых повреждений К^к оптических кабелей при различных удельных сопротивлениях грунГа и Т = 30 час.

Из рис. 6 для определенного вероятного числа первичных повреждений Nl, и заданного удельного сопротивления грунта р определяется коэффициент риска КпЛ. Затем по определенному Км из рис. 5 определяется молниестойкость оптического кабеля.

Эффект перехвата токов молнии с помощью троса оценивается в двух зонах в ближней - когда кабель и трос находятся в искровой зоне под одним потенциалом, и в дальней - когда эффект троса будет определяться его способностями к «перехвату» токов молнии. Исследована эффективность тросовой защиты Для этого опасная зона вокруг кабеля поделена на две части В ближней - искровой зоне, защищаемый кабель и трос при ударе молнии будут находиться под одним потенциалом, и ток распределится в соответствии их входным сопротивлениям.' В дальней от кабеля зоне повреждаемость будет определяться дуговыми разрядами в грунте, а эффективность тросовой защиты - способностью троса к перехвату токов молнии. На исследуемой территории искровая зона вокруг точки удара молнии представляется как плоский диск, дуговые перекрытия в грунте носят

преимущественно поверхностный характер, поэтому качественно понятно, что для улучшения перехвата токов молнии защитные тросы следует располагать на удалении от кабеля при незначительном углублении.

Рекомендованы две конкретные схемы устройств защиты оптического кабеля в исследуемом районе, в результате применения которых эффективность защиты кабелей с помощью грозозащитного троса значительно повышается.

В заключении диссертационной работы приводятся основные выводы по результатам выполненной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Вследствие того, что статистических исследований грозоповреждаемости оптических кабелей нет, так как они эксплуатируются малое время и количество их недостаточно, были проведены теоретические исследования, на основании которых экспериментальные данные, собранные о грозоповреждаемости электрических кабелей, стало возможным применить к расчету грозоповреждаемости оптических кабелей.

2. Обоснована необходимость учета характера грозовой деятельности при расчете параметров грозоповреждаемости оптических линий связи.

3. В результате анализа статистических данных о грозоповреждаемости электрических кабелей и теоретических исследований разработаны графики для определения вероятности повреждения шланговых покровов оптических кабелей, проложенных в исследуемой зоне, при воздействии на них грозовых разрядов, позволяющие рассчитать параметры грозозащиты вновь проектируемых оптических кабельных магистралей. При построении графиков для определения ожидаемой грозоповреждаемости оптического кабеля рекомендуется представлять искровую зону вокруг точки удара молнии в виде проводящей плоскости, что приводит к увеличению опасной зоны вокруг кабеля в 1,7 раза.

4. Разработана методика, позволяющая определить удельную проводимость почвы в исследуемом районе для частоты тока молнии 1590 Гц. Используя предлагаемую методику, рассчитаны проводимости почв для районов Крайнего Севера европейской части России, что позволяет практически использовать полученные результаты при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий связи.

5. Для определения напряжений, наводимых на металлических элементах оптических кабелей, принята следующая модель. Исследованы две цепи, первая

цепь «земля - броня» и вторая цепи «металлическая оболочка - броня». При этом предполагалось, что кабельная оболочка пробивается только на части ее длины и оптический кабель имеет конечную длину. Такая модель наиболее полно отражает реальные процессы, происходящие при попадании импульса тока молнии в кабель.

6. Показано, что напряжение в цепи «металлическая оболочка - броня» оптического кабеля пробитого для части длины с учетом отражений в области перехода больше, чем напряжение для кабеля пробитого для части длины без учета отражений. Поэтому можно утверждать, что при определении грозоповреждаемости оптических кабелей имеющих металлические элементы, следует учитывать отражения, которые реально возникают из-за неравенства волновых сопротивлений цепи «земля - броня» и заземлителей.

7. Предлагается методика оценки вероятности повреждений оптических кабелей ударами молнии, основанная на рекомендации К-25 «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии» и исследованиях, проведенных в главах 1 и 2, по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе.

8. Предложена усовершенствованная, более простая методика оценки вероятности плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии, позволяющая проводить экспресс-анализ по выбору требуемой марки кабеля при проектировании мер защиты от грозовых воздействий на оптические кабельные магистрали.

9. Даны рекомендации по количеству используемых тросов, защищающих оптические кабели от ударов молнии, в зависимости от удельного сопротивления грунта.

10. Показана необходимость учета двух зон (искровой и дуговой) для определения эффективности перехвата токов молнии при тросовой защите оптических кабелей.

11. Рекомендованы конкретные варианты схем защиты оптических кабелей от ударов молнии при помощи грозозащитных тросов.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Колесников О.В. Определение напряжений наводимых на металлических элементах оптического кабеля // Электросвязь. 2008. В редакции, принята к печати.

2. Колесников О.В., Соколов С.А., Новые типы оптических волокон II Материалы

научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Московского технического университета связи и информатики. Сборник № 2 -Москва: МТУСИ, 2003. -112 с.

3. Колесников О.В., Колесников В.А., Сращивание оптических волокон с использованием малогабаритных соединителей И Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Московского технического университета связи и информатики. Сборник № 2 -Москва: МТУСИ, 2003. -112 с.

4. Колесников О.В., Колесников В.А., Волоконные световоды со структурой фотонных кристаллов II Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга № 1 Тезисы докладов -Москва: МТУСИ, 2004. - 179 с.

5. Колесников О.В., Методика определения пробоя пластмассовой оболочки оптического кабеля при попадании 8 него тока молнии // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга № 1 Тезисы докладов - Москва: МТУСИ, 2004. - 180 с.

6. Колесников О.В., Результаты расчета наводимых напряжений на металлические элементы оптического кабеля при попадании в него тока молнии // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга № 1 Тезисы докладов - Москва: МТУСИ, 2004. -181 с.

7. Колесников О.В., Результаты экспериментального измерения проводимости почвы в исследуемом районе // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга Ns 1 - Москва: МТУСИ, 2005.-166 с.

8. Колесников О.В., Методика определения проводимости земли для расчета вероятностной плотности повреждения оптического кабеля // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга № 1 Тезисы докладов - Москва: МТУСИ, 2005. - 169 с.

9. Колесников О.В., Определение опасной зоны попадания тока молнии в оптический кабель // Научная конференция профессорско-преподавательского,

р-8345

научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга N8 1 Тезисы докладов - Москва-МТУСИ, 2005. - 169 с. '

10. Колесников О.В., Избирательная грозоповреждаемость оптических кабелей // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга N8 1. Тезисы докладов - Москва: МТУСИ, 2006. -183 с.

11. Колесников О.В., Оценка влияния продолжительности грозовой деятельности на повреждаемость оптических кабелей II Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга № 1. Тезисы докладов -Москва: МТУСИ, 2006. -184 с.

12. Колесников О.В., Определение ожидаемой грозоловреждаемости оптических кабелей в исследуемой зоне // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. Книга N8 1. Тезисы докладов -Москва: МТУСИ, 2006. -184-185 с.

Подписано в печать 07.04.06г. Формат 60x84/16. Объем 1,3 усл.п.л. _Тираж 100 экз. Заказ 73._

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ГРОЗОПОВРЕЖДАЕМОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ КАБЕЛЬНЫХ

ЛИНИЙ СВЯЗИ

Общие положения

1.1. Расчетная и фактическая грозоповреждаемости оптических кабельных линий связи с металлическими элементами

1.2. Избирательная грозопоражаемость подземных оптических кабельных линий связи

1.3. Влияние продолжительности грозовой деятельности на повреждаемость оптических кабелей

1.4. Особенности грозовых явлений в исследуемой зоне

1.5. Графические решения для определения ожидаемой грозоповреждаемости оптических кабелей в исследуемой зоне 73 Выводы

ГЛАВА 2. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗЕМЛИ

Общие положения

2.1. Основные свойства почвы исследуемой зоны

2.2. Распространение токов молний в земле

2.3. Определение проводимости земли для расчета вероятной плотности повреждений оптического кабеля

2.4. Экспериментальные измерения удельного сопротивления почвы в исследуемом районе

Выводы

ГЛАВА 3. УТОЧНЕНИЕ ТЕОРИИ ВЛИЯНИЯ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО КРИТИЧЕСКИМ КАБЕЛЯМ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Общие положения

3.1. Разработка методики определения пробоя пластмассовой оболочки оптического кабеля при попадании в него тока молнии

3.2. Методика определения напряжения цепи «металлическая оболочка - броня»

3.3. Расчет напряжения цепи «металлическая оболочка - броня» оптического кабеля 137 Выводы

ГЛАВА 4. ЗАЩИТА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ОТ ГРОЗОВЫХ

РАЗРЯДОВ

Общие положения

4.1. Оценка вероятной плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии

4.2. Перехват токов молнии

4.3. Конструкции схем защиты оптических кабелей от грозовых разрядов 179 Выводы

Актуальность работы

Оптические кабели, в отличие от электрических, имеют малый диаметр, и как следствие, большое омическое сопротивление металлических элементов, а также высокую электрическую прочность диэлектрических конструктивных элементов.

Наиболее мощным источником опасных влияний на оптические кабельные линии связи являются грозовые разряды. Повреждаемость подземных оптических кабельных линий связи при грозовых разрядах -одна из причин существенного снижения эксплуатационной надежности сети.

Согласно данным статистики, повреждения от ударов молнии на кабельной сети составляют около 11% от всех повреждений. Между тем, опыт эксплуатации показывает, что в районах со специфическими климатическими, геологическими, рельефными и другими условиями эта цифра может быть значительно выше. Кроме того, следует учитывать, что доля простоев связи при грозовых повреждениях значительно выше их относительного количества, так как длительность восстановительных работ, вследствие их специфики, обычно велика.

В настоящее время оптические кабельные линии только начинают проектировать и прокладывать в исследуемом районе Крайнего Севера европейской части России, поэтому оценить параметры грозодеятельности оптических кабельных линий возможно только, исследуя параметры грозодеятельности эксплуатируемых долгое время электрических кабельных магистралей и разработав методику, позволяющую на основании получения параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, определить параметры грозодеятельности вновь проектируемых и строящихся оптических кабельных магистралей.

Одна из основных специфических особенностей проектирования защиты линий связи от токов молнии заключается в том, что оно ведется исходя из допустимого уровня повреждаемости. Такой подход обусловлен сложностью учета всего многообразия факторов, влияющих на повреждаемость, и значительным удорожанием линии при стремлении ее полностью защитить. В таких случаях особое значение принимает достоверность оценки ожидаемой грозоповреждаемости и правильный выбор мероприятий по защите.

Однако, в некоторых случаях ожидаемая грозоповреждаемость не соответствует расчетной, а эффективность мер защиты недостаточна. Так, например, три из четырех наблюдаемых в данной работе эксплуатируемых кабельных линий имеют уровень повреждаемости выше допустимого, причем, для всех линий характерно существенное расхождение фактического и ожидаемого числа опасных ударов молнии, такой же результат будет очевидно и для вновь проектируемых оптических кабельных линий. Таким образом, приведенные факты расчетной и реальной грозоповреждаемости убедительно свидетельствуют, что актуальность исследований грозовых воздействий на оптические кабельные линии связи и особенности их защиты являются несомненной.

Несмотря на обширный материал, имеющийся в работах Е.Д. Зунде, И.С. Стекольникова, В.М. Мучника, М. Юмана, Б. Шонланда, К. Бергера,

В.В. Бургсдорфа,. А.А. Ализаде, М.И. Михайлова, С.А. Соколова, Э.М. Базеляна, Э.Л. Портнова, В.П. Ларионова, В.И. Левитова, Б.Н. Горина и др., до настоящего времени отсутствует единое толкование как физических основ грозовой деятельности, так и вопросов влияния грозовых разрядов на подземные кабельные линии. Данные экспериментальных исследований, выполненных в различных территориальных зонах, часто не совпадают. Действующее «Руководство по защите подземных кабелей связи от ударов молнии» основано на методике Зунде в соответствии с которой основным видом опасного грозового воздействия на подземные кабельные линии связи является попадание тока молнии в кабель после разряда в землю.

Основными особенностями территории исследуемого района, расположенного на севере европейской части России являются:

- высокое удельное сопротивление грунта,

- редкие грозы при розе ветров, как правило, с запада на восток,

- преобладающее направление трасс кабельных магистралей - с севера на юг.

Наличие таких особенностей требует дополнительного исследования параметров грозодеятельности на оптические кабельные линии.

Учитывая изложенное, особое значение приобретает обработка и анализ имеющегося статистического материала о грозоповреждаемости реальных электрических кабельных линий связи, проложенных в исследуемом районе и разработка методики, позволяющей применить полученные результаты параметров грозодеятельности на реальные эксплуатируемые кабельные магистрали, на вновь проектируемые и строящиеся оптические кабельные линии с целью их защиты от ударов молнии.

Таким образом, достоверное определение параметров грозодеятельности на оптические кабельные линии в исследуемом районе позволит решить актуальную задачу оптимальной защиты оптических кабельных магистралей от грозовых воздействий и экономии денежных средств при их проектировании, строительстве и эксплуатации. Цель работы

Целью диссертационной работы является получение достоверных параметров грозозащиты оптических кабелей связи, проектируемых в исследуемом районе Крайнего Севера европейской части России, и разработка на их основе методов защиты оптических линий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научно-технические и прикладные задачи:

- выявление и исследование основных факторов, определяющих грозоповреждаемость оптических кабельных линий связи в условиях европейского севера,

- определение реальной грозоповреждаемости действующих линий с учетом конкретных особенностей зоны,

- определение проводимости почвы в исследуемом районе на эквивалентной частоте, на которую приходится основная часть энергии грозового импульса,

- разработка методики расчета параметров грозодеятельности оптических кабельных линий связи с целью их защиты от ударов молнии,

- определение напряжений наведенных грозовым импульсом в металлических элементах конструкции оптических кабелей,

- усовершенствование, разработка и оценка эффективности защитных мероприятий,

- разработка предложений и рекомендаций по защите оптических кабелей от ударов молнии.

Методы исследования

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использовались элементы теории электрических цепей и теории электросвязи, теории вероятности и математической статистики. При проведении количественных расчетов использовался пакет программного обеспечения Mathcad 11 Enterprise Edition. Научная новизна

На основании анализа случаев грозоповреждаемости, эксплуатируемых в исследуемом районе электрических кабельных магистралей, определен характер опасных влияний (так называемый -прямой удар).

1. Используя современную теорию влияния грозовых разрядов на подземные кабельные линии связи, основанную на учете прямых ударов молнии определены: параметры грозовой деятельности; характер и возможные расстояния распространения токов молнии в грунте; напряжения в цепях «земля-броня» и «металлическая оболочкаброня», возникающие в точке удара молнии в кабель, либо при протекании токов молнии в земле вдоль кабеля.

2. Анализируя влияния грозовой деятельности на повреждаемость кабельных линий связи, проложенных в исследуемом районе, выявлено, что на грозоповреждаемость протяженных объектов существенное влияние оказывает направление движения гроз относительно трассы объекта.

3. Анализ состояния почвы исследуемой территории, выявил, что она характеризуется резко неоднородными грунтами и грунтами с высоким удельным сопротивлением. Определено, что грозоповреждаемость кабелей в таких грунтах будет определяться в основном процессами дугообразования. Причем, вместо искровой зоны вокруг точки удара в виде полусферы, следует рассматривать искровую зону в виде плоского диска, что приводит к существенному увеличению опасной зоны вокруг кабеля, а также увеличению ожидаемой грозоповреждаемости.

4. Разработана методика определения проводимости почвы на частоте 1590 \Тц (основная мощность грозового импульса приходится на диапазон частот до 1590 кГц), используя значения проводимости на частотах 50 Гц и 300 кГц.

5. Разработана методика определения напряжения на металлических элементах оптического кабеля, которая учитывает реальные условия распространения грозового импульса по цепям, образованным внешними покровами кабеля «земля-броня» и «металлическая оболочка-броня».

6. Предложена более простая методика оценки вероятности плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии, основанная на исследованиях по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе, проведенных в главах 1 и 2, позволяющая проводить экспресс-анализ по выбору требуемой марки кабеля при проектировании мер защиты от грозовых воздействий на оптические кабельные магистрали. Реализация результатов

В результате анализа статистических данных о грозоповреждаемости электрических кабелей и теоретических исследований построены графики для определения вероятности повреждения шланговых покровов оптических кабелей, проложенных в исследуемой зоне, при воздействии на них грозовых разрядов, дающие возможность рассчитать по ним параметры грозозащиты вновь проектируемых оптических кабельных магистралей.

Разработана методика, позволяющая определить удельную проводимость почвы в исследуемом районе для частоты тока молнии 1590 Гц. Используя предлагаемую методику, рассчитаны проводимости почв для районов Крайнего Севера европейской части России, что позволяет практически использовать полученные результаты при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий связи.

Предлагается методика оценки вероятности повреждений оптических кабелей ударами молнии, основанная на рекомендации К-25 «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии» и исследованиях, проведенных в главах 1 и 2, по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе. Практическая ценность

Результаты диссертационной работы использованы:

- в НИР № 1701/03 «Разработка и обоснование технических решений по монтажу электрических и оптических кабелей связи на оконечных устройствах объектов связи», проводимой в НИЛ-17 НИЧ МТУСИ,

- при проведении учебных занятий на кафедре линий связи по дисциплине «Направляющие системы электросвязи».

Основные результаты, полученные в диссертационной работе могут быть использованы при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий, проектируемых в исследуемой зоне европейского севера России, что будет способствовать экономии денежных средств, выделяемых на грозозащиту.

Даны практические рекомендации по количеству используемых тросов, защищающих оптические кабели от ударов молнии, в зависимости от удельного сопротивления грунта.

Рекомендованы конкретные варианты схем защиты оптических кабельных линий от ударов молнии при помощи грозозащитных тросов. Основные положения, выносимые на защиту

- оценка параметров грозоповреждаемости оптических кабельных линий возможна путем исследования с помощью разработанной методики определения параметров грозодеятельности эксплуатируемых долгое время электрических кабельных магистралей,

- грозоповреждаемость линий связи, проложенных в исследуемой зоне, существенно зависит от направления передвижения гроз относительно трассы магистрали,

- грозоповреждаемость кабелей зависит от прокладки в резко неоднородных грунтах с высоким удельным сопротивлением,

- разработанная методика определения проводимости почвы на частоте 1590 Гц, позволяющая использовать имеющиеся в литературных источниках данные о проводимости почв на частотах 50 Гц и 300 кГц,

- разработанная методика определения напряжения на металлических элементах оптического кабеля, которая учитывает реальные условия распространения грозового импульса (с учетом отражений) по цепям, образованным внешними металлическими покровами кабеля.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ, Москва, 2003 - 2006 годы; на научных семинарах кафедры Линии связи МТУСИ, Москва 2004 - 2006 годы.

Основное содержание диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 12 печатных работах.

Объем и структура работы

Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение и список литературы. Она изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 97 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. В результате проведенного анализа грозоповреждаемости подземных кабелей связи в исследуемом районе Крайнего Севера европейской части России выявлено, что фактическая грозоповреждаемость кабелей значительно превышает расчетную. Объясняется это наличием в исследуемой зоне специфических климатических, геологических, рельефных и других условий.

2. Вследствие того, что статистических исследований грозоповреждаемости оптических кабелей нет, так как они эксплуатируются малое время и количество их недостаточно, были проведены теоретические исследования, которые позволили статистические данные, собранные о грозоповреждаемости электрических кабелей, применить к расчету грозоповреждаемости оптических кабелей.

3. При расчете грозоповреждаемости протяженных объектов связи обоснована необходимость учета характера грозовой деятельности, фронтальные или внутримассовые грозы. Для исследуемого района разработаны и построены специальные карты грозовой деятельности, учитывающие направление передвижения гроз, позволяющие практически оценить величину уровня грозовой опасности.

4. Из проведенного анализа статистических данных грозоповреждаемости кабельных магистралей выявлено, что в исследуемой зоне существует два основных вида избирательной грозоповреждаемости:

- избирательность, определяемая неравномерностью грозовой деятельности, учитывается при проектировании;

- избирательность, определяемая характеристиками грунта.

5. В результате анализа статистических данных о грозоповреждаемости электрических кабелей и теоретических исследований разработаны графики для определения вероятности повреждения шланговых покровов оптических кабелей, проложенных в исследуемой зоне, при воздействии на них грозовых разрядов, позволяющие рассчитать параметры грозозащиты вновь проектируемых оптических кабельных магистралей. При построении графиков для определения ожидаемой грозоповреждаемости оптического кабеля рекомендуется представлять искровую зону вокруг точки удара молнии в виде проводящей плоскости, что приводит к увеличению опасной зоны вокруг кабеля в 1,7 раза.

6. Анализ имеющегося статистического материала показывает, что в исследуемом районе грозоповреждаемость кабельных линий связи будет определяться, прежде всего, процессами дугообразования.

7. Разработана методика, позволяющая определить удельную проводимость почвы в исследуемом районе для частоты тока молнии 1590 Гц. Используя предлагаемую методику, рассчитаны проводимости почв для районов Крайнего Севера европейской части России, что позволяет практически использовать полученные результаты при проектировании грозозащиты оптических кабельных линий связи.

8. Проведены экспериментальные измерения удельного сопротивления почвы в исследуемом районе в частотном диапазоне до 300 кГц. Результаты измерения показывают хорошее совпадение расчетных и измеренных величин удельного сопротивления грунта.

9. Для определения напряжений наводимых на металлических элементах оптических кабелей принята следующая модель. Исследованы две цепи: первая цепь «земля - броня» и вторая цепи «металлическая оболочка - броня». При этом предполагалось, что кабельная оболочка пробивается только на части ее длины и оптический кабель имеет конечную длину. Такая модель наиболее полно отражает реальные процессы, происходящие при попадании импульса тока молнии в кабель.

10. На основании предложенной модели получены выражения для определения напряжения в цепи «металлическая оболочка - броня» в оптическом кабеле, соответствующие комбинациям пикового значения тока молнии и длины кабеля. Выражение (3.16) для случая, когда пиковое значение тока молнии меньше, чем минимально требуемое для пробоя, т.е. для изолированного кабеля. Выражение (3.17) для случая, когда пиковое значение тока молнии является настолько большим, что пробой кабеля происходит по всей его длине, т.е. «голый» кабель. Выражение

3.21) для случая, в котором ток молнии больше, чем пороговое значение и кабель пробит на части его длины, с резким переходом от пробитой зоны к не пробитой, т.е. с учетом отражений в области перехода. Выражение (3.26) для того же случая, но с постепенным переходом от пробитой зоны к не пробитой, т.е. без учета отражений в области перехода.

11. Определена постоянная распространения цепи «земля -броня» оптического кабеля и исследована ее зависимость от удельного сопротивления почвы.

12. Рассчитано максимальное значение напряжения цепи оптического кабеля «металлическая оболочка - броня» для различных удельных сопротивлений почвы. Показано, что с увеличением удельного сопротивления почвы пиковое значение напряжения возрастает. Объясняется это тем, что с увеличением удельного сопротивления почвы, ухудшается утечка тока молнии с брони в почву.

13. Показано, что максимальное значение напряжения в цепи «металлическая оболочка - броня» изолированного кабеля при одних и тех же условиях больше, чем «голого».

14. Рассчитано максимальное значение напряжения в цепи «металлическая оболочка - броня» для «голого» и изолированного кабелей, в зависимости от их длины. С ростом длины пиковые значения напряжений, как «голого», так и изолированного кабелей увеличиваются. Для «голого» кабеля пиковое значение напряжение для длин 1000 м и 10000 м практически одинаково, объясняется это тем, что утечка тока молнии с брони кабеля происходит на начальном участке кабеля.

15. Для максимальных значений тока молнии меньше, чем пороговое, форма кривых напряжения для изолированного кабеля аналогична кривым для кабеля без покрытия. Для значений тока выше порогового параллельные линии переходят в наклонные - это область, в которой кабель пробивается для части его длины. При этом наклон линии зависит от длины: чем больше длина, тем меньше наклон. Поэтому напряжение более длинного кабеля изменяется менее резко, чем короткого.

16. Показано, что напряжение в цепи «металлическая оболочка -броня» оптического кабеля пробитого для части длины с учетом отражений в области перехода больше, чем напряжение для кабеля пробитого для части длины без учета отражений. Поэтому можно утверждать, что при определении грозоповреждаемости оптических кабелей имеющих металлические элементы, следует учитывать отражения, которые реально возникают из-за неравенства волновых сопротивлений цепи «земля - броня» и заземлителей.

17. Предлагается методика оценки вероятности повреждений оптических кабелей ударами молнии, основанная на рекомендации К-25 «Защита волоконно-оптических кабелей от ударов молнии» и исследованиях, проведенных в главах 1 и 2, по определению параметров грозодеятельности электрических кабельных магистралей, проложенных в исследуемом районе.

18. Предложена усовершенствованная, более простая методика оценки вероятности плотности повреждений оптических кабелей ударами молнии, позволяющая проводить экспресс-анализ по выбору требуемой марки кабеля при проектировании мер защиты от грозовых воздействий на оптические кабельные магистрали.

19. Даны рекомендации по количеству используемых тросов, защищающих оптические кабели от ударов молнии, в зависимости от удельного сопротивления грунта.

20. Показана необходимость учета двух зон (искровой и дуговой) для определения эффективности перехвата токов молнии при тросовой защите оптических кабелей.

21. Рекомендованы конкретные варианты схем защиты оптических кабелей от ударов молнии при помощи грозозащитных тросов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведены анализ и исследования грозоповреждаемости оптических кабелей в районе Крайнего Севера европейской части России, и на их базе рекомендованы методы защиты оптических кабелей, имеющих металлические элементы, от импульса тока молнии.

Отдельные результаты работы приведены в конце соответствующих глав в виде выводов и рекомендаций.

1. Гроднев И.И., Верник С.М., Кочановский Л.Н.; Под ред. Кочановского Л.Н. - б-е изд., перераб. И доп. Линии связи: Учебник для вузов. -М.: Радио и связь, 1995 - 488 е.: ил.

2. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. М.ЛЕСАРарт, 2003. 288 е., ил.

3. Андреев В.А., Бурдин А.В., Многомодовые оптические волокна. Теория и приложения на высокоскоростных сетях связи. Монография. М.: Радио и связь, 2004. - 248 с.

4. Снайдер А., Лав Дж., Теория оптических волноводов: Пер. с англ. -Радио и связь, 1987. 656 е.: ил.

5. Sunde E.D. Earth Conduction effects in Transmission System. New York, USA, 1949-344 c.

6. Яковлев Б.А. Климат Мурманской области. Мурм. книж. изд., 1961 - 200 с.

7. Боголюбов А.Н., Делицин А.Л., Могилевский И.Е., О математическом обосновании вариационно-разностного подхода к численному моделированию волноведущих систем // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 1998 - №5. - стр. 14 -17.

8. Новичков В.В., Сабинин Н.К., Выбираем оптический грозотрос, LIGHTWAVE russian edition №3 2004.

9. Bishop D., Specifying Optical Ground Wire // Electric Energy Magazine, 2000, September.

10. Кашпровский В. Результаты измерений проводимости почв СССР. -Журнал «Радио», 1963, № 9.

11. Правила защиты средств проводной связи железнодорожной сигнализации и телемеханики от опасных и мешающих влияний линий электропередачи.-621.391.8, П.683, часть 1, 1969.

12. Шонланд Б. Полет молнии. М., Гидрометеоиздат, 1970 - 160 с.

13. Юман М. Молния. М., «Мир», 1972. - 327 с.

14. Мучник В.М. Физика грозы. Лен., Гидрометеоиздат, 1974 - 350 с.

15. CCITT. The protection of telecommunication lines and equipment against lightning discharged. Published by the International telecommunication union, 1974.

16. Руководство по защите подземных кабелей связи от ударов молнии. М., «Связь», 1975.

17. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства криогенных пород. -М., «Недра», 1976.

18. Статистические и временные характеристики опасных явлений погоды на территории Кольского полуострова. Заключительный отчет Мурманского филиала НИИ Арктики и Антарктиды, часть I, 1977.

19. Домашенко В.Г. О возможности уточнения плотности разрядов молнии на землю по данным о грозовых отключеньях ЛЭП. В сб. «Техника высоких напряжений и электрическая прочность изоляции». - Томск, 1977, с. 96 - 101.

20. Гальперин В.В. Справочник по воздушным и кабельным сетям в районах многолетнемерзлых грунтов. Лен., «Энергия», 1977 - 184 с.

21. CCITT. The protection of telecommunication lines and equipment against lightning discharged. Published by the International telecommunication UNION, 1978.

22. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. Лен., Гидрометеоиздат, 1978-223 с.

23. Исследование грозовых влияний на кабели связи. Иркутский Государственный Университет им. А.А. Жданова, кафедра метеорологии, отчет по теме № 43, 1978 г.

24. Под редакцией Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. Волоконно -оптическая техника: современное состояние и перспективы. ООО.«Волоконно-оптическая техника» Москва. 2005г.

25. Алисадзе А.А., Хыдыров Ф.А. Результаты исследования механизма развития и параметров разряда молнии в полевых условиях. В сб. «Физика молнии и молниезащита», тр. ГНИЭИ им. Кржижановского. -М., 1979, с. 59-61.

26. Михайлов М.И., Разумов Л.Д., Соколов С.А. Электромагнитные влияния на сооружения связи. М., «Связь», 1979 - 264 с.

27. Колечицкий Е.Н., Шульгин В.Н. О поражении молнией поверхности земли вблизи Останкинской телебашни. Тр. Московского ордена Ленина энергетического института, 1979, № 390, с. 39-42.

28. Кириченко В.П., Громова Е.А. Учет эксплуатационной надежности при проектировании грозозащиты кабелей связи. «Электросвязь», №9, 1979-с. 56-59.

29. Портнов Э.Л., Кириченко В.П., Нефедов В.Н. Устройство для измерения модуля коэффициента распространения цепи «металлические покровы кабеля земля», авторское свидетельство № 873426.

30. S.G. Ungar. Effects of Lighting Punctures on the Core-Shield Voltage of Buried Cable. The Bell System Technical Journal, vol. 59, № 3, March 1980.

31. Вэнс Э.Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели. М., «Радио и связь», 1982.

32. Хмелевской В.К. Электроразведка. М., МГУ, 1984 - 422 с.

33. Мурадян А.Г., Гольдфарб И.С., Иноземцев В.П. Оптические кабели многоканальных линий связи. М., «Радио и связь», 1987 - 200 с.

34. CCITT. Period 1989-1992, May 1991. Report 7.

35. CCITT. Period 1989-1992. Recommendation K-25.

36. Гольдфарб И.С., Спиридонов В.П. Измерение параметров оптических кабелей при строительстве ВОСП. «Вестник связи» № 8, 1991.

37. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели. М., «Энергоатомиздат», 1991 -264 с.

38. Научно-технический информационный сборник «Связь». Выпуск 1011. — М., «Информсвязь», 1993.

39. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник. -М., «Радио и связь», 1993-265 с.

40. Волоконно-оптические системы связи на ГТС. Справочник. Б.З. Берлин, А.С. Брискер, B.C. Иванов. М., «Радио и связь», 1994 -160 с.

41. Неклепаев В.Н., Вострасаблин А.А. Статистическая вероятность возникновения коротких замыканий в энергосистеме. -«Электрические станции» № 7,1994.

42. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. М., «Радио и связь», 1995 - 199 с.

43. Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов Б.В., Польников А.И. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. М., «Радио и связь», 1995.

44. Руководство по защите оптических кабелей от ударов молнии. М., ЦНИИС, 1996.

45. Разработка руководства по защите подземных оптических кабелей от ударов молнии. Технический отчет о научно-исследовательской работе.-М., МТУСИ, 1996.

46. Гольдфарб И.С. Развитие техники оптических кабелей. М., ЦНТИ «Информсвязь», 1996 - 84 с.

47. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели Сименс. 1997.

48. Электромагнитная совместимость направляющих систем в том числе и оптических. Технический отчет о научно-исследовательской работе.-М., МТУСИ, 1997.

49. Смирнов И.Г. Структурированные кабельные системы. М., «Радио и связь», 1998- 178 с.

50. Дональд Дж. Стерлинг, младший. Техническое руководство по волоконной оптике. М., «Лори», 1998.

51. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи 110 кВ и выше. -М., 1998.

52. Убайдулаев P.P. Волоконно-оптические сети. М., «Эко-Трейд», 1998-300 с.

53. Итоги науки и техники. Волоконно-оптические кабели. Т. 14. Серия: Электротехнические материалы, электротехнические конденсаторы, провода и кабели. М., 1998.

54. Волоконно-оптическая техника. История, достижения, перспективы. Под ред. Дмитриева С.Л. М., «Connect», 2000.

55. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи. М., ЦНТИ «Информсвязь», 2000-112 с.

56. Драбкин А.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. М. «Сов. радио», 1974, - с. 536.

57. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели Сименс. 1997.

58. Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов Б.В., Польников А.И. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. М.: Радио и связь, 1995. - 2000 с.

59. Никольский К.К., Волоконно-оптические кабели связи в России//Электросвязь. 1999. - № 2. - С.60 - 65.

60. Итоги науки и техники. Волоконно-оптические кабели. Т. 14. Серия: Электротехнические материалы, электротехнические конденсаторы, провода и кабели. М.: 1998 г.

61. Некпепаев В.Н., Вострасаблин А.А. Статистическая вероятность возникновения коротких замыканий в энергосистеме//Электрические станции. 1994. - № 7.

62. Нормы и рекомендации по защите оптических кабелей связи с металлическими элементами от опасных влияний линии электропередачи, эл.ж.д. переменного тока и энергоподстанциями; проект. -М., 1998.

63. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи: Конструкция и характеристики. М.: Горячая линия—Телеком, 2002. - 232 е.: ил.

64. Иванов А.Б. Волоконная оптика. М.: Syrus. 1999. - 120 с.

65. Шарле Д.Л. Современные оптические волокна. Аналитические обзор//Электросвязь. 1999 - № 12 - С. 38 - 50.

66. Александров Г.Н., Шевченко С.Ю., Лысков Ю.И. Грозоупорность бестросовых линий//Элекгричество. 1989. - № 11. - С. 16 - 22.

67. Максимов В.М., Алферов С.Е., О допустимости снятия грозозащитных тросов с ВЛ 110—220 кВ//Энергетик. 1994. - № 8.

68. Колесников О.В., Соколов С.А., Новые типы оптических волокон // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Московского технического университета связи и информатики. Сборник № 2 Москва: МТУСИ, 2003. - 112 с.

69. Колесников О.В. Определение напряжений наводимых на металлических элементах оптического кабеля // Электросвязь. 2006. В редакции, принята к печати.

70. Оптические кабели связи российского производства.Справочник.1. М.Эко-Трендз. 2003. 288с.

71. Руководство по защите оптических кабелей связи от ударов молнии. М., ЦНИИС, 1996.

72. Дополнение к Руководству по защите оптических кабелей связи от ударов молнии. М., ЦНИИС, 1996.

73. Яковлев Б.А., Климат Мурманска. Лен., Гидрометеоиздат, 1972. -104 с.

74. Справочник по климату СССР. Выпуски 1,2,3 «Облачность и атмосферные явления» Лен., Гидрометеоиздат, 1968.

75. Кремер Н.Ш., Теория вероятностей и математическая статистика. -ЮНИТИ. 2004 573 с.

76. Гмурман В.Е., Теория вероятностей и математическая статистика (9-е издание). Высшая школа (Москва). 2003-478 с.

77. Кочетков Е.С., Теория вероятностей и математическая статистика. Учебник. ФОРУМ, ИНФРА-М, 2005 - 240 с.

78. Тимофеев В.М. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Применение электропрофилирования с линейными емкостными антеннами для целей инженерно-геологической съемки. М., ВСЕГИНГЕО, 1979.

79. CCITT. The protection of telecommunication lines and equipment against lightning discharged. Chapter 9: Fibre optic cable lightning damage assessment. Published by the International telecommunication union, 1996.

80. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы: Сб. статей / Под ред. С.А.Дмитриева, Н.Н. Слепова . М.: Connect, 2000. 376 с.

81. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели. Изд. второе, переработ, и допол., пер. с нем. А. Краева. Издание компании «Corning Cable Systems», Новосибирск: Лингва-9, 2001. 345 с.

82. РТТ ADMINISTRATION OF UKRAINE, Оценка вероятной плотности первичных повреждений подземных оптических кабелей ударами молнии, ITU February 1999.

83. Pomponi R., Proposal of new draft of the recommendation K.25 "Protection of optical fibre cables", ITU December 1994.

84. Pomponi R., New draft of IEC 61663-2 standard 'Lighting protection -telecommunication lines Part 2: lines using metallic conductors, ITU -February 1999.

85. Barbosa C., draft new recommendation K.light "Protection of telecommunication lines using metallic conductors against direct lightning discharges", ITU February 1999.