ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ В ГРОЗОЗАЩИТНОМ ТРОСЕ
OPTICAL CABLE IN LIGHTNING PROTECTION CABLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим линиям связи, в частности к оптическим кабелям, встроенным в грозозащитный трос, и может быть использовано для повышения защиты оптических систем связи на воздушных линиях электропередач при ударах молний.
Предшествующий уровень техники
Типовые современные конструкции оптических кабелей, встроенных в грозозащитный трос, представляют собой центральную герметичную металлическую трубку с оптическими волокнами, поверх которой накладывается один или несколько повивов, состоящих из комбинаций стальных проволок, плакированных алюминием, и/или проволок из алюминия или алюминиевого сплава.
Функция центральной герметичной металлической трубки состоит в защите волокон от факторов окружающей среды, стальные проволоки, плакированные алюминием, противостоят механической растягивающей нагрузке, а проволоки из алюминия или алюминиевого сплава являются электрическим проводником, транспортирующим индуцированные молнией токи от места воздействия до места заземления.
Воздействие токов молнии помимо хорошо известного термического воздействия на элементы кабеля приводит к генерации импульсного магнитного поля внутри оптического кабеля, состоящего в случае прямолинейного кабеля из продольной (осевой) компоненты. Последние исследования и информация, предоставленная операторами связи, свидетельствуют о том, что быстро изменяющееся продольное магнитное поле негативно влияет на передачу информации по волокну с использованием формата уплотнения по поляризациям света, т.е. происходит потеря передаваемой информации. Причиной явления является быстрое вращение оси поляризации света в волокне под воздействием меняющегося магнитного поля, параллельного оси волокна, в соответствии с законом Фарадея.
Угол поворота плоскости поляризации света в оптическом волокне зависит от величины напряженности продольной составляющей магнитного поля и составляет:
,
-6
H
l-
где: V- константа Верде V=0,7×10 рад/км; - продольная составляющая напряженности магнитного поля в оптическом волокне, А/м;  длина оптического волокна, подвергающегося воздействию поля, м.
При ударе молнии картина магнитного поля на центральной оси оптического кабеля определяется его конструкцией, в которой каждый повив проволок ведет себя как соленоид, а протекающие в каждом из повивов токи создают на центральной оси оптического кабеля преимущественно продольно направленные составляющие магнитного поля. При этом угол поворота плоскости поляризации на оси соленоида, в котором протекает ток, составляет:
,
-6
где: V- константа Верде V=0,7×10 рад/А; n - количество витков на единицу длины соленоида 1/м; I - ток, протекающий в обмотке соленоида, А;  - длина соленоида, м.
Подбор параметров проволок в повивах и направление скрутки проволок позволяет существенно понизить амплитуду величины продольной составляющей импульсного магнитного поля с соответствующим ослаблением влияния молнии на передачу оптического сигнала.
Электромагнитные процессы, происходящие в кабеле, можно описать процессами, происходящими в цепях и далее исследовать их методом теории электрических цепей. При этом каждый повив проволок рассматривается как совокупность катушек индуктивности, в которых протекают токи замещения от удара молнии и каждый повив может быть представлен пассивным четырехполюсником, а совокупность повивов проволок кабеля может быть представлена каскадным включением однотипных четырехполюсников. При этом задача нахождения минимальной величины магнитного поля сводится к нахождению минимального значения модуля суммарной проводимости электрической схемы замещения.
В качестве ближайшего технического решения рассматривается полезная модель, раскрытая в патенте RU 145245 U (МПК G02B 6/44, опубликовано 06.06.2014). В патенте раскрыт оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос, содержащий оптический модуль в виде герметичной трубки, с уложенными внутри нее оптическими волокнами, с заполнением внутреннего объема трубки гидрофобинольным заполнителем. Вокруг оптического модуля скручены один или несколько повивов из металлических элементов. Герметичная трубка оптического модуля выполнена из нержавеющей стали или из алюминия, или стальная трубка может быть заключена в алюминиевую, при этом повивы, наложенные на герметичную трубку, могут быть выполнены из стальной проволоки, плакированной алюминием или проволок из алюминия, или алюминиевого сплава, или комбинированного сочетания из стальной проволоки, плакированной алюминием и проволок из алюминия или алюминиевого сплава.
Недостатком данных кабелей является подверженность оптических волокон кабелей электромагнитному воздействию, вызванному ударами молний, что приводит к нарушению связи и соответственно потере при использовании таких кабелей в составе высокоскоростных систем передачи с разделением поляризации световых сигналов, за счет явления вращения плоскости поляризации светового сигнала под действием электромагнитного импульса, возникающего при ударе молнии.
Краткое изложение существа изобретения
Технической задачей, решаемой предложенным изобретением, является исключение указанных недостатков известных оптических кабелей, встроенных в грозозащитные тросы, и создание оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, который обеспечивает высокую эксплуатационную надежность, заключающуюся в повышенной стойкости оптического кабеля к воздействию тока короткого замыкания, возникающего в процессе эксплуатации при ударе молнии, путем понижения амплитуды продольной составляющей импульсного магнитного поля, что приведет к соответствующему ослаблению влияния молнии на передачу оптического сигнала и позволит снизить потери передаваемой информации при использовании кабелей в системах с разделением поляризации световых сигналов.
Согласно первому варианту выполнения изобретения указанный технический результат достигается тем, что оптический кабель в грозозащитном тросе, обеспечивающий минимизацию продольного магнитного поля, формируемого в области расположения оптического волокна при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, содержит:
центральную трубку с расположенными внутри нее оптическими волокнами,
по меньшей мере два повива проволок из металлических и/или композитных материалов, размещенных на центральной трубке так, что
в кабеле обеспечено чередование направления скрутки смежных повивов проволок,
при этом комбинация материалов проволок в повивах, конструктивные параметры проволок и шаги скрутки повивов выбраны таким образом, что модуль суммы |Σ| электрических проводимостей, соответствующих составляющим формируемого магнитного поля в каждом из повивов, является минимальным для заданного набора конструктивных параметров повивов и свойств материалов:
, (1)
где: n - количество повивов проволок;
k - номер повива;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива;
k
- сопротивление электрической схемы замещения для k-го повива оптического кабеля в грозозащитном тросе при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, зависящее от конструктивных параметров повивов, включающих диаметр провода, шаг скрутки и диаметр повива, и физических свойств материалов проволок, включающих электропроводность и магнитную проницаемость материала -го повива проволок;
k
m - кратность шага скрутки k-го повива проволок,
k
k
k
m= h/D,
k
h - шаг скрутки k-го повива проволок,
k
D- диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок.
Предпочтительно, чтобы проволоки из металлических и/или композитных материалов имели разную электропроводность.
Предпочтительно, чтобы в оптическом кабеле использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержали стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах стальные проволоки, имеющие защитное антикоррозионное покрытие, были выполнены из стали, плакированной алюминием.
Допускается использование проволок из композитных материалов.
Предпочтительно, чтобы центральная трубка, в которой размещены оптические волокна, была выполнена из металла.
Согласно второму варианту выполнения изобретения указанный технический результат достигается тем, что оптический кабель в грозозащитном тросе, обеспечивающий минимизацию продольного магнитного поля, формируемого в области расположения оптического волокна при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, содержит:
центральный элемент в виде проволоки или полой трубки,
по меньшей мере три повива проволок из металлических и/или композитных материалов, размещенных на центральном элементе, так что в указанном кабеле обеспечивается чередование направления скрутки смежных повивов проволок,
по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами, размещенную в одном из повивов проволок,
при этом оптический кабель содержит столько повивов, чтобы количество повивов, внешних по отношению к повиву, содержащему трубку/трубки с оптическими волокнами и наиболее удаленному от центрального элемента, равнялось двум,
при этом комбинация материалов проволок в повивах, конструктивные параметры проволок и шаги скрутки повивов выбраны таким образом, что модуль суммы |Σ| электрических проводимостей, соответствующих составляющим формируемого магнитного поля в каждом из повивов является минимальным для заданного набора конструктивных параметров повивов и свойств материалов:
, (2)
где: n - количество повивов проволок;
k - номер повива;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива;
k
- сопротивление электрической схемы замещения для k-го повива при прохождении импульса тока, обусловленного внешним воздействием, зависящее от конструктивных параметров повивов, включающих диаметр провода, шаг скрутки и диаметр повива, и физических свойств, включающих электропроводность и магнитную проницаемость, материала - го повива проволок;
k
m - кратность шага скрутки k-го повива проволок,
k
k
k
m= h/D,
k
h - шаг скрутки k-го повива проволок,
k
D- диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,
k
1/Z= 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенные в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.
Предпочтительно, чтобы проволоки из металлических и/или композитных материалов имели разную электропроводность.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержали стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах стальные проволоки, имеющие защитное антикоррозионное покрытие, были выполнены из стали, плакированной алюминием.
Допускается использование проволок из композитных материалов.
Возможно, чтобы оптический кабель дополнительно содержал по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами, размещенную в другом из повивов проволок, при этом оптический кабель содержал столько повивов, чтобы количество повивов, внешних по отношению к повиву, содержащему трубку/трубки с оптическими волокнами и наиболее удаленному от центрального элемента, равнялось двум.
Согласно третьему варианту выполнения изобретения указанный технический результат достигается тем, что оптический кабель в грозозащитном тросе, обеспечивающий минимизацию продольного магнитного поля, формируемого в области расположения оптического волокна при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, содержит:
центральный элемент в виде трубки с оптическими волокнами,
по меньшей мере три повива проволок из металлических и/или композитных материалов, размещенных на центральном элементе,
по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами, размещенную в одном из повивов проволок,
при этом в оптическом кабеле обеспечивается чередование направления скрутки смежных повивов проволок,
при этом кабель содержит столько повивов, чтобы количество повивов, внешних по отношению к повиву, содержащему трубку с оптическими волокнами, равнялось двум,
при этом комбинация материалов проволок в повивах, конструктивные параметры проволок и шаги скрутки повивов выбраны таким образом, что модуль суммы |Σ| электрических проводимостей, соответствующих составляющим формируемого магнитного поля в каждом из повивов является минимальным для заданного набора конструктивных параметров повивов и свойств материалов:
, (3)
где:
n - количество повивов проволок;
k - номер повива;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива;
k
- сопротивление электрической схемы замещения для k-го повива при прохождении импульса тока, обусловленного внешним воздействием, зависящее от конструктивных параметров повивов, включающих диаметр провода, шаг скрутки и диаметр повива, и физических свойств, включающих электропроводность и магнитную проницаемость, материала -го повива проволок;
k
m - кратность шага скрутки k-го повива проволок,
k
k
k
m = h/D,
k
h - шаг скрутки k-го повива проволок,
k
D - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,
k
1/Z= 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенные в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.
Предпочтительно, чтобы проволоки из металлических и/или композитных материалов имели разную электропроводность.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержали стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах стальные проволоки, имеющие защитное антикоррозионное покрытие, были выполнены из стали, плакированной алюминием.
Допускается использование проволок из композитных материалов.
Предложенный оптический кабель в грозозащитном тросе обеспечивает достижение минимального электромагнитного воздействия на оптическое волокно кабеля и, соответственно, уменьшается угол поворота оси поляризации оптического сигнала, повышается помехоустойчивость и обеспечивается снижение потерь информации при использовании кабелей в системах с разделением поляризации световых сигналов от ударов молний.
Предлагаемые принципы выбора конструкций кабеля позволяют уменьшить воздействие электромагнитного импульса, возникающего при ударе молнии, на оптические волокна высокоскоростных волоконно-оптических систем связи, использующих разделение поляризации оптических сигналов. В целом предлагаемый принцип выбора конструкций позволяет повысить эксплуатационную надежность высокоскоростных волоконно-оптических систем связи.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1А изображает электрическую схему замещения повивов кабеля для импульсных токов молнии;
Фиг. 1В изображает схему четырехполюсника в электрической схеме замещения повивов;
Фиг. 2 изображает первый вариант выполнения оптического кабеля в грозозащитном тросе с центральной трубкой с оптическими волокнами (поперечное сечение) и двумя повивами проволок, имеющими разное направление скрутки;
Фиг. 3 изображает второй вариант выполнения оптического кабеля, в котором оптический кабель содержит центральный элемент в виде проволоки, при этом трубки с оптическими волокнами размещены в повиве, прилегающем к центральному элементу (поперечное сечение);
Фиг. 4 изображает второй вариант выполнения оптического кабеля, в котором оптический кабель содержит центральный элемент в виде полой трубки, при этом трубки с оптическими волокнами размещены в двух повивах, прилегающих к центральному элементу (поперечное сечение);
Фиг. 5 изображает третий вариант выполнения оптического кабеля в грозозащитном тросе с центральной трубкой с оптическими волокнами, который дополнительно содержит по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами, размещенную в повиве, прилегающем к центральной трубке (поперечное сечение);
Фиг. 6 изображает функциональную схему испытательной установки, в которой использован оптический кабель в грозозащитном тросе с центральной трубкой с оптическими волокнами, к которому подключены источник оптического излучения и анализатор поляризации оптических сигналов;
Фиг. 7 изображает схематично испытательную установку, где показаны подвешенные на опорах два варианта оптических кабелей в грозозащитном тросе, причем первый вариант содержит кабель с одним повивом, а второй вариант содержит кабель с двумя повивами;
Фиг. 8 изображает электрический импульс, подаваемый в кабель при испытаниях;
Фиг. 9 изображает след на сфере Пуанкаре за время действия импульса тока для кабеля, содержащего один повив проволок;
Фиг. 10 изображает нормализованные компоненты Стокса за время действия импульса тока для кабеля, содержащего один повив проволок;
Фиг. 11 изображает след на сфере Пуанкаре за время действия импульса тока для кабеля, содержащего два повива проволок;
Фиг. 12 изображает нормализованные компоненты Стокса за время действия импульса тока для кабеля, содержащего два повива проволок.
Теоретическое обоснование предложенного технического решения
Заявленная конструкция описывается с использованием методики представления сетчатых экранов кабелей в виде эквивалентных схем, представляющих собой каскадное соединение четырехполюсников, исходя из того, что эквивалентная схема повива проволок кабеля при протекании в нем импульсного электрического тока молнии такая же, как при протекании высокочастотного наведенного тока. При этом описание отличается с той точки зрения, что рассматривается взаимодействие полей от каждого из повивов проволок во внутренней области кабеля, при этом повивы проволок рассматриваются как имеющие разные направления скрутки и слабо взаимодействующие друг с другом.
Формула  (1) представляет собой упрощенное выражение для эквивалентной проводимости электрической схемы замещения повивов проволок кабеля. Электрическая схема представляет собой последовательное соединение n четырехполюсников (фиг. 1А, фиг. 1В), по числу повивов проволок кабеля, где каждый повив k в кабеле описывается Г-образным четырехполюсником 2, в котором каждое из параллельно подключенных комплексных сопротивлений Г-образных четырехполюсников представляют собой импеданс витков проволок, из которых состоит повив k кабеля, а последовательно включенные комплексные сопротивления  Г-образных четырехполюсников учитывают индуктивную связь между соседними повивами проволок кабеля, при этом, в формуле (1) влияние соленоидов, образованных повивами с протекающими в них импульсными токами, на магнитное поле во внутренней области кабеля считают независимым друг от друга и влиянием индуктивной связи между повивами пренебрегают. Полное эквивалентное сопротивление электрической схемы замещения повивов проволок кабеля с учетом взаимной индуктивной связи смежных повивов выражается лестничной дробью:
(4)
где:  - представляют собой погонные комплексные электрические сопротивления схемы замещения повивов кабеля ;
- полное эквивалентное сопротивление схемы замещения повивов проволок кабеля;
k-
- сопротивление замещения го повива проволок кабеля;
- сопротивление связи k-го повива проволок кабеля с повивом k-1,
n -
количество повивов проволок в кабеле;
= jωL
, L
= µ
m
F
; L
= µ
m
F
, L
= L
+L
k
k
1
0
k
k
1
k
2
0
k
k
2
k
k
1
k
2,
2
2
где L
- индуктивность связи k-го повива проволок кабеля с повивом k-1 общая,
k
L
L
- индуктивность связи k-го повива проволок кабеля с повивом k-1 для проволок, где индекс 1 для проволок из материала А, например, из стали, плакированной алюминием, и индекс 2 для проволок из материала В, например, из алюминиевого сплава;
k
1,
k
2
F
, F
k-
k-1
k
1
k
2
- площади поперечных сечений между м повивомпроволок и повивом  для материалов А и В, соответственно;
k=1
для , значения представляют собой значения связи первого повива проволок с центральной трубкой, площади поперечных сечений представляют собой площади между первым повивом и центральной трубкой.
; ;
;
где:
k-
- сопротивление замещения го повива проволок кабеля для материалов А и В;
k-
- импеданс витка проволоки го повива проволок кабеля для материалов А и В;
k-
- внешняя индуктивность витка проволоки го повива проволок кабеля для материалов А и В;
k-
- количество витков на единицу длины проволоки го повива проволок кабеля;
k-
- периметр витка проволоки го повива проволок кабеля для материалов А и В;
k-
- диаметр проволоки го повива проволок кабеля для материалов А и В;
k-
- расстояние между соседними проволоками го повива проволок кабеля из материалов А и В;
- удельное сопротивление материалов А и В проволок кабеля;
- эквивалентная глубина проникновения для материалов А и В проволок кабеля;
µ
µ
µ
-
0,
1,
2
абсолютная и относительные магнитные проницаемости для материалов А и В проволок кабеля соответственно;
ω - круговая частота переменного электрического тока.
Условие достижения минимума поля выражается в минимальном значении эквивалентного сопротивления электрической схемы замещения повивов проволок кабеля:
,
что соответствует взаимной компенсации противоположно направленных токов замещения в параллельных ветвях схемы замещения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Согласно первому варианту воплощения изобретения, оптический кабель 3 (фиг. 2) в грозозащитном тросе обеспечивающий минимизацию продольного магнитного поля, формируемого в области расположения оптического волокна при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, содержит центральную трубку 4 с расположенными внутри нее оптическими волокнами 5.
На центральной трубке 4 размещены по меньшей мере два повива 6 и 7 проволок из металлических и/или композитных материалов. Повивы 6 и 7 размещены так, что в кабеле 3 обеспечено чередование направления скрутки смежных повивов 6 и 7, т.е. по часовой стрелке и против часовой стрелки.
Использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку 8, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку 9 из алюминиевого сплава.
С целью улучшения свойств кабеля могут применяться проволоки из композитных материалов, например, с микроволокнами из оксида алюминия в составе алюминиевой проволоки, для повышения ее прочностных характеристик.
Комбинация материалов А и В проволок 8 и 9 в повивах 6 и 7, конструктивные параметры проволок и шаги скрутки повивов выбраны таким образом, что модуль суммы |Σ| электрических проводимостей, соответствующих составляющим формируемого магнитного поля в каждом из повивов 6, 7 является минимальным для заданного набора конструктивных параметров повивов и свойств материалов:
, (1)
где: n - количество повивов проволок;
k - номер повива;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива;
Z
, Z
k
c
1
l
1
- сопротивление электрической схемы  (фиг. 1) замещения для k-го повива оптического кабеля в грозозащитном тросе при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, зависящее от конструктивных параметров повивов, включающих диаметр ʺdʺ провода, шаг скрутки и диаметр ʺDʺ повива, и физических свойств материалов А и В проволок, включающих электропроводность и магнитную проницаемость материала -го повива проволок;
k
m - кратность шага скрутки k-го повива проволок,
k
k
k
m= h/D,
k
h - шаг скрутки k-го повива проволок,
k
D- диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок.
-й
Как указано выше, техническое решение основано на электрической схеме замещения кабеля, которая представляет собой каскадное соединение n четырехполюсников по числу повивов проволок оптического кабеля, где каждый повив проволок в оптическом кабеле 3 описан Г-образным четырехполюсником, в котором каждое из параллельно подключенных комплексных сопротивлений Г-образных звеньев  представляет собой импеданс витков проволок 8 и 9, из которых состоит k повив кабеля, а последовательно включенные комплексные сопротивления Г-образных звеньев учитывают индуктивную связь между соседними повивами 6 и 7 кабеля.
Проволоки 8 и 9 из металлических и композитных материалов имеют разную электропроводность.
Центральная трубка 4, в которой размещены оптические волокна 5, выполнена из металла и обеспечивает герметичность оптических волокон 5.
Функция центральной герметичной металлической трубки 4 состоит в защите оптических волокон 5 от факторов окружающей среды, стальные проволоки 8, плакированные алюминием, противостоят механической растягивающей нагрузке, а проволоки 9 из алюминиевого сплава являются электрическим проводником, транспортирующим индуцированные молнией токи от места воздействия до места заземления.
Согласно второму варианту воплощения изобретения оптический кабель в грозозащитном тросе 10 (фиг. 3), обеспечивающий минимизацию продольного магнитного поля, формируемого в области расположения оптического волокна при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, содержит центральный элемент 11, который в описываемом варианте выполнен в виде проволоки, и по меньшей мере три повива 12, 13, 14 проволок из металлических или композитных материалов, размещенных на центральном элементе 11. В описываемом варианте центральный элемент 11 выполнен в виде проволоки. В кабеле 10 также обеспечивается чередование направления скрутки смежных повивов 12, 13, 14 проволок.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 3, оптический кабель 10 содержит две трубки 15 с оптическими волокнами 16, размещенные в одном повиве 12, прилегающем к центральному элементу 11. При этом количество повивов, внешних по отношению к повиву 12, содержащему трубки 15 с оптическими волокнами, и наиболее удаленных от центрального элемента 11, равно двум.
Использованные в повивах 12, 13, 14 проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку 17, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку 18 из алюминиевого сплава.
Допускается использование проволок из композитных материалов, например, с микроволокнами из оксида алюминия в составе алюминиевой проволоки, для повышения ее прочностных характеристик.
Комбинация материалов А и В проволок в повивах 12, 13, 14, конструктивные параметры проволок и шаги скрутки повивов выбраны таким образом, что модуль суммы |Σ| электрических проводимостей, соответствующих составляющим формируемого магнитного поля в каждом из повивов, является минимальным для заданного набора конструктивных параметров повивов и свойств материалов:
, (2)
где: n - количество повивов проволок;
k - номер повива;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива;
k
- сопротивление электрической схемы замещения для k-го повива при прохождении импульса тока, обусловленного внешним воздействием, зависящее от конструктивных параметров повивов, включающих диаметр ʺdʺ провода, шаг скрутки и диаметр ʺD повива, и физических свойств, включающих электропроводность и магнитную проницаемость, материала -го повива проволок;
k
m - кратность шага скрутки k-го повива проволок,
k
k
k
m= h/D,
k
h - шаг скрутки k-го повива проволок,
k
D - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,
k
1/Z= 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенную в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.
Проволоки из металлических и/или композитных материалов также имеют разную электропроводность.
На фиг. 4 показан вариант оптического кабеля 19 в грозозащитном тросе, который содержит центральный элемент 20 в виде полой трубки и четыре повива 21, 22, 23 и 24 проволок из металлических и/или композитных материалов, размещенных на центральном элементе 20. В кабеле 19 также обеспечивается чередование ориентации смежных повивов 21, 22, 23 и 24 проволок и указанные повивы являются разнонаправленными.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 4, оптический кабель 19 содержит две трубки 25 с оптическими волокнами, размещенные в одном повиве 21, прилегающем к центральному элементу 20. Дополнительно кабель 19 содержит четыре трубки 26 с оптическими волокнами, размещенные в повиве 22. При этом количество повивов, внешних по отношению к повиву 22, содержащему трубки 26 с оптическими волокнами, и наиболее удаленных от центрального элемента 20, равно двум.
Согласно третьему варианту воплощения изобретения (фиг. 5) оптический кабель 27 в грозозащитном тросе, обеспечивающий минимизацию продольного магнитного поля, формируемого в области расположения оптического волокна при прохождении импульса тока в грозозащитном тросе, содержит центральный элемент 28 в виде трубки с оптическими волокнами и по меньшей мере три повива 29, 30, 31 проволок из металлических и/или композитных материалов, размещенных на центральном элементе 28.
Кабель 27 содержит по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами, размещенную в одном из повивов проволок, в описываемом варианте кабель 27 содержит две трубки 32 с оптическим волокнами, размещенные в повиве 29, прилегающем к центральному элементу 28.
При этом в оптическом кабеле 27 обеспечивается чередование направления скрутки смежных повивов 29, 30, 31 проволок. Количество повивов, внешних по отношению к повиву 29, содержащему трубки 32 с оптическими волокнами, равнялось двум.
Использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку 33, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку 34 из алюминиевого сплава.
Допускается использование проволок из композитных материалов.
При этом комбинация материалов А и В проволок 33 и 34 в повивах, конструктивные параметры проволок и шаги скрутки повивов выбраны таким образом, что модуль суммы |Σ| электрических проводимостей, соответствующих составляющим формируемого магнитного поля в каждом из повивов является минимальным для заданного набора конструктивных параметров повивов и свойств материалов:
, (3)
где:
n - количество повивов проволок;
k - номер повива;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива;
k
- сопротивление электрической схемы замещения для k-го повива при прохождении импульса тока, обусловленного внешним воздействием, зависящее от конструктивных параметров повивов, включающих диаметр ʺdʺ провода, шаг скрутки и диаметр ʺD повива, и физических свойств, включающих электропроводность и магнитную проницаемость, материала -го повива проволок;
k
m - кратность шага скрутки k-го повива проволок,
k
k
k
m = h/D,
k
h - шаг скрутки k-го повива проволок,
k
D- диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,
k
1/Z= 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенные в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.
Проволоки из металлических и/или композитных материалов А и В имеют разную электропроводность.
В повивах проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.
Допускается использование проволок из композитных материалов.
Испытание конструкций оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, на воздействие импульсных токов, имитирующих воздействие молнии
Воздействие токов молнии помимо хорошо известного термического воздействия на элементы кабеля приводит к генерации импульсного магнитного поля внутри оптического кабеля, состоящего в случае прямолинейного кабеля из продольной (осевой) компоненты.
Как указано выше, последние исследования и информация, предоставленная операторами связи, свидетельствуют о том, что быстро изменяющееся продольное магнитное поле негативно влияет на передачу информации по волокну с использованием формата уплотнения по поляризациям света. Причиной проблемы является быстрое вращение оси поляризации света в волокне под воздействием меняющегося магнитного поля, параллельного оси волокна, в соответствии с законом Фарадея.
Так как картина магнитного поля в центре оптического кабеля определяется его конструкцией, в которой каждый повив ведет себя как соленоид, подбор параметров проволок в повивах и чередование направлений скрутки проволок позволяет существенно понизить амплитуду величины импульсного магнитного поля с соответствующим ослаблением влияния молнии на передачу оптического сигнала.
Целью испытаний является сравнение изменения углов поворота поляризации света в оптических волокнах под воздействием импульсных токов в одно- и двухповивной конструкциях оптического кабеля, где соседние повивы имеют противоположные направления скрутки.
Описание установки
Функциональная схема установки 35 приведена на фиг. 6. Установка 35 состоит из отрезка 36 оптического кабеля, оптические волокна которого соединены в блоке 37 оптического присоединения в кольцо. В блоке 37 в оптические волокна кабеля 36 подается непрерывный оптический сигнал от источника 38 оптического излучения, фаза оптического сигнала на выходе из кабеля оценивается анализатором 39 поляризации оптических сигналов, также подключенном к кабелю через блок 37 оптического присоединения.
К повивам отрезка 36 оптического кабеля через клеммы 40 подается импульсный ток разряда от источника 41 импульсного тока. Под действием импульсного тока разряда, имитирующего ток молнии, происходит поворот оси поляризации оптического сигнала в кабеле 36, указанный поворот определяется анализатором 39 поляризации оптических сигналов.
Были проведены испытания двух образцов кабеля 36, имеющих разную конструкцию, и осуществлено сравнение результатов испытаний.
Установка 35 (фиг. 7) содержит опоры 42, 43, 44, 45 для крепления оптических кабелей в грозозащитном тросе в подвешенном состоянии. На указанных опорах размещены два образца 46 и 47 оптических кабелей в грозозащитных тросах, причем образец 46 является одноповивным кабелем и размещен на опорах 42, 44, а образец 47 является двухповивным кабелем размещен на опорах 43, 45.
Кабели 46, 47 подвешены при помощи коромысел 48, 49, соответственно, с использованием изоляторов 50, 51 и спиральных зажимов 52, 53, соответственно.
Каждый образец 46, 47 подвешен между соответствующими опорами 42, 44 и 43, 45 при помощи стандартной сцепной и спиральной арматуры в две «нитки», так что оба конца каждого образца 46 и 47 кабеля подведены к испытательному стенду 54. Расстояние между опорами 42 и 44, а также 43 и 45 составляет около 50 м, причем, как указано, кабели 46, 47 изолированы от опор при помощи изоляторов 50, 51, соответственно. Оптические волокна, содержащие двенадцать одномодовых волокон стандарта G.652 в каждом из образцов 46, 47, соединены сваркой в кольцо и образуют непрерывную оптическую линию длиной около 1,2 км.
Испытательный стенд 54 содержит источник 41 импульсного тока, источник 38 оптического излучения на длине волны λ =1550 нм (EXFO FOT600) и анализатор 39 поляризации оптических сигналов (Keysight N7781В). Источник 41 импульсного тока содержит источник питания 55, конденсатор 56, подключенный через тиристор 57 во время испытаний либо к повиву одноповивного кабеля 46, либо к внешнему повиву двухповивного кабеля 47 (не показано). Конденсатор 56 связан также с вольтметром 58.
Установка работает следующим образом.
Оптический сигнал подается в оптические волокна кабеля 46 или 47 с выхода источника 38 оптического излучения.
Электрический импульс формируется источником 41 импульсного тока, т.е. конденсатором 56(0,1Ф х 50В), и через тиристор 57 подается на клемму 40 к повивам оптического кабеля. Электрический импульс проходит через повивы оптического кабеля 46 или 47. Разрядный ток управляется ступенчато последовательным подключением набора сопротивлений 59 от 0,1 Ом до 1 Ом. Форма электрического импульса (фиг. 8) контролируется цифровым осциллографом 60 с дисплеем 61 по падению напряжения на последовательно подключенных сопротивлениях 59.
В зависимости от величины последовательно включенных сопротивлений 59 фронт импульса тока имеет длительность 0,8-1,7 мс.
Поскольку для работы системы передачи оптического сигнала важна скорость изменения состояния поляризации, наибольший интерес представляет ее поведение на фронтальной части импульса тока, где изменения наиболее быстрые.
К анализатору 39 поляризации оптических сигналов подключен дисплей 62.
Результаты испытаний
Как указано выше, испытания проводились на двух образцах 46, 47. Оба образца 46, 47 кабеля содержат оптические волокна стандарта G.652, помещенные в стальную трубку и сваренные в кольцо.
Описание образцов
Образец 46 одноповивного кабеля
Направление повива левое (против чаcовой стрелки), центральная стальная трубка, диаметром 3,2 мм, вокруг шесть проволок диаметром 3 мм стальных, плакированных алюминием. Диаметр повива 9,2 мм, шаг скрутки - 90 мм, длина оптического волокна в образце кабеля, по данным оптической рефлектометрии составляет 1,186 км.
Образец 47 двухповивного кабеля
1-й повив левый (против часовой стрелки), такой же, как у одноповивного, второй повив правый (по часовой стрелке), содержит двенадцать проволок диаметром 3 мм. Внешний диаметр повива составляет 15,2 мм, шаг скрутки 160 мм, длина оптического волокна в образце кабеля, по данным оптической рефлектометрии - 1,172 км.
Количество повивов, внешних по отношению к центральной трубке с оптическими волокнами, равно двум.
k
Конструктивные параметры повивов, включающие диаметр провода, шаг скрутки и диаметр внешнего повива, составляющий 15,2 мм, а также физические свойства материала проволок, включающие электропроводность и магнитную проницаемость материала -го повива проволок подобраны так, чтобы .
Полученные результаты
Образец одноповивного кабеля
Величина импульса тока составляет 83 А. На фиг. 10 показаны нормализованные компоненты Стокса S1, S2, S3, и на фиг. 9 показан след F1 на сфере Пуанкаре за время действия импульса.
1
2
Угол поворота оси поляризации Δϕ пропорционален длине следа на сфере Пуанкаре в плоскости координат Sи S и составляет:
,
н
к
где: ϕи ϕ - начальное и конечное положения угла поворота оси поляризации в начальный и конечный моменты времени внешнего воздействия.
При учете изменений вращения фазы оптического сигнала за время действия фронта импульса электрического тока (фиг. 8),
1н
2н
1к
2к
1
S=-0,453; S=-0,185; S=-0,252; S=-0,718; получаем Δϕ=0,43 рад=24,2
Образец двухповивного кабеля.
Величина импульса тока составляет 91 А. На фиг. 11 показан след F2 на сфере Пуанкаре за время действия импульса тока.
1н
2н
1к
2к
2
Видно, что след F2 на сфере Пуанкаре для второго двухповивного образца 47 значительно короче следа F1 на сфере Пуанкаре для первого одноповивного образца 46, что свидетельствует о меньшем угле поворота плоскости поляризации оптического сигнала двухповивного кабеля. Точки H1 и H2 на кривых F1 (фиг 9) и F2 (фиг.10) показывают конечное состояние параметров поляризации сигнала по окончании действия импульса. Величины параметров Стокса S1, S2, S3 приведены на фиг.9 и фиг.10 в верхнем правом углу. При учете изменений вращения фазы за время действия фронта импульса, пользуясь последним набором формул для вычисления изменения фазы оптического сигнала, с учетом S=0,675; S=-0,401; S=0,556; S=-0,406; получаем угол поворота оси поляризации Δϕ=0,047 рад=2,7°. То есть, угол поворота оси поляризации Δϕ для двухповивного кабеля относительно одноповивного меньше примерно в 9 раз.
Заключение
Таким образом, видно, что примерно при одинаковом воздействии фактического импульсного тока и при одинаковой мощности входного сигнала, угол поворота плоскости поляризации оптического сигнала для двухповивной конструкции кабеля является значительно меньшим, чем для одноповивной, что объясняется взаимокомпенсирующим действием повивов, имеющих разное направление скрутки, на величину магнитного поля внутри повивов, а также конструктивными параметрами повивов, включающими диаметр провода, шаг скрутки и диаметр внешнего повива, физическими свойствами материала проволок, включающими электропроводность и магнитную проницаемость материала.
Промышленная применимость
Оптический кабель в грозозащитном тросе может быть эффективно использован для защиты оптических систем связи на воздушных линиях электропередач при ударах молний.