Руководство «Руководство по защите оптических кабелей от ударов молний»
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ
РУКОВОДСТВО
ПО ЗАЩИТЕ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
ОТ УДАРОВ МОЛНИИ
Рассматриваются вопросы определения вероятного числа повреждений оптических кабелей (ОК) от ударов молнии, даются рекомендации по защите кабелей и оценивается эффективность защитных мероприятий.
Руководство предназначено для инженерно-технических работников организаций, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией оптических кабельных линий передачи.
— воздушная линия связи
— Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации
— необслуживаемый регенерационный пункт
— обслуживаемый регенерационный пункт
— правила устройств электроустановок
Одним из важнейших факторов обеспечения надежной работы подземных оптических кабельных линий передачи является своевременная и технически правильно выполненная защита их от ударов молнии в процессе проектирования, строительства и эксплуатации.
Настоящее Руководство устанавливает основные мероприятия по защите от ударов молнии оптических кабелей магистральных и внутризоновых линий передачи.
В нем учтены последние теоретические и экспериментальные работы по вопросам молниезащиты, а также практический многолетний опыт эксплуатации кабельных линий передачи, их защиты от ударов молнии и электромагнитных влияний.
Руководство состоит из четырех глав и двух приложений.
В первой главе приведены основные понятия и определения, краткие сведения о параметрах молнии, видах опасных воздействий грозовых разрядов на оптические кабели и характере их повреждений. Рассмотрены основные факторы, определяющие число и объем повреждений.
Во второй главе даются нормы и технические указания при выборе защитных мер от повреждений ударами молнии для различных условий прокладки оптических кабелей.
Третья глава посвящена вопросам определения вероятного числа повреждений оптических кабелей ударами молнии.
В четвертой главе содержатся основные сведения о защитных мероприятиях. Рассмотрены вопросы проектирования и осуществления защиты оптических кабелей с помощью подземных проводов, оценки ее эффективности.
В приложениях приведены фактические данные об интенсивности грозовой деятельности на территории Российской Федерации (РФ) и данные, необходимые для статистического учета случаев повреждений.
В разработке Руководства принимали участие ЦНИИС: А. С. Воронцов, Е. И. Яцына и от МТУСИ: Э. Л. Портнов, С. А. Соколов.
Значительный вклад в разработку Руководства внесли Л. Д. Разумов и В. В. Захаров.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Область применения
1.1.1. Настоящее Руководство предназначено для организаций, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией оптических кабельных линий передачи.
1.1.2. Руководство распространяется на подземные оптические кабельные линии передачи магистральной и внутризоновых сетей ВСС РФ и устанавливает основные мероприятия по защите от ударов молнии ОК, содержащих в конструкции один или несколько металлических элементов: металлическую оболочку, ленточную броню или броню из круглых проволок, медные жилы для дистанционного питания и т.п.
Руководство не распространяется на ОК без металлических элементов.
1.1.3. Оптические кабельные линии передачи магистральной и внутризоновых сетей связи могут быть сданы в постоянную эксплуатацию, если будут выполнены все мероприятия, предусмотренные проектом защиты ОК в соответствии с нормами настоящего Руководства.
1.2. Основные понятия и определения
1.2.1. Интенсивность грозовых разрядов (ударов молнии) характеризуется величиной тока молнии. Ток единичного грозового разряда состоит из импульсной и постоянной составляющих.
Величина тока молнии импульсной составляющей грозового разряда колеблется от нескольких килоампер до сотен килоампер. Средняя величина тока молнии при грозовом разряде в землю равна 30 кА. Форма импульса тока молнии характеризуется длительностью фронта τ мкс и длительностью спада импульса до половины амплитуды тока t мкс. Импульс обозначается τ/ t . Средний ток молнии имеет форму импульса 5/65.
За импульсной составляющей следует постоянная составляющая тока грозового разряда, которая характеризуется величиной и длительностью протекания тока молнии. Средняя величина постоянной составляющей тока грозового разряда равна 100 А. Длительность постоянной составляющей в среднем равна 30-50 мс.
Число повторных импульсов в образовавшемся канале грозового разряда изменяется в широких пределах. Среднее число импульсов в грозовом разряде равно 3. Редко наблюдается число импульсов в разряде молнии, превышающее 10.
Величина общего заряда, стекающего в землю по каналу многократной молнии колеблется от 10 до 80 Кл (в среднем 20 Кл).
1.2.2. Ожидаемое число и объем повреждений ударами молнии, возникающих в течение года на подземном оптическом кабеле, зависят от ряда факторов:
интенсивности грозовой деятельности,
амплитуды и формы импульса тока молнии,
удельного сопротивления, влажности и геологического строения грунта,
наличия вблизи кабеля возвышающихся объектов,
1.2.3. Интенсивность грозовой деятельности в конкретно рассматриваемой местности определяется по удельной плотности ударов молнии в землю (ожидаемое число ударов молнии в 1 км поверхности земли за год), исходя из среднегодовой продолжительности гроз в часах.
1.2.4. Стойкость оптических кабелей к ударам молнии (молниестойкость) определяется допустимым током молнии в металлической оболочке (бронепокрове) ОК, при котором не возникает повреждения кабеля с перерывом связи.
Молниестойкость ОК зависит от механической прочности кабеля (и, в первую очередь, к раздавливающим усилиям), тепловых характеристик кабельных материалов, проводимости металлических оболочек (бронепокрова), электрической прочности изоляции жил ДП, оболочек и других металлических элементов.
ОК, выдерживающие ток молнии 105 кА и выше, относятся к первой категории, 80 кА и выше, но не более 105 кА — ко второй категории, 55 кА и выше, но не более 80 кА — к третьей категории по молниестойкости. ОК, выдерживающие ток молнии менее 55 кА, относятся к четвертой категории:
1.2.5. Опасным ударом молнии называется такой удар, при котором возникает повреждение ОК с перерывом связи.
1.2.6. Наибольшее число повреждений кабелей происходит в районах со слоистым строением земли и, особенно, в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. В строении земли в районах многолетней мерзлоты можно выделить два резко различающихся по своим электрическим свойствам слоя: верхний деятельный слой, толщина которого в период оттаивания составляет 1-3 м, насыщенный влагой и обладающий сравнительно низким удельным сопротивлением грунта ρ1, (100-500 Ом∙м), и нижний подстилающий, почти непроводящий, удельное сопротивление которого ρ2 может достигать десятков тысяч Ом∙м.
В процессе строительства кабельных линий передачи, после вырубки просеки, грунт подвергается интенсивному протаиванию, и удельное сопротивление грунта на глубине прокладки кабеля резко понижается.
По условиям защиты ОК от ударов молнии наиболее тяжелыми являются районы с высоким удельным сопротивлением грунта и отношением ρ1/ρ1>>1.
1.2.7. Наибольшая плотность наземных грозовых разрядов наблюдается в зонах тектонических разломов, характеризующихся низкими удельными сопротивлениями грунтов по сравнению с удельными сопротивлениями прилегающих горных пород, и в местах контакта двух различных геологических пород, отличающихся по величине удельного сопротивления.
1.2.8. Возвышающиеся объекты (опоры воздушных линий связи, ВЛС и электропередачи, ВЛ, мачты радиобъектов, отдельные деревья, лес и т. п.), находящиеся вблизи трассы ОК, ориентируют на себя наземные грозовые разряды, что повышает при прочих равных условиях число повреждений кабеля, проложенного на открытой местности.
1.3. Виды и характер повреждений
1.3.1. Различают следующие виды опасных воздействий разрядов молнии на ОК: грозовые перенапряжения, электродинамические и термические воздействия. Кабели одновременно подвергаются всем видам воздействий.
1.3.2. Электродинамические воздействия создают наиболее серьезные повреждения ОК, которые возникают в результате интенсивного испарения воды во влажном грунте или битумного (гидрофобного) состава, наложенного поверх бронепокрова, и резкого повышения давления при контакте с высокотемпературным каналом молнии в месте входа тока молнии в кабель. Наблюдаются прогибы и вмятины на бронелентах, оболочке и сердечнике со смятием и растрескиванием трубок оптических модулей и изоляции жил ДП.
Термические воздействия тока молнии вызывают перегрев бронепокрова и жил ДП, по которым течет ток, вплоть до их разрушения, оплавление и прожог оболочек и лент бронепокрова, расплавление и разрушение трубок оптических модулей и изоляции жил ДП в результате интенсивного выделения тепла в месте контакта с каналом молнии.
Под грозовым перенапряжением понимается обусловленное ударом молнии повышенное напряжение в различных цепях ОК, вызывающее пробои изоляции и прекращение действия связи.
2. НОРМЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПРИ ВЫБОРЕ ЗАЩИТНЫХ МЕР
2.1. На проектируемых оптических кабельных линиях передачи магистральной и внутризоновых сетей связи защитные мероприятия от повреждений ударами молнии следует предусматривать на тех участках, где вероятное число опасных ударов молнии (вероятная плотность повреждений) в ОК превышает допустимое число, указанное в табл. 1.
Допустимое число опасных ударов молнии на 100 км трассы в год
в горных районах и районах со скальным грунтом при удельном сопротивлении свыше 500 Ом∙м и в районах многолетней мерзлоты
в остальных районах
ОК магистральной сети связи
ОК внутризоновой сети связи
2.2. При проектировании оптических кабельных линий передачи необходимо предусматривать использование ОК, имеющих категорию по молниестойкости не ниже приведенных в табл. 2, в зависимости от назначения ОК и условий прокладки.
В этом случае при прокладке ОК на открытой местности защитные меры могут потребоваться крайне редко, только в районах с высоким удельным сопротивлением грунта и повышенной грозовой деятельностью, что определяется расчетом в соответствии с разд. 3.2.
2.3. На существующих оптических кабельных линиях передачи защитные мероприятия осуществляются на тех участках, где произошли повреждения от ударов молнии, причем длина защищаемого участка определяется условиями местности (протяженностью возвышенности или участка с повышенным удельным сопротивлением грунта и т.п.), но должна быть не менее 100 м в каждую сторону от места повреждения. В этих случаях необходимо предусматривать прокладку защитных проводов в соответствии с требованиями гл. 4.
Рекомендуемые категории по молниестойкости ОК., предназначенных для
магистральной сети связи
внутризоновых сетей связи
с удельным сопротивлением грунта до 1000 Ом∙м
с удельным сопротивлением грунта свыше 1000 Ом∙м
с многолетнемерзлым грунтом
Работы по оборудованию защитных мер должны осуществляться сразу после устранения грозового повреждения.
2.4. При прокладке ОК в населенном пункте, кроме случая пересечения и сближения с ВЛ напряжением 110 кВ и выше, защиту от ударов молнии не предусматривать.
2.5. Если вблизи трассы ОК находятся отдельно стоящие деревья, опоры ВЛС или ВЛ, а также другие объекты высотой более 6 м (опоры молниеотводов, мачты и опоры радиообъектов и т.п.), при прокладке ОК вдоль опушки леса (аллеи деревьев), ВЛС или ВЛ защиту предусматривать при расстоянии между кабелем и деревом (ближайшим электродом заземляющего контура опоры, подземной частью незаземленной опоры) менее расстояний, приведенных в табл. 3 для различных значений удельного сопротивления грунта.
Удельное сопротивление грунта,
Наименьшее допустимое расстояние,
Более 100 до 1000
2.6. В случае невозможности выдержать расстояния, приведенные в п. 2.5, необходимо предусматривать дополнительную защиту.
В местах сближения ОК с отдельно стоящими деревьями, опорами ВЛС и ВЛ, а также с другими объектами высотой более 6 м (опоры молниеотводов, мачты и опоры радиообъектов и т.п.) защита выполняется путем прокладки защитной шины (троса, провода) сечением не менее 12 мм по меди и 70 мм по стали между кабелем и опорой или деревом (рис. 1а). Концы шины заземляются. Сопротивление заземляющих устройств должно быть не более 10 Ом при удельном сопротивлении р3 грунта до 100 Ом∙м, 20 Ом при ρ3 свыше 100 до 300 Ом∙м, 30 Ом при р3 свыше 300 до 500 Ом∙м, 50 Ом при ρ3 свыше 500 до 1000 Ом∙м и 60 Ом при ρ3 свыше 1000 Ом∙м.
Рис. 1 . Перехват токов молний, попавших в опору ВЛ, с помощью защитной шины (провода, троса), проложенной в земле между кабелем и опорой. L = rmin + 2 м ( rmin — наименьшее допустимое расстояние, определяется в соответствия с табл. 3), в1 , — определяется по месту, h 1 > h 2 , 0,4 м
Вместо двух заземлений можно делать одно, но в этом случае шина (трос, провод) должна прокладываться вокруг опоры кольцеобразно, причем оба конца присоединяются к заземлению (рис. 1б).
Минимально допустимое расстояние между кабелем и ближайшим электродом заземляющего контура определяется в зависимости от удельного сопротивления грунта и должно превышать значения, указанные в табл. 3 не менее чем на 2 м. Защитная шина (трос, провод) должна прокладываться на глубину 0,4 м.
Если расстояние между кабелем и опорой меньше 2 м, то защитные шины прокладываются по возможности ближе к опоре. Сопротивление заземляющего устройства в этом случае должно быть не более 10 Ом независимо от удельного сопротивления земли.
При наличии между ОК и отдельным возвышающимся объектом металлического подземного сооружения (трубы или провода) оборудовать защиту кабеля путем оконтуровки опор необязательно.
2.7. При прокладке ОК вдоль опушки леса (аллеи деревьев), ВЛС или ВЛ на расстоянии меньше, чем указано в п. 2.5. необходимо между кабелем и лесом (ВЛС, ВЛ) проложить один защитный провод типа ПС-70 по всей длине сближения.
Если расстояние между ОК и лесом (ВЛС, ВЛ) меньше 2 м, то защитный провод прокладывается по возможности ближе к лесу.
Если удельное сопротивление грунта в районе прокладки ОК более 1000 Ом∙м и расчетное вероятное число повреждений ОК на 100 км трассы в год для условий открытой местности (см. разд. 3.2.) превышает удвоенное значение допустимого числа повреждений, указанное в табл. 1, то помимо защитного провода со стороны деревьев (опор ВЛС, ВЛ) необходимо предусмотреть прокладку дополнительного защитного провода с противоположной стороны ОК.
Прокладку более двух защитных проводов не предусматривать.
2.8. При прокладке ОК вдоль опушки леса (аллеи деревьев), ВЛС ил ВЛ ОК не защищается от ударов молнии, если он расположен на расстоянии ближе 1,5 h (где h — высота леса, опор) от края леса, но не менее указанного в табл. 3, и удельное сопротивление грунта в районе прокладки до 1000 Ом∙м. Если удельное сопротивление грунта в районе прокладки ОК более 1000 Ом∙м, то необходимость применения защитных проводов определяется в соответствии с п. 2.11.
При расстоянии между ОК и краем леса более l ,5 h защиту предусматривать, как и для открытой местности. Вероятность поражения ОК в этом случае определяется в соответствии с разд. 3.2.
2.9. При пересечении трассы ОК с ВЛ напряжением 110 кВ и выше крепление проводов ВЛ на опорах, ограничивающих пролет пересечения, должно осуществляться с помощью глухих зажимов, не допускающих падение проводов на землю в случае обрыва их в соседнем пролете.
При прохождении ОК около опоры ВЛ напряжением 110 кВ и выше на расстояниях, меньших допустимых согласно ПУЭ, для защиты от токов короткого замыкания ВЛ необходимо покрыть ОК швеллером на длине, равной расстоянию между проводами ВЛ плюс 10 м каждой стороны от крайних проводов для ВЛ до 500 кВ и 15 м — для ВЛ 750 кВ.
Стальную броню ОК со швеллером не соединять.
Вместо применения швеллера можно использовать два троса ПС-70, прокладываемых симметрично на расстоянии не более 0,5 м от кабеля. Тросы должны быть продлены с обеих сторон пересечения под углом 45° к трассе в сторону опоры ВЛ и заземлены на сопротивление 20-30 Ом. Соотношения между длиной отвода тросов l и сопротивлением R заземлителя должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 4.
Источник
