RU2688897C1 - Optical cable in lightning protection cable - Google Patents
Optical cable in lightning protection cable Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688897C1 RU2688897C1 RU2018123586A RU2018123586A RU2688897C1 RU 2688897 C1 RU2688897 C1 RU 2688897C1 RU 2018123586 A RU2018123586 A RU 2018123586A RU 2018123586 A RU2018123586 A RU 2018123586A RU 2688897 C1 RU2688897 C1 RU 2688897C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wires
- wire
- cable
- optical
- layers
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 101
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 72
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 50
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 25
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 62
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 32
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 21
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 15
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 11
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 13
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 7
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 92
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 24
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000001579 optical reflectometry Methods 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 206010042255 Struck by lightning Diseases 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/44—Mechanical structures for providing tensile strength and external protection for fibres, e.g. optical transmission cables
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Communication Cables (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
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.The present invention relates to fiber optic communication lines, in particular to optical cables embedded in a ground wire, and can be used to increase the protection of optical communication systems on overhead power lines during lightning strikes.
Предшествующий уровень техникиPrior art
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.Typical modern designs of optical cables embedded in a ground wire are a central sealed metal tube with optical fibers, over which one or more flashing consisting of combinations of steel wires clad with aluminum and / or wires of aluminum or aluminum alloy are superimposed.
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.The function of the central sealed metal tube is to protect the fibers from environmental factors, aluminum-clad steel wires withstand mechanical tensile stress, and aluminum or aluminum-alloy wires are electrical conductors that transport lightning-induced currents from the point of impact to the ground.
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.The impact of lightning currents in addition to the well-known thermal effect on the cable elements leads to the generation of a pulsed magnetic field inside an optical cable, consisting in the case of a straight-line cable from a longitudinal (axial) component. Recent studies and information provided by telecom operators indicate that a rapidly changing longitudinal magnetic field adversely affects the transmission of information over the fiber using a compression format for light polarizations, i.e. there is a loss of transmitted information. The phenomenon is caused by the rapid rotation of the axis of polarization of light in a fiber under the influence of a varying magnetic field parallel to the axis of the fiber, in accordance with Faraday law.
Угол поворота плоскости поляризации света в оптическом волокне зависит от величины напряженности продольной составляющей магнитного поля и составляет:The angle of rotation of the plane of polarization of light in an optical fiber depends on the magnitude of the intensity of the longitudinal component of the magnetic field and is:
, ,
где: V- константа Верде V=0,7×10-6 рад/км; H - продольная составляющая напряженности магнитного поля в оптическом волокне, А/м; l- длина оптического волокна, подвергающегося воздействию поля, м.where: V- Verde constant V = 0.7 × 10 -6 rad / km; H is the longitudinal component of the magnetic field strength in an optical fiber, A / m; l is the length of the optical fiber exposed to the field, m
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:When a lightning strike occurs, the magnetic field picture on the central axis of an optical cable is determined by its design, in which each layer of wire behaves like a solenoid, and the currents flowing in each layer create on the central axis of the optical cable mainly longitudinally directed magnetic field components. The angle of rotation of the polarization plane on the axis of the solenoid, in which the current flows, is:
, ,
где: V- константа Верде V=0,7×10-6 рад/А; n - количество витков на единицу длины соленоида 1/м; I - ток, протекающий в обмотке соленоида, А; - длина соленоида, м.where: V-Verde constant V = 0.7 × 10 -6 rad / A; n is the number of turns per unit length of the
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.The selection of wire parameters in the windings and the direction of wire twist significantly reduces the amplitude of the magnitude of the longitudinal component of the pulsed magnetic field with a corresponding weakening of the effect of lightning on the transmission of the optical signal.
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.Electromagnetic processes occurring in the cable can be described by processes occurring in the circuits and further investigated by the method of the theory of electrical circuits. In this case, each wire is considered as a set of inductors in which substitution currents flow from a lightning strike, and each layer can be represented by a passive two-port network, and a set of cable wire strands can be represented by a cascade connection of single-type four-pole networks. The task of finding the minimum magnitude of the magnetic field is reduced to finding the minimum value of the modulus of the total conductivity of the electrical equivalent circuit.
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.As the nearest technical solution is considered a utility model disclosed in patent RU 145245 U (IPC
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.The disadvantage of these cables is that the optical fibers of the cables are susceptible to electromagnetic interference caused by lightning strikes, which leads to communication failure and, therefore, loss when using such cables as part of high-speed transmission systems with polarization separation of light signals due to the effect of an electromagnetic pulse arising from a lightning strike.
Краткое изложение существа изобретенияSummary of the Invention
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.The technical problem solved by the proposed invention is the elimination of these disadvantages of the known optical cables embedded in the ground wire, and the creation of an optical cable embedded in the ground wire, which provides high operational reliability, which consists in increasing the resistance of the optical cable to the effects of short circuit current operation during a lightning strike, by lowering the amplitude of the longitudinal component of the pulsed magnetic field, which will lead to appropriately reducing the effect of lightning on the transmission of the optical signal and will reduce the loss of transmitted information when using cables in systems with polarization separation of light signals.
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:According to the first embodiment of the invention, said technical result is achieved in that the optical cable in a ground wire, minimizing the longitudinal magnetic field generated in the area of the optical fiber during the passage of a current pulse in a ground wire, contains:
центральную трубку с расположенными внутри нее оптическими волокнами,central tube with optical fibers located inside it,
по меньшей мере два повива проволок из металлических и/или композитных материалов, размещенных на центральной трубке так, чтоat least two poviv wires from metal and / or composite materials placed on the central tube so that
в кабеле обеспечено чередование направления скрутки смежных повивов проволок,the cable provides alternation of the direction of twisting of the adjacent layers of the wires,
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:at the same time, the combination of wire materials in the strands, the design parameters of the wires, and the twisting steps of the layers are chosen so that the modulus of the sum | Σ | electrical conductivities corresponding to the components of the formed magnetic field in each of the windings, is minimal for a given set of design parameters of the windings and material properties:
, (1) , (one)
где: n - количество повивов проволок;where: n - the number of windings wires;
k - номер повива;k - number of dressing;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива; - component of the longitudinal magnetic field of the k-th layer;
- 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 k-го повива проволок; - resistance of the electrical equivalent circuit for the k-th fiber sheet of the optical cable in the ground wire during the passage of a current pulse in the ground wire depending on the design parameters of the layers, including the wire diameter, twist pitch and the diameter of the sheet, and the physical properties of the wire materials, including electrical conductivity and magnetic permeability material of the k- th layer;
mk - кратность шага скрутки k-го повива проволок,m k - the multiplicity step of twisting the k-th dressing wire,
mk = hk/Dk,m k = h k / D k ,
hk - шаг скрутки k-го повива проволок,h k - the twist pitch of the k-th layer of wires,
Dk - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок.D k - the diameter of the circle described around the k-th dressing wire.
Предпочтительно, чтобы проволоки из металлических и/или композитных материалов имели разную электропроводность.Preferably, the wires of metal and / or composite materials have different electrical conductivity.
Предпочтительно, чтобы в оптическом кабеле использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержали стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.Preferably, in the optical cable, wires from metallic materials used in the coatings contain steel wire having a protective anticorrosion coating and aluminum alloy wire.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах стальные проволоки, имеющие защитное антикоррозионное покрытие, были выполнены из стали, плакированной алюминием.Preferably, the steel wires used in the windings, having a protective anti-corrosion coating, are made of steel clad with aluminum.
Допускается использование проволок из композитных материалов.The use of wires made of composite materials.
Предпочтительно, чтобы центральная трубка, в которой размещены оптические волокна, была выполнена из металла.Preferably, the central tube in which the optical fibers are placed is made of metal.
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:According to the second embodiment of the invention, said technical result is achieved by the fact that an optical cable in a ground wire, minimizing the longitudinal magnetic field generated in the area of the optical fiber during the passage of a current pulse in a ground wire, contains:
центральный элемент в виде проволоки или полой трубки,central element in the form of wire or hollow tube
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,at least three poviv wires from metal and / or composite materials placed on the central element, so that the specified cable provides alternation of the direction of twisting of adjacent poviv wires,
по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами, размещенную в одном из повивов проволок,at least one tube with optical fibers placed in one of the layers of the wires,
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,the optical cable contains so many windings that the number of windings external to the winding containing the tube / tubes with optical fibers and furthest from the central element is two,
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:at the same time, the combination of wire materials in the strands, the design parameters of the wires, and the twisting steps of the layers are chosen so that the modulus of the sum | Σ | electrical conductivities corresponding to the components of the formed magnetic field in each of the windings is minimal for a given set of design parameters of windings and material properties:
, (2) , (2)
где: n - количество повивов проволок;where: n - the number of windings wires;
k - номер повива;k - number of dressing;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива; - component of the longitudinal magnetic field of the k-th layer;
- 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 k- го повива проволок; - resistance of the electrical equivalent circuit for the k-th layer during the passage of a current pulse caused by an external effect, depending on the design parameters of the layers, including the wire diameter, twist pitch and the diameter of the sheet, and physical properties, including electrical conductivity and magnetic permeability, of the k -th sheet material wire;
mk - кратность шага скрутки k-го повива проволок,m k - the multiplicity step of twisting the k-th dressing wire,
mk = hk/Dk,m k = h k / D k ,
hk - шаг скрутки k-го повива проволок,h k - the twist pitch of the k-th layer of wires,
Dk - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,D k - the diameter of the circle described around the k-th dressing wire,
1/Zk = 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенные в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.1 / Z k = 0 for the k-th layer of wires having at least one tube with optical fibers placed in this layer.
Предпочтительно, чтобы проволоки из металлических и/или композитных материалов имели разную электропроводность.Preferably, the wires of metal and / or composite materials have different electrical conductivity.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержали стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.It is preferable that the wires of metallic materials used in the windings contain steel wire having a protective anti-corrosion coating and aluminum alloy wire.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах стальные проволоки, имеющие защитное антикоррозионное покрытие, были выполнены из стали, плакированной алюминием.Preferably, the steel wires used in the windings, having a protective anti-corrosion coating, are made of steel clad with aluminum.
Допускается использование проволок из композитных материалов.The use of wires made of composite materials.
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.It is possible that the optical cable additionally contains at least one tube with optical fibers placed in another of the wire filaments, while the optical cable contains so many layers that the number of layers external to the layer containing the tube / tubes with optical fibers and most remote from the central element, was equal to two.
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:According to a third embodiment of the invention, said technical result is achieved in that the optical cable in a ground wire, minimizing the longitudinal magnetic field generated in the area of the optical fiber during the passage of a current pulse in a ground wire, contains:
центральный элемент в виде трубки с оптическими волокнами,central element in the form of a tube with optical fibers,
по меньшей мере три повива проволок из металлических и/или композитных материалов, размещенных на центральном элементе,at least three poviv wires from metal and / or composite materials placed on the central element,
по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами, размещенную в одном из повивов проволок,at least one tube with optical fibers placed in one of the layers of the wires,
при этом в оптическом кабеле обеспечивается чередование направления скрутки смежных повивов проволок,while in the optical cable is provided by the alternation of the direction of twisting of the adjacent layers of the wires,
при этом кабель содержит столько повивов, чтобы количество повивов, внешних по отношению к повиву, содержащему трубку с оптическими волокнами, равнялось двум,the cable contains so many windings that the number of windings external to the winding containing the tube with optical fibers is equal to two,
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:at the same time, the combination of wire materials in the strands, the design parameters of the wires, and the twisting steps of the layers are chosen so that the modulus of the sum | Σ | electrical conductivities corresponding to the components of the formed magnetic field in each of the windings is minimal for a given set of design parameters of windings and material properties:
, (3) , (3)
где:Where:
n - количество повивов проволок;n is the number of windings wire;
k - номер повива;k - number of dressing;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива; - component of the longitudinal magnetic field of the k-th layer;
- 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 k-го повива проволок; - resistance of the electrical equivalent circuit for the k-th layer during the passage of a current pulse due to an external influence, depending on the design parameters of the layers, including the wire diameter, twist pitch and the diameter of the sheet, and physical properties, including electrical conductivity and magnetic permeability, of the k- th sheet material wire;
mk - кратность шага скрутки k-го повива проволок,m k - the multiplicity step of twisting the k-th dressing wire,
mk = hk/Dk,m k = h k / D k ,
hk - шаг скрутки k-го повива проволок,h k - the twist pitch of the k-th layer of wires,
Dk - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,D k - the diameter of the circle described around the k-th dressing wire,
1/Zk = 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенные в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.1 / Z k = 0 for the k-th layer of wires having at least one tube with optical fibers placed in this layer.
Предпочтительно, чтобы проволоки из металлических и/или композитных материалов имели разную электропроводность.Preferably, the wires of metal and / or composite materials have different electrical conductivity.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержали стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.It is preferable that the wires of metallic materials used in the windings contain steel wire having a protective anti-corrosion coating and aluminum alloy wire.
Предпочтительно, чтобы использованные в повивах стальные проволоки, имеющие защитное антикоррозионное покрытие, были выполнены из стали, плакированной алюминием.Preferably, the steel wires used in the windings, having a protective anti-corrosion coating, are made of steel clad with aluminum.
Допускается использование проволок из композитных материалов.The use of wires made of composite materials.
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.The proposed optical cable in the ground wire ensures the minimum electromagnetic impact on the cable optical fiber and, accordingly, reduces the angle of rotation of the polarization axis of the optical signal, increases noise immunity and reduces the loss of information when using cables in systems with separation of light signals from lightning strikes.
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.The proposed principles for the selection of cable designs make it possible to reduce the effect of an electromagnetic pulse arising from a lightning strike on optical fibers of high-speed fiber-optic communication systems using polarization separation of optical signals. In general, the proposed design choice principle allows to increase the operational reliability of high-speed fiber-optic communication systems.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг. 1А изображает электрическую схему замещения повивов кабеля для импульсных токов молнии;FIG. 1A depicts an electric circuit for replacing cable stitches for pulsed lightning currents;
Фиг. 1В изображает схему четырехполюсника в электрической схеме замещения повивов;FIG. 1B depicts a four-port circuit in the electric circuit of the layouts;
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;FIG. 2 shows the first embodiment of an optical cable in a ground wire with a central tube with optical fibers (cross section) and two layers of wires having different directions of twisting;
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);FIG. 3 depicts a second embodiment of an optical cable in which the optical cable comprises a central element in the form of a wire, wherein the tubes with optical fibers are placed in a sheet adjacent to the central element (cross section);
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);FIG. 4 shows a second embodiment of an optical cable in which the optical cable comprises a central element in the form of a hollow tube, wherein the tubes with optical fibers are arranged in two layers adjacent to the central element (cross section);
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);FIG. 5 shows a third embodiment of an optical cable in a grounding cable with a central tube with optical fibers, which further comprises at least one tube with optical fibers located in a layer adjacent to the central tube (cross section);
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;FIG. 6 shows a functional diagram of a test facility, in which an optical cable is used in a ground wire with a central tube with optical fibers, to which an optical radiation source and an optical signal polarization analyzer are connected;
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;FIG. 7 schematically depicts a test facility, showing two versions of optical cables suspended in supports, in a ground wire, the first option containing a cable with one twist, and the second version containing a cable with two flashing;
Фиг. 8 изображает электрический импульс, подаваемый в кабель при испытаниях;FIG. 8 shows the electrical impulse supplied to the cable during testing;
Фиг. 9 изображает след на сфере Пуанкаре за время действия импульса тока для кабеля, содержащего один повив проволок;FIG. 9 depicts the trail on the Poincaré sphere for the duration of the current pulse for a cable containing one twisted wire;
Фиг. 10 изображает нормализованные компоненты Стокса за время действия импульса тока для кабеля, содержащего один повив проволок;FIG. 10 depicts the normalized components of the Stokes for the duration of the current pulse for a cable containing one twisted wire;
Фиг. 11 изображает след на сфере Пуанкаре за время действия импульса тока для кабеля, содержащего два повива проволок;FIG. 11 depicts the trail on the Poincaré sphere for the duration of the current pulse for a cable containing two layers of wire;
Фиг. 12 изображает нормализованные компоненты Стокса за время действия импульса тока для кабеля, содержащего два повива проволок.FIG. 12 depicts the normalized components of the Stokes for the duration of the current pulse for a cable containing two layers of wires.
Теоретическое обоснование предложенного технического решенияTheoretical justification of the proposed technical solution
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.The claimed design is described using the method of representing mesh screens of cables in the form of equivalent circuits, representing a cascade connection of quadrupoles, assuming that the equivalent circuit of laying the wires of a cable during the flow of a pulsed lightning electric current in it is the same as when a high-frequency induced current flows. In this case, the description differs from the point of view that the interaction of the fields from each of the strand wires in the inner region of the cable is considered, while the strand wires are regarded as having different directions of twisting and weakly interacting with each other.
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:Formula (1) is a simplified expression for the equivalent conductivity of an equivalent circuitry for layering wire wires. The electrical circuit is a serial connection n quadrupoles (Fig. 1A, Fig. 1B), according to the number of windings of the cable wires, where each curl k in the cable is described by a L-shaped
(4) (four)
где: - представляют собой погонные комплексные электрические сопротивления схемы замещения повивов кабеля ;Where: - represent the linear complex electrical resistance equivalent circuit of cable layers;
- полное эквивалентное сопротивление схемы замещения повивов проволок кабеля; - total equivalent resistance of the equivalent circuit of wire stitches;
- сопротивление замещения k-го повива проволок кабеля; - replacement resistance of the k- th wire of the cable;
- сопротивление связи k-го повива проволок кабеля с повивом k-1, - the resistance of the connection of the k-th dressing wire cable with lay-down k-1,
n - количество повивов проволок в кабеле; n - the number of povivov wires in the cable;
= jωL k , L k 1 = µ 0 m k 2 F k 1 ; L k 2 = µ 0 m k 2 F k 2 , L k = L k 1 +L k 2, = jωL k , L k 1 = µ 0 m k 2 F k 1 ; L k 2 = µ 0 m k 2 F k 2 , L k = L k 1 + L k 2,
где Lwhere is l kk - индуктивность связи k-го повива проволок кабеля с повивом k-1 общая, - the inductance of the connection of the k-th layer of wire cable with a lay-up k-1 total,
LL
kk
1, one,
LL
kk
22
- 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; - coupling inductance of the k-th lay-up of the wire cable with a lay-up k-1 for wires, where the index is 1 for wires from material A, for example, from steel clad with aluminum, and
F k 1 , F k 2 - площади поперечных сечений между k-м повивом проволок и повивом k-1 для материалов А и В, соответственно; F k one F k 2 - cross-sectional area betweenk-m povivom wire and crotchk-1 for materials A and B, respectively;
для k=1, значения представляют собой значения связи первого повива проволок с центральной трубкой, площади поперечных сечений представляют собой площади между первым повивом и центральной трубкой.for k = 1 , the values are the values of the connection of the first layer of wires with the central tube, the cross-sectional areas represent the areas between the first layer and the central tube.
; ; ; ;
; ;
где:Where:
- сопротивление замещения k-го повива проволок кабеля для материалов А и В; - replacement resistance of the k- th layer of cable wires for materials A and B;
- импеданс витка проволоки k-го повива проволок кабеля для материалов А и В; - impedance of a wire coil of the k- th layer of cable wires for materials A and B;
- внешняя индуктивность витка проволоки k-го повива проволок кабеля для материалов А и В; - external inductance of a wire coil of the k- th layer of cable wire for materials A and B;
- количество витков на единицу длины проволоки k-го повива проволок кабеля; - the number of turns per unit length of the wire of the k- th wire of the cable;
- периметр витка проволоки k-го повива проволок кабеля для материалов А и В; - perimeter of a wire coil of the k- th layer of cable wires for materials A and B;
- диаметр проволоки k-го повива проволок кабеля для материалов А и В; - wire diameter of the k- th layer of cable wire for materials A and B;
- расстояние между соседними проволоками k-го повива проволок кабеля из материалов А и В; - the distance between adjacent wires of the k- th layer of cable wires of materials A and B;
- удельное сопротивление материалов А и В проволок кабеля; - resistivity of materials A and B cable wires;
- эквивалентная глубина проникновения для материалов А и В проволок кабеля; - equivalent penetration depth for materials A and B cable wires;
µ 0, µ 1, µ 2 - абсолютная и относительные магнитные проницаемости для материалов А и В проволок кабеля соответственно; µ 0, µ 1, µ 2 - absolute and relative magnetic permeability for materials A and B wire cables, respectively;
ω - круговая частота переменного электрического тока.ω is the circular frequency of the alternating electric current.
Условие достижения минимума поля выражается в минимальном значении эквивалентного сопротивления электрической схемы замещения повивов проволок кабеля:The condition for achieving the minimum of the field is expressed in the minimum value of the equivalent resistance of the electric circuit for replacing the layers of the cable wires:
, ,
что соответствует взаимной компенсации противоположно направленных токов замещения в параллельных ветвях схемы замещения.which corresponds to the mutual compensation of oppositely directed replacement currents in parallel branches of the equivalent circuit.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретенияDescription of preferred embodiments of the invention
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.According to the first embodiment of the invention, the optical cable 3 (FIG. 2) in the ground wire minimizing the longitudinal magnetic field generated in the area of the optical fiber during the passage of the current pulse in the ground wire contains the
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.On the
Использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку 8, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку 9 из алюминиевого сплава.The wires used in metallic coatings contain
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.In order to improve the properties of the cable, wires from composite materials, for example, with microfibers from aluminum oxide in the composition of aluminum wire, can be used to increase its strength characteristics.
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:The combination of materials A and
, (1) , (one)
где: n - количество повивов проволок;where: n - the number of windings wires;
k - номер повива;k - number of dressing;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива; - component of the longitudinal magnetic field of the k-th layer;
- сопротивление электрической схемы Z c 1 , Z l 1 (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 k-го повива проволок; - resistance of the electrical circuit Z c 1 , Z l 1 (Fig. 1) of the replacement for the k-th optical fiber cable in the ground wire during the passage of a current pulse in the ground wire depending on the design parameters of the windings, including the diameter ʺ d ʺ of the wire, the twist spacing and diameter ʺDʺ poviva, and the physical properties of the materials A and B of the wires, including the conductivity and magnetic permeability of the material of the k -th sheet of wires;
mk - кратность шага скрутки k-го повива проволок,m k - the multiplicity step of twisting the k-th dressing wire,
mk = hk/Dk,m k = h k / D k ,
hk - шаг скрутки k-го повива проволок,h k - the twist pitch of the k-th layer of wires,
Dk - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок.D k - the diameter of the circle described around the k-th dressing wire.
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-й повив кабеля, а последовательно включенные комплексные сопротивления Г-образных звеньев учитывают индуктивную связь между соседними повивами 6 и 7 кабеля.As indicated above, the technical solution is based on the cable replacement electric circuit, which is a cascade connection of n quadrupoles according to the number of strands of the optical cable, where each twisted wire in the
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.The
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.The function of the central sealed
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.According to the second embodiment of the invention, the optical cable in the ground wire 10 (FIG. 3), which minimizes the longitudinal magnetic field generated in the location area of the optical fiber during the passage of a current pulse in the ground wire, contains a
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.In the embodiment shown in FIG. 3, the
Использованные в повивах 12, 13, 14 проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку 17, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку 18 из алюминиевого сплава.The wires made of metallic materials used in the
Допускается использование проволок из композитных материалов, например, с микроволокнами из оксида алюминия в составе алюминиевой проволоки, для повышения ее прочностных характеристик.It is allowed to use wires from composite materials, for example, with microfibers from aluminum oxide in the composition of aluminum wire, in order to increase its strength characteristics.
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:The combination of materials A and B wires in the
, (2) , (2)
где: n - количество повивов проволок;where: n - the number of windings wires;
k - номер повива;k - number of dressing;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива; - component of the longitudinal magnetic field of the k-th layer;
- 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 k-го повива проволок; - resistance of the electrical equivalent circuit for the k-th layer during the passage of a current pulse caused by an external influence, depending on the design parameters of the layers, including the diameter ʺ d ʺ of the wire, twist pitch and diameter D of the layer, and physical properties, including electrical conductivity and magnetic permeability, of material k goviva wires;
mk - кратность шага скрутки k-го повива проволок,m k - the multiplicity step of twisting the k-th dressing wire,
mk = hk/Dk,m k = h k / D k ,
hk - шаг скрутки k-го повива проволок,h k - the twist pitch of the k-th layer of wires,
Dk - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,D k - the diameter of the circle described around the k-th dressing wire,
1/Zk = 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенную в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.1 / Z k = 0 for the k-th layer of wires having at least one tube with optical fibers placed in this layer.
Проволоки из металлических и/или композитных материалов также имеют разную электропроводность.Wire from metal and / or composite materials also have different electrical conductivity.
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.FIG. 4 shows a variant of an
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.In the embodiment shown in FIG. 4, the
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.According to the third embodiment of the invention (FIG. 5), the
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.The
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.In this case, the
Использованные в повивах проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку 33, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку 34 из алюминиевого сплава.The metal wires used in the coatings contain
Допускается использование проволок из композитных материалов.The use of wires made of composite materials.
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:The combination of materials A and
, (3) , (3)
где:Where:
n - количество повивов проволок;n is the number of windings wire;
k - номер повива;k - number of dressing;
- составляющая продольного магнитного поля k-ого повива; - component of the longitudinal magnetic field of the k-th layer;
- 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 k-го повива проволок; - resistance of the electrical equivalent circuit for the k-th layer during the passage of a current pulse caused by an external influence, depending on the design parameters of the layers, including the diameter ʺ d ʺ of the wire, twist pitch and diameter D of the layer, and physical properties, including electrical conductivity and magnetic permeability, of material k goviva wires;
mk - кратность шага скрутки k-го повива проволок,m k - the multiplicity step of twisting the k-th dressing wire,
mk = hk/Dk,m k = h k / D k ,
hk - шаг скрутки k-го повива проволок,h k - the twist pitch of the k-th layer of wires,
Dk - диаметр окружности, описанной вокруг k-го повива проволок,D k - the diameter of the circle described around the k-th dressing wire,
1/Zk = 0 для k-го повива проволок, имеющего размещенные в этом повиве по меньшей мере одну трубку с оптическими волокнами.1 / Z k = 0 for the k-th layer of wires having at least one tube with optical fibers placed in this layer.
Проволоки из металлических и/или композитных материалов А и В имеют разную электропроводность.The wires of metal and / or composite materials A and B have different electrical conductivity.
В повивах проволоки из металлических материалов содержат стальную проволоку, имеющую защитное антикоррозионное покрытие, и проволоку из алюминиевого сплава.In poviv of a wire from metal materials contain the steel wire having a protective anticorrosive covering, and a wire from an aluminum alloy.
Допускается использование проволок из композитных материалов.The use of wires made of composite materials.
Испытание конструкций оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, на воздействие импульсных токов, имитирующих воздействие молнииTesting of the structures of the optical cable built into the ground wire against the effects of impulse currents simulating the effects of lightning
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.The impact of lightning currents in addition to the well-known thermal effect on the cable elements leads to the generation of a pulsed magnetic field inside an optical cable, consisting in the case of a straight-line cable from a longitudinal (axial) component.
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.As indicated above, recent studies and information provided by telecom operators indicate that a rapidly changing longitudinal magnetic field adversely affects the transmission of information over a fiber using a compression format based on light polarizations. The cause of the problem is the rapid rotation of the axis of polarization of light in the fiber under the influence of a changing magnetic field parallel to the axis of the fiber, in accordance with the Faraday law.
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.Since the picture of the magnetic field in the center of the optical cable is determined by its design, in which each layer behaves like a solenoid, the selection of wire parameters in the layers and the alternation of wire stranding directions significantly reduces the amplitude of the pulsed magnetic field with a corresponding attenuation of the lightning effect on the optical signal transmission.
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.The purpose of the test is to compare the change in the angles of rotation of the polarization of light in optical fibers under the influence of pulsed currents in one- and two-beam designs of an optical cable, where adjacent layers have opposite twisting directions.
Описание установкиInstallation Description
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.The functional diagram of the
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.A pulse discharge current from the pulse
Были проведены испытания двух образцов кабеля 36, имеющих разную конструкцию, и осуществлено сравнение результатов испытаний.Two
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.Installation 35 (Fig. 7) contains supports 42, 43, 44, 45 for mounting optical cables in a ground wire in a suspended state. On these supports are placed two
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.Each
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.The
Установка работает следующим образом.The installation works as follows.
Оптический сигнал подается в оптические волокна кабеля 46 или 47 с выхода источника 38 оптического излучения.The optical signal is fed into the optical fibers of the
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.An electrical impulse is generated by a source of 41 pulsed current, i.e. capacitor 56 (0.1F x 50V), and through the
В зависимости от величины последовательно включенных сопротивлений 59 фронт импульса тока имеет длительность 0,8-1,7 мс.Depending on the size of the series-connected
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.Since for the operation of the optical signal transmission system the rate of change of the polarization state is important, its behavior on the front part of the current pulse, where the changes are most rapid, is of most interest.
К анализатору 39 поляризации оптических сигналов подключен дисплей 62.A
Результаты испытанийTest results
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.As indicated above, the tests were carried out on two
Описание образцовSample Description
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.The direction of the left side (counterclockwise), central steel tube, with a diameter of 3.2 mm, around six wires with a diameter of 3 mm of steel clad with aluminum. The diameter of the sheet is 9.2 mm, the twist pitch is 90 mm, the length of the optical fiber in the cable sample, according to optical reflectometry, is 1.186 km.
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.The 1st winding left (counterclockwise), the same as that of the single-coat one, the second winding right (clockwise) contains twelve wires with a diameter of 3 mm. The outer diameter of the sheet is 15.2 mm, the twist pitch is 160 mm, the length of the optical fiber in the cable sample, according to optical reflectometry, is 1.172 km.
Количество повивов, внешних по отношению к центральной трубке с оптическими волокнами, равно двум.The number of rounds external to the central tube with optical fibers is two.
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 k-го повива проволок подобраны так, чтобы .Structural parameters of stitches, including the wire diameter, twist pitch and outer plate diameter, constituting 15.2 mm, as well as the physical properties of the wire material, including the electrical conductivity and magnetic permeability of the material of the k- th wire, are selected so that .
Полученные результатыResults
Образец одноповивного кабеляSample Single Cable
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.The magnitude of the current pulse is 83 A. In FIG. 10 shows the normalized Stokes components S1, S2, S3, and FIG. 9 shows the trace F1 on the Poincaré sphere during the duration of the pulse.
Угол поворота оси поляризации Δϕ пропорционален длине следа на сфере Пуанкаре в плоскости координат S1 и S2 и составляет:The angle of rotation of the polarization axis Δϕ is proportional to the length of the trace on the Poincare sphere in the plane of the coordinates S 1 and S 2 and is:
, ,
где: ϕн и ϕк - начальное и конечное положения угла поворота оси поляризации в начальный и конечный моменты времени внешнего воздействия.where: ϕ n and ϕ to - the initial and final position of the angle of rotation of the polarization axis at the initial and final points of time of external influence.
При учете изменений вращения фазы оптического сигнала за время действия фронта импульса электрического тока (фиг. 8),When taking into account changes in the phase rotation of the optical signal during the action of the front of the electric current pulse (Fig. 8),
S1н=-0,453; S2н=-0,185; S1к=-0,252; S2к=-0,718; получаем Δϕ1=0,43 рад=24,2S 1N = -0.453; S 2N = -0.185; S 1k = -0.252; S 2k = -0.718; we get Δϕ 1 = 0.43 happy = 24.2
Образец двухповивного кабеля.Sample double-ply cable.
Величина импульса тока составляет 91 А. На фиг. 11 показан след F2 на сфере Пуанкаре за время действия импульса тока.The magnitude of the current pulse is 91 A. In FIG. Figure 11 shows the trace F2 on the Poincaré sphere for the duration of the current pulse.
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 S1н=0,675; S2н=-0,401; S1к=0,556; S2к=-0,406; получаем угол поворота оси поляризации Δϕ2=0,047 рад=2,7°. То есть, угол поворота оси поляризации Δϕ для двухповивного кабеля относительно одноповивного меньше примерно в 9 раз.It can be seen that the F2 trace on the Poincare sphere for the second two-
ЗаключениеConclusion
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.Thus, it can be seen that at approximately the same impact of the actual pulsed current and at the same input signal power, the angle of rotation of the polarization plane of the optical signal for the two-cable cable design is much smaller than for the single-felted one, which is explained by the mutually compensating action of the strands having different directions of twist on the magnitude of the magnetic field inside the windings, as well as the structural parameters of the windings, including the wire diameter, the twist pitch and the diameter of the external winding, physical properties of the wire material, including electrical conductivity and magnetic permeability material.
Промышленная применимостьIndustrial Applicability
Оптический кабель в грозозащитном тросе может быть эффективно использован для защиты оптических систем связи на воздушных линиях электропередач при ударах молний.An optical cable in a ground wire can be effectively used to protect optical communication systems on overhead power lines during lightning strikes.
Claims (58)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018123586A RU2688897C9 (en) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Optical ground wire cable |
PCT/RU2019/050096 WO2020005119A1 (en) | 2018-06-28 | 2019-06-27 | Optical cable in an overhead ground wire |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018123586A RU2688897C9 (en) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Optical ground wire cable |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2688897C1 true RU2688897C1 (en) | 2019-05-22 |
RU2688897C9 RU2688897C9 (en) | 2019-07-03 |
Family
ID=66636957
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018123586A RU2688897C9 (en) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Optical ground wire cable |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2688897C9 (en) |
WO (1) | WO2020005119A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111966964B (en) * | 2020-07-03 | 2024-03-19 | 中国南方电网有限责任公司 | Construction method of optical transmission state change theoretical model in lightning OPGW |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2201632C1 (en) * | 2001-07-05 | 2003-03-27 | Московский технический университет связи и информатики | Optical-fiber ground wire |
US20110064367A1 (en) * | 2009-09-17 | 2011-03-17 | Draka Comteq, B.V. | Multimode Optical Fiber |
WO2012010191A1 (en) * | 2010-07-19 | 2012-01-26 | Prysmian S.P.A. | Fiber optic overhead ground wire cable and process for the manufacturing thereof |
RU145245U1 (en) * | 2014-06-06 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Сарансккабель-Оптика" | OPTICAL CABLE INTEGRATED IN BAR |
-
2018
- 2018-06-28 RU RU2018123586A patent/RU2688897C9/en active
-
2019
- 2019-06-27 WO PCT/RU2019/050096 patent/WO2020005119A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2201632C1 (en) * | 2001-07-05 | 2003-03-27 | Московский технический университет связи и информатики | Optical-fiber ground wire |
US20110064367A1 (en) * | 2009-09-17 | 2011-03-17 | Draka Comteq, B.V. | Multimode Optical Fiber |
WO2012010191A1 (en) * | 2010-07-19 | 2012-01-26 | Prysmian S.P.A. | Fiber optic overhead ground wire cable and process for the manufacturing thereof |
RU145245U1 (en) * | 2014-06-06 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Сарансккабель-Оптика" | OPTICAL CABLE INTEGRATED IN BAR |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2688897C9 (en) | 2019-07-03 |
WO2020005119A1 (en) | 2020-01-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2172652A1 (en) | Combination Fiber-Optic/Electrical Conductor Well Logging Cable | |
CN103534764A (en) | Star-quad cable with shield | |
RU2441293C1 (en) | Earth wire with optical communication cable | |
CN109239877A (en) | A kind of ess-strain optical cable based on ultrashort dim light grid array | |
US6975210B2 (en) | Arrangement of an inductive coupler for power line communications | |
RU2688897C1 (en) | Optical cable in lightning protection cable | |
JP2017525119A (en) | Electric cable | |
KR20210034052A (en) | Sensor device | |
Benson et al. | Leakage from coaxial cables | |
CN102005265B (en) | Power cable capable of easily detecting fault position | |
CN103199473B (en) | A kind of terminal tower is to the docking system of transformer station | |
RU170627U1 (en) | FLEXIBLE CARRYING CABLE | |
CN208847903U (en) | A kind of ess-strain optical cable based on ultrashort dim light grid array | |
CN107942456A (en) | A kind of sensing optic cable for engineering structure monitoring fractures | |
RU192247U1 (en) | Electric cable for control and monitoring circuits | |
CN110189855A (en) | A kind of rail traffic vehicles photoelectric compound cable | |
CN201918213U (en) | Cross-linked polyethylene insulated power cable allowing fault points to be easily positioned | |
CN205751582U (en) | A kind of reinforced Radix Saposhnikoviae rolling hoist cable | |
CN105241586A (en) | Coil electrodynamic force simulation test system | |
CN105242157A (en) | Coil electrodynamic force simulation test device | |
CN207624440U (en) | A kind of optical fiber composite low-voltage cable | |
CN104567995A (en) | Temperature and strain distributed online monitoring device for electric power aerial optical cable | |
CN211980238U (en) | High-flexibility wear-resistant oil-resistant shielding flexible cable | |
CN204359351U (en) | A kind of electric aerial optical cable temperature strain distributed on line monitoring device | |
CN211505764U (en) | Lightning resistance performance inspection and evaluation device for optical fiber composite overhead ground wire |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification | ||
PD4A | Correction of name of patent owner |