Контрольные вопросы к лекции № 6.

1. Что такое мода. Какие типы волн могут существовать в оп­тическом волокне? Гибридные волны.

2. Что означают индексы m и n в обозначении моды? Что такое критическая частота и критическая длина волны?

3. Что такое критическая частота и критическая длина волны?

4. Что такое нормированная частота?

5. Условие одномодовости, вытекающее из решения волнового уравнения.

6. Какие изменения в конструкции волокна позволяют переместить точку нулевой дисперсии в область больших длин волн?

7. Современные конструкции оптических волокон и их свойства.

8. Типы оптических усилителей.

9. Волновое мультиплексирование. Расстояние между несущими волнами в окне прозрачности.

10. Временное мультиплексирование в оптическом волокне.

Лекция 7. Внешние электромагнитные влияния на линии связи.

К основным источникам, оказывающим электромагнитное воздействие на линии связи, относятся удары молнии, высоковольтные линии электропередачи, электромагнитные импульсы высотных ядерных взрывов. К более слабым ис­точникам относится магнитное поле Земли, радиостанции, всевозможные ис­точники индустриальных помех, такие как системы зажигания автомобилей, сварочные аппараты и т.д.

Все эти источники создают опасные и мешающие воздействия, длитель­ные и кратковременные. Опасные влияния вызывают поражения людей или по­вреждения линий и подключенной аппаратуры, мешающие влияния создают помехи, шумы, искажения.

Условно электромагнитные влияния делят также на электрические и маг­нитные, когда основное воздействие обусловлено электрическим или магнит­ным полем. Если влияние обусловлено наличием блуждающих токов, например вблизи или при наличии общих систем заземления источника влияния и линий, подверженной влиянию, то влияние называется гальваническим.

7.1. Атмосферное электричество

Грозодеятельность на земном шаре по своей интенсивности распределена очень неравномерно. Очень слабая на побережье Северного Ледовитого океана, и весьма большая в тропиках. В умеренных широтах большая грозодеятельность наблюдается вблизи гор и возвышенностей, в частности в нашей стране наибольшая грозодеятельность имеет место в Краснодарском и Ставропольском краях, в предгорьях Кавказа. В образовании грозового облака существенную роль играет так называемое «поле ясной погоды». На высоте примерно 70-80 км над поверхностью Земли имеется заряженный положительно ионизированный слой. Вместе с отрицательно заряженной Землей этот слой образует гигантский конденсатор, и напряженность электрического поля вблизи поверхности Земли имеет величину порядка 100-120 В/м. Мощность этого поля очень мала, любые предметы на поверхности Земли его снижают, поэтому никаких отрицательных ощущений мы не испытываем. Когда восходящий поток нагретого воздуха уст­ремляется вверх и на его место поступает холодный воздух, на границе нагретого и холодного воздуха происходит интенсивное выделение влаги. Под действи­ем поля ясной погоды капли воды электризуются, происходит разделение заря­дов, и в конечном счете, образование грозового облака. Неровности рельефа способствуют возникновению восходящих потоков нагретого воздуха, поэтому в этих случаях наблюдается большая грозодеятельность. Облако, представляю­щее собой конгломерат частиц воды и льда, в большинстве случаев имеет отри­цательный заряд. На поверхности земли под облаком индуцируется положи­тельный заряд. В какой-нибудь точке облака, наиболее близкой к поверхности земли, создается местное неравномерное поле большой величины, в результате чего по направлению к Земле начинает прорастать лидер, который скачками (ступенями) двигается по направлению к положительно заряженной поверхно­сти Земли. Когда заполненный отрицательными зарядами канал достигает зем­ли, происходит бурная нейтрализация зарядов, сопровождаемая разогревом ка­нала и его ярким свечением. Температура в канале так велика, что канал начи­нает расширяться со сверхзвуковой скоростью, в результате чего слышится гром. За время удара нейтрализуется обычно только часть облака, и через неко­торое время по этому же пути, если канал не успел распасться, или по частично другому пути развивается повторный удар в результате разряда более удален­ной части облака. Таких повторных разрядов за время одного удара молнии мо­жет быть несколько и даже не один десяток. Для внешнего наблюдателя, лишенного специальных приборов, все это сливается в один удар. На рис. 43 пока­зана как развивается ток в канале с течением времени.

1 - лидерная стадия, τ_ф - фронт тока, τ_в - длительность волны (полуспа­да).

Рис. 43

Длительность фронта тока молнии составляет примерно 0,5-5 мкс, длина волны в среднем 4050 мкс, но иногда значительно больше. Длительность всего удара вместе с повторными разрядами может достигать сотен миллисекунд. Амплитуда молнии в среднем равна 3050 кА, но может достигать величины в 250 кА. Вероятность той или иной амплитуды молнии хорошо описывается вы­ражением: P(I)=e^-kI , где k  0,038 1/кА; I- амплитуда тока молнии в кА.

Интенсивность грозодеятельности, т.е. количество разрядов молнии в еди­ницу площади за единицу времени в разных районах сильно отличается. Непо­средственные наблюдения за числом разрядов затруднительны, поэтому грозодеятельность часто характеризует числом дней в году, в которые наблюдаются грозы, либо суммарной продолжительностью в часах гроз за год. Для многих районов величина плотности ударов в землю q (в единицу площади за единицу времени) определена и приведена в соответствующих справочниках. Разброс значений q очень велик, однако в среднем q  0,1 УД/км²день. На ориентацию разрядов влияет высота предметов, геологическое строение земли и другие фак­торы. При попадании разряда в землю часть тока молнии или весь ток может попасть в расположенный поблизости металлический кабель. Если при этом имеет место электрическая дуга между точкой удара молнии и кабелем, то ка­бель в месте входа молнии может быть разрушен. По своему характеру разру­шение может иметь вид вмятины на металлической оболочке глубиной до 10 мм и длиной порядка 100 мм или оплавлений. Механические вмятины образу­ются вследствие давления паров воды, внезапно испаряющейся в объеме, зани­маемым каналом молнии. Это давление достигает величины свыше 1000 кг/см². Если тепловод успевает осуществиться, то энергия переходит в разогрев и рас­плавление кабеля. Попав в оболочку, ток молнии распространяется по кабелю, вызывая значительное напряжение между жилами и оболочкой, что приводит к многочисленным пробоям изоляции на большой длине. Амплитуду напряжения между жилами и оболочкой кабеля, который находится в хорошем контакте с землей, можно определить из выражения U_м = 2,1 J_мR , Вольт

где: J_м - амплитуда тока молнии, кА;

R - сопротивление оболочки кабеля постоянному току, Ом/км;

 - удельное сопротивление земли, Омм.

Зная конструкцию кабеля, электрическую прочность изоляции жил от оболочки, электрическое сопротивление металлической оболочки, а также удельное сопротивление грунта и грозодеятельность в районе прокладки кабеля, можно определить вероятное число повреждений кабеля. На попадание удара молнии в кабель влияет расположение вблизи кабеля высоких предметов (на­пример, отдельных деревьев), слоистость грунта, наличие разломов в строении земли и т.д.

При ударе молнии в землю вблизи оптического кабеля, не содержащего металлических элементов около кабеля в земле возникают сильные электриче­ские и магнитные поля, которые воздействуют на волну распространяющегося по волокну света, вызывая поворот плоскости поляризации. Поперечное элек­трическое поле вызывает поворот на угол  = 2КЕ²l, град,

где: К = 0,40210^-13м/В² (при  = 1,55 мкм) - постоянная Керра; Е - напряженность электрического поля, В/м; l - длина участка, на котором происходит воздействие поперечного электрического поля, м.

Поворот плоскости поляризации распространяющейся световой волны под действием поперечного электрического поля носит название эффекта Керра. Если удар молнии с амплитудой I происходит на расстоянии а от трассы кабеля, который проложен на глубине h от поверхности, то  имеет величину

В этой формуле  - удельное сопротивление, Омм.

Обычно угол поворота  не превышает нескольких градусов. Однако это может вызвать появление небольшой ортогональной составляющей поля волны и соответственно дополнительное затухание и поляризационную дисперсию. Продольное магнитное поле также вызывает поворот плоскости поляризации распространяющегося света (эффект Фарадея). В случае удара молнии в землю на расстоянии а от трассы от кабеля этот поворот равен: , где f  3,0321 0^-5 град/А; h и  - в метрах;  - в Омм.

Существует методика оценки вероятного числа повреждений кабелей от ударов молнии. Рассматривается количество ударов молнии в землю, вероят­ность амплитуды тока, который может вызвать повреждение кабеля, при этом учитываются возможные расстояния от точки удара молнии в землю до кабеля, свойства грунта и его удельное сопротивление, влияющее на распределение то­ка в земле и т.п. На основании этих данных строятся графики вероятного числа пробоев изоляции в кабеле с металлическими элементами в конструкции, а для оптического кабеля без металла - таблицы вероятного угла поворота плоскости поляризации света в оптическом волокне.

Мерами защиты от грозовых воздействий являются:

• В случае кабелей с металлическими жилами: прокладка грозозащитных тросов в земле рядом с кабелем; включение малогабаритных разрядни­ков между жилами и оболочкой симметричного кабеля; увеличение проводимости оболочки и увеличение прочности поясной изоляции между жилами и оболочкой; защита подключенной аппаратуры, со­стоящая из нескольких последовательно включаемых ступеней (каска­дов) защиты. Защита аппаратуры обычно использует в качестве первой ступени разрядник на большое напряжение (10002500 В), включае­мый между жилами и землей. Вторая ступень защиты - это низко­вольтный разрядник на напряжение порядка 100 В, включаемый между жилами. Непосредственно на входе в усилитель устанавливается диод­ный мостик на 35 Вольт (рис. 44). Иногда дополнительно диоды за­щиты устанавливаются непосредственно параллельно выводам эмиттер - база транзисторов.

• В случае оптических кабелей мерами защиты является металлический экран поверх оболочки, а также прокладка грозозащитных тросов па­раллельно кабелю.

Рис. 44 Принципиальная схема защиты подключенной аппаратуры

1. - высоковольтный разрядник, 2 - низковольтный разрядник, 3 - фильтр, 4 - диодный защитный мостик, 5 - усилитель, 6 - линейный трансформатор.