Условия электропроводимости самонесущего волоконно-оптического кабеля. Экспериментальные данные

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Условия электропроводимости самонесущего волоконно-оптического кабеля. Экспериментальные данные

Е.В. Гороховский

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), подвешенные в 90-х годах прошлого века на опорах контактной сети (КС), в настоящее время частично пришли в негодность, несмотря на то, что нормативный срок их службы составляет как минимум 25 лет [1]. Старение линий проявляется в виде обрывов и пережогов в зоне подвесного зажима (типа ЗП) и вдоль трассы кабеля. Основной причиной обрывов ВОЛС считается электротермическая деградация (ЭТД), что отражено в большом количестве публикаций [2, 3, 4, 5, 6, 7].

Аварии такого характера чаще всего наблюдались на участках железных дорог с электротягой на переменном токе, однако подобные случаи также возникали и при подвеске ВОК на опорах высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), о чем говорят публикации зарубежных авторов [8].

Рядом научных коллективов успешно проводились исследования указанной проблемы. Значительный вклад в решение вопроса внесли: Ю.И. Филиппов, Э.Е. Асс, Л.Е. Попов, А.С. Бочев, Г.Е. Соловьев, А.С. Гайворонский, В.В. Кречетов, М.Р. Прокопович и другие. В различных работах в качестве основной причины снижения срока службы кабеля указываются такие факторы, как сухополосная дуга, конструктивные особенности подвесного зажима, сжигание камыша и другие.

Принимая во внимание тот факт, что обрыв ВОК (рис. 1) может быть обусловлен как внутренней, так и внешней ЭТД, в ходе исследования были рассмотрены деградационные механизмы в структуре ВОК, проявляющиеся под действием резко неравномерного переменного электромагнитного поля высокой напряжённости в зоне перехода ВОК-ЗП [4, 5].

Рис. 1. - Обрыв ВОК

Исследования, проводимые ранее в рамках работы над данной проблемой [2, 3, 4, 5, 6, 7], предопределили необходимость изучения взаимодействия внутренних компонентов ВОК, протекающего под действием переменного электромагнитного поля.

При рассмотрении механизма внутренней электротермической деградации, акцент делается на разрушение кевлара - основного компонента ВОК, отвечающего за самонесущие свойства кабеля.

Проведённый эксперимент был направлен на регистрацию изменений проводимости внутренних компонентов ВОК и получение закономерности этих изменений в результате воздействия переменного электромагнитного поля высокой напряжённости.

В эксперименте использовался самонесущий волоконно-оптический кабель марки «Siemens», который некоторое время находился в эксплуатации и был отделен от основной линии в результате аварии (пережог в зоне подвесного зажима [2]). От кабеля были отрезаны подряд три части, две из которых подготовлены в качестве экспериментальных образцов с выполненными на них технологическими срезами (рис. 2).Технологические срезы заделаны расплавленным парафином при нормальных условиях окружающей среды.

Рис. 2 - Схематическое изображение экспериментального образца с показанными технологическими срезами х₁ - х₃

В ходе эксперимента нормальными условиями окружающей среды были приняты: температура 22,6⁰С, влажность 40%, и давление 748 мм ртутного столба, так какэти значения соответствовали микроклимату в лаборатории. На данном этапе ставилась задача создания для всех образцов приблизительно равных условии в течение эксперимента.

Технологические срезы выполнены путем частичного удаления поверхностного слоя ВОК и навивки серебряной проволоки. Технологические срезы схематично показаны на рисунке 2 и обозначены х₁ - х₃. Оставшийся образец кабеля без заделки отложен в качестве контрольного образца для проведения дополнительного анализа и в процессе самого эксперимента не участвовал.

Для создания переменного однородного электромагнитного поля использовались электроды лабораторной установки «плоскость - плоскость» (рис. 3). Расстояние между полюсами выбрано из условий максимальной напряженности электрического поля и исключения возможности пробоя воздушного промежутка [9, 10]. Для снижения до минимума влияния ионизации воздушного промежутка использовалась система направленного обдува зон, предрасположенных к краевому эффекту [10].

Рис. 3 - Принципиальная схема расположения образца в лабораторной установке

Схема включения электролаборатории для проведения испытания ВОК:

1 - электроды; 2 - волоконно-оптический кабель.

С целью надежного закрепления образцов в пространстве и возможности регистрации внутренних изменений была изготовлена специальная подставка. Все образцы были расположены под углом 45⁰к плоскостям электроустановки (рис. 4).

Рис. 4 - Подставка для выполнения эксперимента

Оболочка ВОК перед установкой в подставку обрабатывалась с помощью спирта и ткани микрофибра для удаления возможных поверхностных образований с целью снижения поверхностной проводимости [2, 12].

Проведение замеров электропроводимости внутренних компонентов, а именно кевлара, осуществлялось сертифицированным прибором MIC 5000 фирмы Sonel. Для исключения токов утечки по оболочке кабеля использовалась трехпроводная схема подключения прибора. Для подключения третьего зажима к оболочке кабеля использовали плотную навивку медной проволоки (рис. 5).

В эксперименте дополнительно использовались приборы:

· метеостанция с выносным датчиком (располагалась в максимально допустимой близости к образцам);

· пирометр.

Рис.5. -Схематическое изображение экспериментального образца: технологические срезы х₁ - х₃; навитая медная проволока х_1.1 и х_1.2

Эксперимент протекал непрерывно в течение 60 часов с паузами для проведения измерений проводимости кевлара.

Для исследования необходимых параметров кевлара были созданы условия, позволяющие оценить воздействие переменного электромагнитного поля [9, 10].

В отличие от реальных условий подвески ВОК на КС,в лабораторных условиях создано однородное переменное электромагнитное поле высокой напряженности [9]. Данное условие позволяет воздействовать на структуру ВОК одинаково во всем объёме ВОК, что облегчает оценку результатов.

Параметры сняты до начала испытания и через каждый час. Замеры снимались последовательно:х₁ - х₃;х₁ - х₂;х₂ - х₃;х₄ - х₆;х₄ - х₅;х₅ - х_6.

Соответственно, первый образец х₁ - х₃ и второй образецх₄ - х₆. При такой системе снятия показаний возможно оценить электропроводность в достаточном количестве сочетаний. Все данные сводились в таблицу, как показано на примере (таблица №1), где R_T1 и R_T2 - сопротивления, измеренные за время T₁ и T₂. A_b1 - коэффициент абсорбции, рассчитанный как A_b1=R_T2/R_T1. Также в таблице указано заданное напряжение U_NOM и реальное напряжение измерения U_ISO, указан протекающий ток I₁иI₂ для каждого замера - отрезка времени.

электротермический деградация волоконный оптический

Таблица 1

Пример оформления таблицы данных электропроводности образцов

При анализе полученных данных (таблица 1) обратим внимание на коэффициент абсорбции (A_b1): он в каждом этапе измерений близок к единице, что говорит об увлажнённости кевлара [11]. В результате чего под воздействием поляризационных и ионизационных процессов будут иметь место межслойные и миграционные поляризации [12, 13].

Основным механизмом старения при таких условиях для диэлектрика, а следовательно, и кевлара являются частичные разряды, которые будут возникать в разной степени как в отдельных слоях, так и в межслойных промежутках [11, 12, 13]. Каждый разряд оказывает слабое воздействие на кевлар за счет образования активных радикалов, излучения, повышенной температуры. С течением времени их действие нарастает, что ведет к постепенному разложению материала, росту давления в поре, появлению проводящих частиц (обуглероживанию) и зарождению дендрита. Как известно, дендрит приводит к прогрессирующему разрушению диэлектрика и характерен для любых видов твердых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 мкм до 10-20 мкм [11, 12].

Если при сборке и монтаже допускалось соприкосновение кевлара с окружающей средой, то следующим этапом развития деградации будет водный триинг (водный дендрит), что приведет к образованию разветвленной микроструктуры в виде объемной сетки или микрокустов в теле диэлектрика, а именно кевлара.

Далее, прогрессируя от времени нахождения в переменном электромагнитном поле, такие явления разрастаются. При протекании данных процессов выделятся энергия, которая может привести к термическому разрыву.

Процесс, который такжезаметен, как и абсорбция, на всех отрезках - это попеременное падение сопротивления и его рост (Графики 1 и 2). Такой эффект может быть обусловлен двумя внутренними процессами. Первый процесс - это сшивание нитей кевлара между собой [14] в хаотическом порядке, что приводит к изменению результирующей проводимости всего пучка кевлара в большую или меньшую сторону.

Второй процесс - это изменение структуры нитей кевлара вплоть до его разрушения (в некоторых местах), что очень хорошо описывает полученные результаты эксперимента.

На графиках 1 и 2 видно, что при внесении образцов в однородное электромагнитное поле высокой напряженности происходит снижение сопротивление кевлара. Собираясь в пучок из плотного повива, нити кевлара взаимодействуют между собой, и при замерах сопротивления пучка кевларовых нитей оно будет отличаться от минимального сопротивления единично взятой нити.

Так, основываясь на ранее известном факте, что испытуемые образцы находились вблизи места обрыва-пережога (длительное воздействие электромагнитного поля), и опираясь на результаты, полученные от эксперимента, с большой вероятностью можно утверждать о снижении погонного сопротивления каждой нити. В дальнейшем сопротивление снижается до критического значения, в связи с чем наступает пробой наименьшего промежутка единичной кевларовой нити. Появляется новое наименьшее сопротивление пучка кевларовых нитей, которое может быть больше начального. Вспомним про неоднородность погонного сопротивления кевларовой нити, в результате чего графики 1 и 2 наглядно демонстрируют в начальный момент деградацию кевларовых нитей подкрепленную фактом наличия нановключений влаги. Далее идет разрушение или пробой наименьших сопротивлений, в связи с чем и меняется результирующее сопротивление кевларового пучка.

Протекающие процессы, показанные на графиках 1 и 2, после 2-го часа могут быть обусловлены процессом, получившим название «сшивание полиамидов» [14]. В таком случае графики должны иметь более неравномерный и нелинейный вид. Исключать возможность протекания такого процесса под действием переменного электромагнитного поля не допустимо.

График 1. Изменение сопротивления образца X2-X3 от времени

График 2. Изменение сопротивления образца X4-X5 от времени

На основании полученных данных можно сделать заключение о причине электротермической деградации волоконно-оптического кабеля на линиях контактной сети с электротягой переменного тока. ЭТД зависит от величины напряженности электромагнитного поля в точке подвеса ВОК, что в свою очередь характеризует интенсивность разрушения или сшивания нитей кевлара. В дальнейшем сила натяжения в точке подвеса становится больше несущей способности неразрушенных нитей кевлара. Далее наблюдается разрыв оболочки кабеля и ВОК повисает на внутренней модовой трубке. Процесс обугливания компонентов ВОК происходит как сопутствующий эффект при разрыве оболочки и кевлара за счет интенсивных микродуг, обусловленных гидрофобностью кевлара.

Литература:

1. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи 0,4--35 кВ. [Текст]: СО 153-34.48.519--2002: Утверждены Министерством РФ по связи и информатизации и Минэнерго РФ, 2003, с. 9

2. Филиппов Ю.И., Асс Э.Е., Попов Л.Е.,Бочев А.С., Соловьев Г.Е., Осипов В.А., Гайворонский А.С., Кречетов В.В., Прокопович М.Р. Электротермическая деградация оптического кабеля на участках железных дорог переменного тока [Текст] // Light wave Russian Edition, 2006, №3, с. 20.

3. Бочев А.С., Соловьев Г. Е., Осипов В.А., Невретдинова О.В. Влияние переменных электромагнитных полей высокой напряженности на интенсивность деградационных процессов в структуре волоконно-оптических кабелей [Текст] // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения №2(34) 2009. ISSN 0201-727X, с. 94.

4. Осипов, В.А. Деградационные механизмы в структуре самонесущего волоконно-оптического кабеля [Текст] / В.А. Осипов, Е.В. Гороховский // Транспорт-2012: тр. Всерос. науч.-практ. конф., апрель 2012 г. В 3-х частях / РГУПС. - Ростов н/Д, 2012. - Ч. 1: Естественные и технические науки. - С. 347-348. - Фонд НТБ.

5. Осипов, В.А. Электротермическая деградация волоконно-оптического кабеля в зоне узла "ВОК-ЗП" [Текст] / В.А. Осипов, Е.В. Гороховский // Труды РГУПС. - 2011. - №2. - С. 106-109. - Фонд НТБ.

6. Осипов В.А., Соловьев Г.Е., Гороховский Е.В., Капкаев А.А. Проблемы электротермической деградации волоконно-оптических линий связи и перспективные направления их решения / [Электронный ресурс] //«Инженерный вестник Дона», 2013 №1

7. Стороженко Е.А., Кляморов А.С., Стороженко Д.Е., Гукасов К.С. Снижение влияния электрического поля высоковольтных линий электропередачи на волоконно-оптические линии связи / [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013 №2

8. Keller D.A., Benze D.J., Bonicel J.P., Bastide С., Davidson E. Continued Investigation of ADSS Design and Reliability Consideration with Respect to Field Voltage Tracking, and Cable Installation Practices [Текст] // 46-th Intemational Wire&Cable Symposium Proceedings. - Eatontown, New Jersey, 17-20 Nowember, 1997. - pp. 24-31.

9. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники [Текст]: Учебник для ВУЗов, М: Высшая школа, 1987 - с.264

10. Степанчук К.Ф., Тинянков Н.А. Техника высоких напряжений [Текст]: Учеб. пособие для электро-энерг. спец. вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. школа, 1982.-с.367,ил.

11. Важов В.Ф., Лавринович В.А. Высоковольтная техника в электроэнергетике [Текст]: учебное пособие; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - с. 176

12. Воробьев Г.А. Физика диэлектриков (область сильных полей) [Текст]: Учебное пособие. / Похолков Ю.П., Королев Ю.Д., Меркулов В.И. -Томск: Изд-во ТПУ, 2003. -с.244

13. Carter, Waldron Mathematical model of dry-band arcing on self-supporting, all-dielectric, optical cable strung on overhead power lines [Текст], IEEE Proceedings s-c, vol.139, No. 3, May 1992, p.p. 185-196

14. Говарикер В.Р., Висванатхан В.В., Шридхар Дж. Полимеры [Текст]: пер. с англ. / Говарикер В.Р., Висванатхан В.В., Шридхар Дж.; предисл. Кабанова В.А. - М. Наука, 1990. - с. 396- ISBN 5-02001425-7.

Размещено на Allbest.ru