Влияние радиального проникновения воды на передающие характеристики оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос (OPGW). Решение проблемы предотвращения радиального проникновения влаги

Аннотация

В данной статье описано влияние радиального проникновения воды на передающие характеристики волоконно-оптический кабеля, встроенного в грозозащитный трос для воздушных линий (OPGW). Было обнаружено, что дефект оптической трубки из нержавеющей стали кабеля типа OPGW является основной причиной радиального проникновения воды. Дефект трубки из нержавеющей стали происходит в результате несовершенной сварки стальной ленты в процессе производства кабеля. В статье, во-первых, описано испытание на наличие вихревых токов, которое может быть использовано для обнаружения дефектов в стальной оптической трубке. Во-вторых, приводятся два испытания на радиальное проникновение воды в кабели типа OPGW: испытание кабеля, находящегося в воде, и затем при температуре ниже нуля, и испытание на герметичность оптического модуля. И, наконец, предлагаются два варианта конструкции кабеля OPGW для предотвращения радиального проникновения воды через стальную трубку и оптический модуль. В одной из конструкций кабеля OPGW используется трубка из нержавеющей стали с алюминиевым покрытием. В другом варианте предлагается применение составной трубчатой конструкции. Начиная с 2000 г. более 10 000 километров кабеля типа OPGW с двухслойной конструкцией трубки успешно работают в различных условиях эксплуатации.

1. Введение

Недавно был обнаружен проложенный кабель OPGW от нашего конкурента, в котором затухание некоторых волокон было повышенным. Кроме того, дальнейшие исследования показали, что имеется обрыв нескольких волокон. После проверки образца кабеля мы обнаружили, что вблизи оборванных волокон в середине отрезка кабеля присутствует вода. Однако мы не смогли обнаружить воду на обоих концах кабеля. Как могла вода проникнуть в кабель? При проведении последующих исследований было определено, что в стальной оптической трубке имеются дефекты, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Дефект в стальной трубке

Стало ясно, что вода проникла через эти дефекты и просочилась к оптическим волокнам. Мы называем этот тип попадания воды радиальным проникновением воды. Вода или другая жидкость могут также проникать в кабель через концы кабеля и мигрировать по всей его длине. Протекание воды или другой жидкости по сердечнику кабеля или вдоль поверхностей раздела кабельной оболочки (или внутренней поверхности стальной трубки в случае кабеля типа OPGW) называется продольным проникновением воды. По поводу продольного проникновения воды в кабель проводились достаточно широкие исследования. Однако до сих пор всего несколько человек обратили внимание на радиальное проникновение воды. На практике продольное проникновение воды может существенно повлиять на передающие характеристики кабеля OPGW. В настоящей статье основное внимание уделяется именно продольному типу проникновения воды в кабель. Вначале будет описано испытание на наличие вихревых токов, которое может быть использовано для обнаружения дефектов в стальной оптической трубке. Затем будут представлены два испытания кабелей OPGW на проникновение воды. В заключение будут предложены два типа конструкции кабелей OPGW, обеспечивающие предотвращение радиального проникновения воды через стальную трубку и оптический модуль. В одной из конструкций кабеля OPGW используется трубка из нержавеющей стали с алюминиевым покрытием. В другом варианте предлагается применение составной трубчатой конструкции.

2. Проникновение воды

2.1. Продольное проникновение воды

Конструкции кабелей типа OPGW с трубкой из нержавеющей стали применяются в настоящее время достаточно широко. Оптические волокна свободно уложены внутри трубки. Вокруг оптических волокон находится гидрофобный компаунд, который препятствует проникновению воды или влаги в кабель и даёт возможность оптическим волокнам "плавать" внутри буферной трубки. Заполняющий компаунд может устранить возможность продольного проникновения и миграции воды внутри кабельного сердечника или по внутренней поверхности трубки из нержавеющей стали.

Испытание кабелей на продольное проникновение воды должно проводиться в соответствии с требованиями EIA 455-82B-1991. На рисунке 2 показано типичное испытательное устройство, используемое для проведения испытания кабелей на продольное проникновение воды [1].

Рисунок 2. Типичное испытательное устройство для испытания кабелей на продольное проникновение воды

Через открытый конец образца кабеля длиной 1 м не должна проникнуть вода. Если первый образец не выдерживает испытание, можно провести приёмочное испытание на одном дополнительном образце длиной 1 м, взятом из секции кабеля, расположенной рядом с первым образцом.

2.2. Радиальное проникновение воды

Если в стальной оптической трубке кабеля OPGW имеются дефекты, вода или другая жидкость могут проникнуть в стальную трубку и замерзнуть вблизи оптических волокон, что может привести к повышению затухания или обрыву волокна. Мы называем этот тип попадания воды в кабель радиальным проникновением воды. Дефекты в стальной оптической трубке являются основной причиной, вызывающей радиальное проникновение воды в кабели типа OPGW. Радиальное проникновение воды может оказать существенное влияние на передающие характеристики кабеля.

Несовершенная сварка стальной ленты в процессе производства ведёт к возникновению дефектов в трубке из нержавеющей стали. Очень важно усовершенствовать технологию сварки для того, чтобы можно было избежать этих дефектов. Не менее важно своевременно обнаружить эти дефекты во время производства изделия. Испытание на наличие вихревых токов [2] может быть использовано для обнаружения таких дефектов в стальной трубке.

3. Испытание на наличие вихревых токов

3.1. Физический принцип испытания на наличие вихревых токов

Ток катушке возбуждения создаёт переменное электромагнитное поле в испытательном образце, в котором индуцируется вихревой ток. Вихревой ток имеет те же характеристики, что и ток возбуждения, но обратное направление. Если вихревые токи совпадают с дефектами материала, такими как трещины, полости, поверхностные повреждения или некачественные сварные швы, они не могут распространяться в соответствующем направлении потока. Это вызывает нарушение в существующем магнитном поле и, как следствие, реакцию катушки испытательного устройства. Это явление используется для идентификации дефектов материала, как показано на рисунке 3. Чем глубже проникает вихревой ток, тем меньше он становится.

Рисунок 3. Физический принцип испытания на наличие вихревых токов

3.2. Глубина проникновения

Наиболее распространённым определением глубины проникновения является следующее: это глубина, при которой плотность потока вихревого тока упала до величины, равной 1/e от соответствующего значения на поверхности испытательного образца. Глубина проникновения зависит от испытательной частоты, а также от электрической проводимости и магнитной проницаемости материала.

Глубина проникновения может быть приблизительно определена следующим образом [2]:

При повышении испытательной частоты глубина проникновения возрастает. Путём выбора частоты обнаружения можно регулировать определяемую глубину.

4. Радиальное проникновение воды

Метод испытания, описанный в EIA 455-82B-1991, предназначен только для случаев продольного проникновения воды, но не подходит для радиального проникновения воды. Для выявления радиального проникновения воды в кабели типа OPGW можно использовать испытание, при котором кабель выдерживается в воде и подвергается замораживанию, а также испытание на герметичность оптического модуля [3].

4.1. Испытание на воздействие воды и замораживание

Вначале образец кабеля типа OPGW длиной приблизительно 5 м подвергается испытанию на ролике, метод проведения которого приводится в стандарте IEEE 1138 - 1994 [4]. После проведения этого испытания образец кабеля OPGW помещают в воду не менее, чем на час. Необходимо тщательно следить за тем, чтобы оба конца кабеля находились над поверхностью воды. Измеряют затухание оптического сигнала на образце кабеля. Затем испытываемый кабель помещают в камеру для проведения температурных испытаний при температуре -20 не менее чем на два часа. Через два часа ещё раз измеряют оптическое затухание испытываемого кабеля. Если в в стальной трубке имеются дефекты, то они становятся больше после испытания на ролике. Вода может проникнуть через эти увеличившиеся дефекты и попасть в оптический модуль. При понижении температуры до -20 ? вода поблизости от оптического волокна замёрзнет, и это может привести к увеличению затухания или обрыву волокна. По изменению величины затухания можно определить, имеются ли в стальной трубке дефекты или нет.

4.2. Испытание на герметичность оптического модуля

Оптические волокна и гидрофобный заполняющий компаунд удаляются из стальной трубки. Один конец стальной трубки герметически закрывается. Другой конец подсоединяется к насосу, качающему азот. При помощи насоса в стальную трубку закачивается азот до тех пор, пока давление не достигнет 0,3 МПа. Давление воздуха должно поддерживаться минимум в течение двух часов. Измерение давления производится по истечении двух часов. Если в стальной трубке имеются дефекты, то полученные при измерении значения будут существенно ниже, или давление будет равно нулю.

5. Методы предотвращения радиального проникновения воды

Для того чтобы предотвратить радиальное проникновение воды через стальную трубку и оптический модуль, мы предлагаем два вида конструкции кабеля OPGW. В одной из конструкций используется трубка из нержавеющей стали с алюминиевым покрытием. В другой конструкции применяется составная трубка.

5.1. Конструкция кабеля типа OPGW с трубкой из нержавеющей стали с алюминиевым покрытием

В этой конструкции стальная трубка покрыта слоем алюминия [5]. Толщина алюминиевого слоя около 0,8 мм. Алюминиевый слой предотвращает радиальное проникновение воды даже в случае наличия дефектов в стальной трубке. Конструкция кабеля OPGW со стальной трубкой, покрытой слоем алюминия, обеспечивает также предотвращение электрохимической коррозии без применения смазочных веществ, так как стальная трубка, расположенная внутри конструкции кабеля OPGW, имеет алюминиевый слой на своей наружной поверхности.

5.2. Конструкция кабеля типа OPGW с составной трубкой

В этой конструкции кабеля со стороны внутренней поверхности стальной трубки помещается внутренняя пластмассовая трубка. На рисунке 4 показана такая составная трубчатая конструкция.

Рисунок 4. Составная трубчатая конструкция

Стальная трубка и внутренняя пластмассовая трубка образуют органичное целое с высокой прочностью сцепления. Благодаря внутренней пластмассовой трубке устраняется эффект радиального проникновения воды в результате дефектов сварки и выделения водорода из-за несовместимости геля с нержавеющей сталью. Внутренняя пластмассовая трубка может также защитить волокна от механического повреждения, таких дефектов, как зазубрины, пилообразные заусенцы, образующиеся во время лазерной сварки. Такой тип конструкции кабелей OPGW был разработан в 2000 г. С тех пор более 10 000 километров кабеля OPGW успешно эксплуатируются в различных условиях окружающей среды.

6. Заключение

Радиальное проникновение воды в кабель может оказать существенное влияние на передающие характеристики кабеля типа OPGW. Дефект в оптической трубке из нержавеющей стали является основной причиной радиального проникновения воды. Несовершенная сварка стальной ленты в процессе производства ведёт к образованию дефекта в стальной трубке.. Во избежание таких дефектов очень важно усовершенствовать технологию сварки. Не менее важно своевременно обнаружить эти дефекты во время производства изделия. Испытание на наличие вихревых токов может быть использовано для обнаружения таких дефектов в стальной трубке. Путём выбора испытательной частоты можно регулировать определяемую глубину. Для выявления радиального проникновения воды в кабели типа OPGW можно использовать испытание, при котором кабель выдерживается в воде и подвергается замораживанию, а также испытание на герметичность оптического модуля.

Для предотвращения радиального проникновения воды в кабель через стальную трубку и оптический модуль были разработаны два варианта конструкции кабеля типа OPGW. В одной из конструкций используется стальная трубка с алюминиевым покрытием. Алюминиевый слой может предотвратить радиальное проникновение воды и возникновение электрохимической коррозии. Во второй конструкции применяется составная трубка. В этой конструкции кабеля со стороны внутренней поверхности стальной трубки помещается внутренняя пластмассовая трубка. Благодаря этой внутренней пластмассовой трубке устраняется эффект радиального проникновения воды в результате дефектов сварки и выделения водорода из-за несовместимости геля с нержавеющей сталью. Такой тип конструкции кабелей OPGW был разработан в 2000 г. С тех пор более 10 000 километров кабеля OPGW успешно эксплуатируются в различных условиях окружающей среды.

7. Благодарности

Авторы желают выразить благодарность коллективам компаний Jiangsu Zhongtian Technologies Co., Ltd. и Zhong Tian Hitachi Optic Fiber Cable Co.,Ltd.за их помощь и поддержку.

Особая благодарность сотрудникам IWCS за возможность опубликования этой статьи.

8. Ссылки

[1] EIA/TIA-455-82B Fluid Penetration Test for Fluid-Blocked Fiber Optic Cable (Испытание на проникновение воды в оптические кабели с гидрофобным заполнением), февраль 1992.
[2] Operating Manual (Инструкция по эксплуатации), EDDYCHEK LAB 2, стр. 1-13
[3] Test Methods for fiber optic overhead ground wire (Методы испытания волоконно-оптического кабеля,встроенного в грозозащитный трос), JCS7501, 2001
[4] Стандарт IEEE 1138-1994, стандарт IEEE Construction of Composite Fiber Optic Overhead Ground Wire (OPGW) for Use on Electric Utility Power Lines (Конструкция комбинированного волоконно-оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос на воздушных линиях электропередачи), Annex D (Приложение Д) Sheave Test, стр. 29-30
[5] T. Tsuji, Y. Namekawa, T. Fukasawa and S. Momomoto "New OPGW with Aluminum-Covered Stainless Steel Tube" (Новый кабель OPGW с трубкой из нержавеющей стали с алюминиевым покрытием) Hitachi Cable Review, No. 20, август 2001, стр. 73-78

Авторы

Li Haiquan
Шанхай, Народная Республика Китай

Li Haiquan родился в 1973 г. Он начал работать в компании Zhongtian Hitachi Optic Fiber Cable CO., Ltd. в 2000 г., и в настоящее время является главой компании. Он закончил Харбинский Университет науки и техники в 1997 г. и получил степень бакалавра в области высокого напряжения и изоляционных материалов. Позже защитил диссертацию и ему было присвоено звание магистра в области коммуникационных технологий в Университете почты и телекоммуникаций в г. Нанджинг (Nanjing) в 2003 г.

Yang Ri-Sheng
Шанхай, Народная Республика Китай

Д-р Yang Ri-Sheng закончил физическое отделение Университета Tsinghua в 1968 г. Он получил звание магистра естественных наук в Институте радиотехники в г. Ченгду (Chengdu), Китай, в 1981 г. и степень доктора наук в Техническом Университете в г. Брауншвейг (Braunschweig), Германия, в 1988 г., обе диссертации были защищены в области электротехники. Начиная с 1984 г. участвует в различных проектах, связанных с разработкой и применением оптического волокна / оптических кабелей / кабельной арматуры. Опубликовал более 30 работ в области волоконной оптики и получил шесть патентов. Д-р Dr. Yang - член Оптического Общества Америки и Международного общества инженеров-оптиков (SPIE).

Zhang Lei
Джинан, Народная Республика Китай

Zhang Lei родился в 1959 г. Он закончил Университет электроэнергетики в Северном Китае в 1989г., специализировался в области радиосвязи. В настоящее время он является руководителем технического отдела компании Shandong Yingda Science and Technology Co., Ltd.