Молниезащита оптических кабелей

НОВЫЙ ПОДХОД К
МОЛНИЕЗАЩИТЕ ОПТИЧЕСКИХ
КАБЕЛЕЙ
Проф. Соколов С.А.
МТУСИ
Воздействие молнии на оптические
кабели
• Оптические кабели могут быть двух видов:
• - чисто диэлектрическими без металла в
конструкции
• - иметь в своей конструкции металлические
элементы, например, медные жилы для
дистанционного питания усилителей или
упрочняющие элементы и броню
Воздействие молнии на оптический
кабель
• В случае наличия металла воздействие при
ударах молнии общеизвестно из опыта
эксплуатации металлических кабелей
• В случае чисто диэлектрических кабелей
при ударе молнии вблизи проложенного в
земле оптического кабеля происходит
взаимодействие электромагнитного поля
молнии и поля передаваемого по
оптическому волокну света
Воздействие электрического поля на
распространение света по волокну
• При воздействии поперечного электрического поля
происходит поворот плоскости поляризации
(эффект Керра) распространяющегося по волокну
света на угол
•
φ = 2π K(λ)∙Е2 ∙L,
(1),
• где Е – напряжённость электрического поля;
•
L - длина участка, на котором кабель
подвергается воздействию поля;
•
К – постоянная Керра, которая зависит от
коэффициента преломления n, температуры Т и
длины волны λ : К = F(n,Т, λ) = f (n,T)/λ
(2).
Воздействие магнитного поля на
распространение света по волокну
• Под воздействием продольного магнитного
поля плоскость поляризации волны света,
распространяющегося по волокну,
поворачивается на угол (эффект Фарадея)
ψ = 1.66∙10-5∙L ∙H град.,
(3),
где Н – в А/м, L – в метрах.
• Конечно, немедленного повреждения кабеля при этом не
происходит, но при повороте плоскости поляризации света
возникают составляющие поля по главным осям сечения
волокна, и, если имеется небольшая эллиптичность волокна, в
дальнейшем появляется дополнительная поляризационная
модовая дисперсия (ПМД). Обычно величина угла поворота
невелика, и если в аппаратуре нет элементов, чувствительных к
поляризации, это явление проходит незамеченным. Если же
удар молнии очень близок, а удельное сопротивление грунта
велико, то поворот может быть значительным. Число случаев
превышения величины φ0 за грозовой сезон при q = 0.1; l = 100
км; N =25 и различных удельных сопротивлениях земли ρ
показано в таблице.
Число случаев превышения φ
Применение уплотнения
• Временное уплотнение позволяет передавать по
одному волокну несколько десятков тысяч каналов
одновременно.
• Потребности привели к появлению волнового
уплотнения, когда по волокну передаётся несколько
десятков волн, в свою очередь имеющих временное
уплотнение, так что при повреждении волокна
возможные потери огромны.
• Волновое уплотнение резко усложняет последствия
поворота плоскости поляризации при внешнем
воздействии, так как каждая волна поворачивается на
свой угол и возникает множество составляющих по осям
эллипса.
. Поворот плоскости поляризации
волн разной длины
Применение в уплотнении
ортогональной поляризации
• Ещё более трудная ситуация возникает при
применении ортогонального уплотнения,
когда по одному волокну передаётся
одновременно две одинаковых системы
волн уплотнения с взаимно
ортогональными поляризациями. Это
позволяет удвоить объём передаваемой
информации.
Использование пакетной
коммутации
• Чтобы избежать перегрузки линий
передача сообщения разбивается на
пакеты, которые могут передаваться
между пунктами А и Б по разным линиям
Пропускная способность линии
• Объединение пакетов происходит только на конечном
пункте. Длительность пакетов может быть весьма
различной (миллисекунды и больше). С точки зрения
молниезащиты связи это означает, что защищённость от
молнии может несколько раз меняться в ходе передачи.
При переключении линий возможна смена типа кабеля,
например, вместо оптического кабеля с металлом в
конструкции, отдельные участки сети могут быть
выполнены чисто диэлектрическим оптическим
кабелем. Пропускная способность линии может за
несколько секунд меняться на несколько порядков, что
обостряет вопрос взаимоотношения с нормами защиты,
которые могут зависеть от нагрузки.
Вероятное число повреждений
составной линии
•
Коммутируемые пакеты в разные моменты могут направляться по
разным линиям, и чем чаще будет осуществляться подобная
коммутация, чем чаще будет меняться длина и состав виртуальной
линии, соответственно будет меняться общая вероятность
повреждения и надёжность всей составной виртуальной линии.
Вероятное число повреждений виртуальной линии будет переменной
величиной, заключённой между минимальным и максимальным
значением. Минимальное значение вероятного числа повреждений
виртуальная линия не обязательно будет иметь при работе связи по
кратчайшей физической линии. Если мы хотим, чтобы уровень
вероятности повреждения виртуальной линии был не ниже
некоторого определённого предела, необходимо рассмотреть все
возможные варианты конфигураций данной сети и либо исключить
некоторые варианты, не удовлетворяющие требованиям, либо
усилить защиту некоторых участков сети.
Воздействие Гамма – излучения
молнии
• В процессе развития лидерной стадии генерируется γ-излучение
большой энергии. Рентгеновское и гамма-излучения особенно сильно
проявляются при развитии лидерного процесса от земли к облаку. Это
происходит обычно в горах и вблизи высотных сооружений.
Соответственно, оптические кабели, расположенные в этих района,
имеют более высокую вероятность поражения гамма-излучением.
Основные эффекты, производимые γ-излучением в волокне – это
смещение атомов из нормального положения в кристаллической
решётке и ионизация. Радиация приводит к нарушению имеющихся в
основе материала оптического волокна связей и к появлению
свободных связей, которые служат ловушками зарядов. При высоких
энергиях нарушения будут носить необратимый характер. При
облучении в результате захвата структурными и примесными
дефектами электронов и дырок возникают так называемые центры
окраски, которые поглощают свет в некоторых частях спектра, что и
приводит к дополнительному затуханию. В результате облучения
изменяются первичные параметры оптического волокна –
коэффициент преломления и величина затухания.
Энергия и плотность Г-излучения
молнии
Список воздействий
• Таким образом, молниезащита оптических
кабелей оказывается тесно связанной с
технологией применяемых систем уплотнения,
с пакетной коммутацией и
трансформируемостью сети при
переключениях. Оказалось также, что
воздействие грозовых разрядов на оптические
кабели связано не только с воздействием
больших токов, но также с воздействием
электрического и магнитного полей и с гаммаизлучением лидерной стадии грозового
разряда.
Пересмотр норм
• Между тем норма допустимого числа
повреждений (0.1 на 100 км в год) не
изменилась с середины прошлого века,
тогда как объём передаваемой
информации по одному волокну вырос в
десятки тысяч раз. Необходимо
рассмотрение новых критериев
необходимости защиты.
Литература
•
•
•
•
•
•
•
•
Hidenori Takahashi et al. 400-Gbit/s Optical OFDM Transmission over 80 km in 50GHz Frequency Grid. ECOC 2010, 19-23 September 2010, Torino, Italy.
S.A.Sokolov. Particularities of Polarization-Mode Dispersion in optical fiber with
Wavelength Division Multiplexing during the Lightning stroke. 2007 4th
International Symposium on Electromagnetic Compatibility Proceeding. 23-25
October, 2007 Qingdao, China, IEEE Press. P. 448-450.
Stanislav A.Sokolov. High voltage line electrical field influence upon suspended
fiber cable. Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics
CEEM’2009, Sept.16-20, 2009 Xi’an, China. Proceedings. P.51-53.
C.А.Соколов. Эффекты Керра и Фарадея в оптическом кабеле. Электросвязь,
№4, 1996.
С.А.Соколов. Возникновение поляризационной модовой дисперсии под
действием грозовых разрядов. Электросвязь, №11, 2004 .
J.R.Dwyer et al. X-ray bursts associated with leader steps in cloud-to-ground
lightning.
Geophysical Research Letters, vol.32, L01803, 2005.
J.R.Dwyer et al. A ground level gamma-ray burst observed with rocket-triggered
lightning. Geophysical Research Letters, vol.31, L05119, 2004.
•
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ