Прогнозирование срока службы оптических кабелей связи, эксплуатирующихся в условиях низких температур

организации нередко вынуждены выполнять ремонтные работы в зимних условиях при низких отрицательных температурах на значительной территории нашей страны.

Разработка новых, стойких к низким температурам материалов, совершенствование конструкций ОК позволили производителям кабелей создать изделия, допускающие их прокладку и монтаж при низких отрицательных температурах, однако на сегодняшний день нормативная документация по прокладке и монтажу ОК при низких отрицательных температурах отсутствует. Допустимые нагрузки на ОК определяются техническими условиями на кабель, но для обеспечения эффективного функционирования ВОЛП в процессе эксплуатации необходима разработка новых технологических приемов прокладки и монтажа ОК, учитывающих изменения свойств кабеля при низких температурах и обеспечивающих ограничение нагрузок на кабель допустимыми для его последующей надежной работы. Отсюда следует актуальность проблемы исследования и разработки методов прокладки и монтажа самонесущих оптических кабелей при низких температурах. В статье особое внимание будет уделено прогнозированию срока службы ОК, подвешенных на опорах контактных сетей и линий электропередачи.

Срок службы ОК линии передачи определяется сроком службы оптического волокна (ОВ) в его конструкции в условиях эксплуатации. В свою очередь, срок службы ОВ во многом определяется процессами усталостного разрушения и существенно зависит от приложенной к нему нагрузки [1-8], которая зависит от конструкции кабеля и внешних условий, в частности, от температуры окружающей среды. По завершении строительства линии передачи могут иметь место остаточные деформации модульных трубок ОК. Такие деформации создают условия для увеличения напряжения в волокнах кабеля при низких отрицательных температурах и, как следствие, снижение срока службы ОК при эксплуатации ВОЛП.

Технология прогноза срока службы ОК с учетом приложенной к ОВ нагрузки. В основе методов прогноза срока службы ОВ лежат статические модели механических напряжений в стекле и кинетические модели роста дефектов. При выборе модели роста дефектов необходимо исходить из следующих положений. Предполагают, что в процессе эксплуатации ВОЛП в ОК и ОВ действуют только статические нагрузки и весь исследуемый период срока службы ОК разбивают на интервалы времени, в течение которых нагрузку на ОВ можно считать постоянной. Это позволило на каждом отдельном интервале времени применить двухстадийную механическую модель.

<7. G   NNi-2 = CT G ■ ) N 2 - tmax—tmin- crN j max              j min                            aj

Bi

' l = 1,^aj(t) / ^(t )< Г i = 2,^aj(t)/ gG)> r                (1

где В i – константа, учитывающая параметры статической усталости волокна для соответствующих условий окружающей среды, коэффициент интенсивности напряжений и геометрию дефекта на i -ой стадии; N i – параметр статической усталости кварцевого ОВ на i-ой стадии; σ aj – нагрузка, приложенная к оптическому волокну, на j -ом интервале времени; σ j (t) – прочность ОВ на момент времени t на j -ом интервале времени.

Типичные значения параметров кварцевых ОВ приведены в таблице 1 [4, 8].

Известно [10], что ОВ в модулях ОК расположено по геликоиде и его радиус кривизны определяется минимальным диаметром модульной трубки и разностью длин волокна и модуля. Изогнутое ОВ находится под напряжением. Механическую нагрузку на поверхности изогнутого кварцевого волокна можно рассчитать по формуле [11]:

^ o = E о - ( 1 + 2.875 • _Z ) . x           (2)

где χ=b/(R+b+h) – деформация растяжения наружного слоя кварцевого волокна; E 0 – величина модуля упругости кварцевого стекла при χ →0, равная 7,4 ГПа; R – радиус изгиба волокна; b – радиус волокна; h – толщина защитного покрытия.

Для определения среднего значения радиуса изгиба ОВ в модулях ОК были взяты результаты [12, 13]. В первом приближении эту величину можно оценить как R≈d м /(2δl) [13] или R≈d м /(3δl) , где d м – внутренний диаметр модульной трубки, а δl – оценка относительного удлинения ОВ.

R = d M

1 - cos ( y /2 )

где угол θ определяется при решении уравнения:

1 - 2 - sin ( ^ /2 ) / 0 = 5 l    (4)

Оценка относительного удлинения из-за изменения температуры рассчитывается по формуле [10, 12, 13]:

5lT =^а - AT

Таблица 1. Значения параметров кварцевых ОВ

Параметр	Значение
уровень напряжений при испытаниях на разрыв, ГПа	0,7
пределы изменений N 1	18 – 25
среднее значение N 1	21
среднее значение N 2	4,5
r	0,645
B 1 , ГПа2 - С	4,5 x 10-5
B 2 , ГПа2 - С	0,0082

где Δαт=(αт-αов) – разность температурных коэффициентов линейного расширения материала модульной трубки αт и ОВ αов; ΔТ=(Т-Т0) – разность между текущим значением температуры Т и некоторым условным значением температуры Т0, при которой длина ОВ равнялась бы длине модульной трубки.

Согласно [12] при нормальной температуре среднее значение относительного удлинения равно

5l₀ = 0.5 n ² d 2 / p p

Задавая исходную (инертную) прочность ОВ, вектора σ aj , t min j , t max j рассчитывали прочность ОВ в конце каждого интервала времени. Полагая, что ОВ разрушается при условии [9]:

°j (t ^ °aj

Таким образом, на основе итерационного подхода определяли ожидаемый срок службы ОВ.

где d 0 – диаметр модульной трубки по техническим условиям; p – cреднее значение шага геликоиды волокна в модульной трубке.

Статистические исследования показали, что это значение лежит в пределах от 20 до 100 мм [12]. Соответственно, результирующее значение при температуре T определяется как сумма:

5l = 5l0 + 5lT

Если в результате внешних механических воздействий на ОК он был деформирован, а по завершении воздействий имеют место остаточные деформации модульных трубок, то при оценивании напряжений ОВ в модуле при изменении температуры минимальный диаметр модульной трубки определяется приближенно как разность исходного диаметра модульной трубки по техническим условиям d o и ее остаточной деформации Д м : d_м=d₀-Д_м . На графике (рис. 1) представлены оценки напряжений на поверхности оптического волокна в зависимости от температуры окружающей среды и остаточной деформации модульных трубок в %.

t,0C

Рис. 1. Графики зависимости напряжений в ОВ от температуры окружающей среды и остаточных деформаций модуля ОК

Влияние остаточных деформаций модулей и температуры окружающей среды на срок службы ОК ВОЛП. Описанная технология позволяет строить имитационные модели, учитывающие архивные данные среднемесячных температур в районе, где предполагается прокладка кабеля. В данной работе в целях исследования влияния низких отрицательных температур в сочетании с деформациями модулей на срок службы ОК в условиях эксплуатации полагали, что в зимний период температура постоянна и равна некоторому значению, для которого и выполнялся расчет. Результаты вычислений представлены на рис. 2. На рис. 2а представлены результаты расчетов для гипотетического примера в предположении, что исходная (инертная) прочность ОВ соответствует уровню напряжений при испытаниях его на разрыв. Конечно же, это маловероятно, тем более, если кабель подвергался воздействиям, которые привели к деформациям модульных трубок. На рис. 2б и рис. 2в представлены результаты прогнозов для случаев, когда при изготовлении ОК и в процессе строительства инертная прочность ОВ снижается на 20% и на 30%, соответственно.

в)

Рис. 2. Графики зависимости срока службы ОК от температуры

В первом случае срок службы кабеля менее 25 лет имеет место только при средней температуре в зимний период ниже минус 500С и деформациях модуля более 15%. При снижении исходной прочности ОВ на 20% срок службы кабеля менее 25 лет прогнозируется уже при средней температуре в зимний период ниже минус 300С и деформациях более 5%. При деформациях более 10% срок службы ОК менее 25 лет для всех отрицательных значений средней температуры в зимний период. При снижении исходной прочности на 30% даже незначительные деформации модуля приводят к сокращению срока службы кабеля менее 25 лет для всех отрицательных значений температуры в зимний период. А при средних значениях температуры зимой ниже минус 200С прогнозируемый срок службы не превышает 25 лет даже для кабеля с недеформированными модулями.

В целом следует отметить, что деформации модуля до 20% сокращают срок службы кабеля до 4 лет и эта величина практически не зависит от исходной прочности ОВ и температуры, при которой эксплуатируется ОК. Результаты моделирования подтвердили, что одним из наиболее существенных факторов, определяющих срок службы ОК, является исходная прочность ОВ. Показано, что при внешних воздействиях на ОК в процессе строительства и монтажа, приводящих к деформациям модулей и снижению инертной прочности ОВ, даже незначительные деформации модульных трубок могут привести к существенному сокращению срока службы ОК, эксплуатируемых в зимний период при температурах ниже минус 300С.

Выводы:

• 1.    В результате исследований деформаций модулей ОК при раздавливающих нагрузках показано, что критическая деформация модулей практически линейно зависит от площади свободного пространства в модуле.

• 2.    Разработана технология прогноза срока службы ОК в условиях низких отрицательных температур, согласно которой получены зависимости срока службы кабеля от сезонных колебаний температуры и деформаций модулей ОК.

• 3.    Показано, что даже незначительные деформации модульных трубок кабеля могут привести к существенному сокращению срока службы ОК, эксплуатируемых в зимний период при температурах до -50⁰С и ниже.