О деградации самонесущих кабелей ADSS
На сегодняшний день для экономии средств при прокладке волоконно-оптических кабелей широко используются опоры высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), а также опоры контактной сети электрических железных дорог. Это относительно недорогой способ организации высокоскоростной линии передачи данных на базе существующей инфраструктуры. В России наиболее протяженная ВОЛС, проложенная вдоль железных дорог, принадлежит компании ТрансТелеКом (ТТК), входящей в пятерку ведущих российских операторов связи. ОАО "РЖД" владеет 99,99% акций данной компании. Протяженность волоконно-оптической линии связи компании ТТК составляет более 76 000 км. В свою очередь лидером подвеса ОК по опорам ЛЭП является "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" (ПАО "ФСК ЕЭС), которая имеет волоконно-оптическую линию связи, протяженностью более 57 700 км.
Одним из наиболее оптимальных способов построения волоконно-оптических линий связи (далее ВОЛС), является использование кабеля ОКГТ (кабель, встроенный в грозозащитный трос). Однако большинство ЛЭП 110 кВ и выше уже имеют грозозащитные тросы, а замена существующих тросов на ОКГТ значительно увеличивает стоимость строительства оптических линий связи. Кроме того, на некоторых линиях электропередачи применение грозозащитных тросов вообще не требуется. Альтернативным способом построения ВОЛС на базе существующих линий электропередач и железных дорог является использование полностью диэлектрических самонесущих кабелей (ADSS кабели). Стоит отметить, что строительство ВОЛС с помощью ADSS значительно дешевле, в сравнении с кабелями ОКГТ. Однако для такого рода ВОЛС имеются свои дополнительные проблемы – электротермическое разрушение оптического кабеля. В результате воздействия сильного электромагнитного поля на ОК возникают деградационные процессы, приводящие в первую очередь к разрушению внешней оболочки кабеля.
Длительность срока эксплуатации ADSS кабелей на силовых линиях будет зависеть от следующих факторов: коронных разрядов, сухополосных разрядов, длины пролета, стрелы провеса, растягивающей нагрузки кабеля, скорости ветра, стойкости оболочки к ультрафиолетовому излучению, от температуры, уровня загрязнения оболочки и др.
Рис. 1 Разрушение оболочки вследствие коронных разрядов
Данная тема знакома только узкому кругу связистов – тем, кто работает с ВОЛС, построенных на базе ЛЭП и опорам контактной сети ж/д. Этим людям, наверное, в первую очередь будут интересны результаты исследований воздействия сильного электромагнитного поля на оптический кабель. Однако такого рода статья, с используемыми в ней специфическими терминами, будет непонятной и, соответственно, неинтересной для большинства ранее не сталкивающихся с этой темой читателей. Поэтому здесь мы решили преследовать две цели: 1) рассмотреть общую теорию электротеримческого разрушения оптического кабеля (это может быть интересно для тех, кто желает расширить свой кругозор в области ВОЛС); 2) привести анализ результатов исследования воздействия на диэлектрические самонесущие кабели сильного электромагнитного поля в комбинации с ультрафиолетовым излучением, солевого тумана, дождя и механических напряжений (это может быть интересно, так сказать "людям в теме").
Если кому-то захочется более подробно изучить данную тему, в конце статьи приведена литература, используемая при написании данной статьи.
Происхождение поверхностных токов и разрядов
Как показала практика, постоянное воздействие сильного электромагнитного поля на самонесущий оптоволоконный кабель представляет собой некий вызов для используемых в кабеле материалов. Емкостная связь между силовыми проводами, кабелем ADSS и землей приводит к образованию разности потенциалов вдоль всей длины кабеля. На расстоянии порядка десятков метров длины кабеля разность потенциалов может достигать десятков киловольт.
Рис. 2
В процессе длительного воздействия внешних переменных электромагнитных полей высокой напряженности происходит накопление зарядов как на оболочке ОК, так и на его внутренних элементах. При стекании таких зарядов к элементам с нулевым потенциалом (например, поддерживающим зажимам оптического кабеля (рис. 3), закрепленным к заземленным опорам) на внешней оболочке кабеля образуются поверхностные разряды. Если поверхность кабеля становится проводящей, то по всей длине кабеля начинается протекание токов. Результатом этих электрофизических процессов являются локальные термические разрушения поверхностного слоя на всей длине ОК, но в значительной степени в местах крепления кабеля подвесными зажимами, где проявляются большие переходные сопротивления при стекании тока на землю (рис. 4). В процессе исследований было установлено, что основной причиной обрыва кабеля на ЛЭП и контактных сетей ж/д являются именно коронные разряды, возникающие на промежутке кабеля и заземленного натяжного подвеса.
Рис.3 Поддерживающие зажимы ADSS кабеля
Рис. 4
Кроме того, разрушение кабеля происходит вследствие так называемого трекинг-эффекта. Дождевая вода, стекающая по поверхности кабеля, часто содержит растворённую грязь, различные токопроводящие частицы и т.д. которые оставляют следы на поверхности и образуют своеобразные грязевые токопроводящие дорожки, повторяя траектории стекающих капель. Такие дорожки называются треками. По мере накопления грязи на оболочке значение токов утечки начинает возрастать, что приводит к эффекту трекинга.
Также на поверхности кабеля может образоваться роса после прохладной ночи, которая увлажняет слой загрязнения на оболочке, превращая его в проводящий. При высыхании на поверхности кабеля может образоваться локальный сухой участок – сухая полоса. Эта сухая полоса имеет чрезвычайно высокое поверхностное сопротивление по сравнению с влажным слоем на остальных участках кабеля. В сухополосной области кабель будет обладать более высоким линейным импедансом, чем в других частях кабельной поверхности. Локальный высокий импеданс приводит к большому падению напряжения через короткий участок сухого кабеля. В результате возникает сухополосный разряд (рис. 5).
Рис. 5 Сухополосная дуга
Разряд, обладая высокой температурой, приводит к быстрому старению кабельной оболочки и как результат к ее разрушению. Если быть точнее, разряды, нагревая оболочку, способствуют возникновению в ней трещин, развивающихся в дальнейшем многочисленными циклами замораживания-размораживания, и таким образом приводят к разрушению конструкции кабеля.
На рис. 6 показан ход образования и развития трекинговых дорожек на поверхности кабелей при одновременном увеличении загрязнения и напряжения, приложенного к образцам.
Рис. 6 К объяснению эффекта трекинга
Реальная картина разрушения оболочки вследствие эффекта трекинга показана на рис. 7.
Рис. 7
На рис. 8 мы видим два типа деградации оболочки: рис. 8а, – образование продольного "желоба", который далее будет расширяться вдоль кабеля; рис. 8б – образование поперечных, кольцевых дефектов. Такого рода дефекты связаны с протеканием токов в несколько миллиампер.
а)
б)
Рис. 8 – Повреждения полиэтиленовой оболочки ADSS кабеля на линии 110 кВ
После приведенных разъяснений становится очевидно, что поверхностное сопротивление внешней полиэтиленовой оболочки ОК имеет большое практическое значение при эксплуатации волоконно-оптической линии связи вблизи силовых линий. Сопротивление оболочки ОК зависит от свойств самого диэлектрика, состояния его поверхности, а также в значительной степени от агрессивных внешних загрязняющих мелкодисперсных осаждений, способствующих резкому снижению поверхностного сопротивления. Коронные разряды приобретают все более активный характер по мере уменьшения поверхностного сопротивления кабеля и степени его загрязненности. Если поверхность кабеля будет чистой и сухой, протекающие токи будут иметь очень малое значение (~ микроамперы). Однако если оболочка кабеля в процессе эксплуатации становится гидрофильной и загрязненной, сопротивление может уменьшиться до нескольких сотен кОм/м, и токи могут достигать значений в несколько миллиампер. Недавние исследования установили, что полиэтиленовая оболочка является пригодной для использования при величине поверхностных токов менее 0,5 миллиампер. Такого рода ток является типичным, например, вблизи 150 кВ линии при нормальных условиях ее работы. Практики часто утверждают, что полиэтиленовая оболочка приемлема только на линиях с напряжением до 12 кВ. На более высоковольтных сетях должны использоваться специальные оболочки с высокой трекинг-эррозионной стойкостью. Здесь на самом деле многое будет зависеть от степени загрязненности и влажности оболочки, приводящих к более высокому току, нежели ожидалось.
Степень разрушения оболочки вследствие треккинг-эффекта зависит также от длины пролета. Образование сухополосных разрядов увеличивается с увеличением длины пролета. Таким образом, на ЛЭП более вероятно, что в первую очередь произойдет разрушение оболочки кабеля на самом длинном пролете.
Для исследования процесса разрушения оболочки ADSS кабеля проводятся лабораторные испытания на образцах кабелей, помещаемых в специальные камеры с повышенной влажностью, атмосферой солевого тумана или с повышенным ультрафиолетовым излучением.