ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

нитного поля сохраняет свое направление по обе стороны от оси кабеля, а вектор вертикальной составляющей Hверт изменяет на 180° направление (или фазу) при пересечении оси кабеля, что показано на рис. 8.2.

Амплитудные характеристики магнитного поля подводного кабеля приведены на рис. 8.3, откуда видно, что величина напряженности горизонтальной составляющей Hгор поля имеет максимальное значение непосредственно над осью кабеля и равномерно уменьшается по величине в обе стороны от оси кабеля, а величина напряженности вертикальной составляющей Hверт над кабелем равна нулю.

При распространении электромагнитного поля в воде, кроме уменьшения его амплитуды напряженности за счет увеличения волновой поверхности и затухания в проводящей среде, происходит изменение фазы поля. Фазовые характеристики магнитного поля подводного кабеля приведены на рис. 8.4, где ∆φ – разность фаз между вертикальной и горизонтальной составляющими вектора напряженности магнитного поля.

Из рис. 8.4, где по оси ординат указана разность фаз ∆φ, а по оси абсцисс — удаление от вертикальной плоскости, проходящей через кабель, видно, что эта разность фаз при пересечении оси кабеля скачкообразно изменяется на 180°, а затем при удалении от него плавно изменяется по величине.

В связи с существованием границы раздела вода — воздух, т. е. проводящей среды и диэлектрика, структура магнитного поля получается весьма сложной. Это особенно относится к зоне, находящейся в непосредственной близости от границы раздела вода — воздух. Необходимо отметить, что структура поля в водной среде значительно сложнее, чем над водной поверхностью. В общем случае на характер поля в любой его точке будут оказывать сильное влияние волны, отраженные от границ раздела вода — воздух, вода — грунт. Эти волны встречаются в данной точке, пройдя разные расстояния в проводящей среде, претерпев различное отражение на границах раздела сред. Поэтому значения амплитуд и фаз этих волн оказываются различными между собой, а векторы напряженности — не совпадающими по направлению, и магнитное поле в общем случае будет иметь эллиптически поляризованный характер.

Характер электромагнитного поля кабеля в значительной степени зависит от электропроводности морской воды, которая в свою очередь определяется ее соленостью и температурой. Чем выше соленость воды или ее температура, тем больше электропроводность, а следовательно, и затухание электромагнитного поля. Поэтому напряженности поля кабеля при одинаковой величине тока в нем и равных глубинах его прокладки будут различными в разных морях: на Балтийском море напряженность поля будет выше, чем на Черном море, и значительно выше, чем на Баренцевом море, где наблюдается высокая соленость воды.

Затухание электромагнитного поля в воде зависит, кроме того, от частоты тока в кабеле. Чем ниже частота тока, питающего кабель, тем меньше затухание поля, а следовательно, больше дальность его распространения.

Принцип действия корабельной аппаратуры

Принцип действия приемной корабельной аппаратуры, обеспечивающей определение положения корабля и направление его движения относительно кабеля, основан на измерении фазовых и амплитудных соотношений, составляющих напряженности электромагнитного поля кабеля, воздействующего на приемное устройство аппаратуры.

Вкачестве приемного устройства типовой бортовой аппаратуры используются приемные рамки, состоящие из трех взаимно перпендикулярных сердечников с насаженными на них катушками. Вертикальный сердечник с катушкой служит для приема вертикальной составляющей напряженности электромагнитного поля кабеля, а горизонтальные сердечники с катушками — горизонтальной составляющей.

Вкатушках каждой рамки наводятся переменные ЭДС, величина которых, а также разность фаз между ними, будут зависеть от положения приемных рамок относительно кабеля. Наводимые в приемных рамках ЭДС усиливаются тремя усилителями, настроенными на частоту тока в кабеле, и после селекции и преобразования подаются на соответствующие стрелочные индикаторы. Основными индика-

торами в корабельной аппаратуре являются: индикатор положения, определяющий положение корабля относительно кабеля (слева — кабель — справа) и индикатор направления движения корабля (к кабелю

— от кабеля).

Принцип действия индикатора положения (рис. 8.5) основан на сравнении фазового сдвига между горизонтальной и вертикальной доставляющими электромагнитного поля кабеля.

Принцип действия индикатора направления (рис. 8.6) основан на сравнении амплитудных соотношений ЭДС, наводимых полем кабеля в двух взаимно перпендикулярных приемных рамках, служащих для приема горизонтальной составляющей поля кабеля. Величины ЭДС, наводимые в этих рамках, зависят от направления движения корабля относительно оси кабеля.

При изменении курсового угла в сторону увеличения или уменьшения величина ЭДС в одной из рамок будет увеличиваться, а в другой соответственно уменьшаться.

Поскольку при следовании постоянным курсом и при пересечении кабеля амплитудные соотношения не меняются, для определения направления движения при пересечении кабеля одна из ЭДС коммутируется на 180° с помощью реле, включенного в цепь фазового дискриминатора индикатора положения. Таким образом, индикатор направления также оказывается связанным с фазовой структурой электромагнитного поля токоведущего кабеля.

Следовательно, если принять сторону Одного из отклонений индикатора направления за направление к кабелю и продолжать идти под. тем же курсовым углом до пересечения кабеля, с помощью вышеуказанной коммутации отклонения индикатора направления последний изменит свой знак и будет показывать направление от кабеля.

Таким образом, используя два указанных индикатора можно удерживать корабль над кабелем, строго следуя по заданному направлению.

Методы использования ведущего кабеля

Аппаратура ведущего кабеля используется в основном в двух случаях:

—для обеспечения плавания по заданному направлению;

—для определения скорости хода кораблей.

Для обеспечения плавания по заданному направлению ведущий кабель прокладывается по оси фарватера или рекомендованного пути. Число колен фарватера и углы, под которыми пересекаются их оси, в данном случае практически не имеют значения. Длина фарватера,, который можно оборудовать ведущим кабелем, в конечном счете лимитируется мощностью станции питания кабеля.

Вождение корабля по кабелю сводится к следующему. Корабль, подходя к кабелю, рассчитывает свой курс таким образом, чтобы пересечь кабель под углом 20 - 45°. При нахождении корабля за пределами зоны действия ведущего кабеля стрелка индикатора положения будет находиться на нуле. При вхождении в зону действия кабеля стрелка индикатора начнет отходить от нуля и на границах зоны ляжет на упор. По мере дальнейшего приближения к кабелю она вновь начнет двигаться к нулю. В момент пересечения кабеля стрелка индикатора станет на нуле, и при дальнейшем движении без изменения курса начнет двигаться к другому упору. В этот момент следует изменить курс и далее следовать, удерживая стрелку индикатора положения на нуле или вблизи нулевого деления.

Важным условием успешного использования ведущего кабеля является правильный вывод корабля к подходным точкам фарватера. Эта задача решается путем использования всех других средств навигационного оборудования и в первую очередь радиотехнических и зрительных СНО. Таким образом, использование ведущего кабеля не исключает, а наоборот, предполагает комплексное использование средств навигационного оборудования данного района.

Для определения скорости хода кораблей используется то свойство приемной аппаратуры, что она позволяет с высокой степенью точности фиксировать момент прохождения корабля над кабелем. При этом движение корабля на кабельной мерной линии должно быть перпендикулярно к секущим кабелям мерной линии. Скорость хода корабля на мерной линии вычисляется по времени пробега его заранее известных расстояний между секущими кабелями мерной линии.

§82. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ ТРАСС ВЕДУЩЕГО КАБЕЛЯ

Всостав оборудования трассы ведущего кабеля, как правило, входит: электростанция питания, кабель, проложенный по дну фарватера, ж гидроакустические отметчики, используемые для обозначения характерных точек на трассе.

Электростанция питания представляет собой дизель-электрический агрегат со специальным генератором, обеспечивающим питание потребителей однофазным переменным током заданной частоты. Причем схемой генератора предусматривается регулировка его выходного напряжения в широких пределах, что обеспечивает питание кабелей различной длины.

Вкачестве ведущего кабеля используются одножильные кабели обычно с резиновой оболочкой, защищенной асфальтовым джутом.

Выбор кабеля того или иного сечения зависит от длины трассы и от мощности используемого источника питания. Желательно использовать кабель с большим сечением жилы, однако в этом случае резко возрастает его вес, что усложняет прокладку.

Ведущий кабель сращивается в единую строительную длину без муфт, изоляционные и шланговые его покровы восстанавливаются методом горячей вулканизации. При сращивании отрезков кабеля концы этих отрезков разделываются и последовательно соединяются способом «русской скрутки». Место соединения пропаивается бескислотной пайкой, а затем покрывается слоями сырой изоляционной и шланговой резины, после чего помещается в вулканизационную печь. После вулканизации проверяется сопротивление изоляции восстановленных покровов в местах сращивания кабеля, для чего эти участки кабеля поочередно опускают в воду, а к кабелю присоединяют прибор для измерения сопротивления изоляции.

Необходимая строительная длина кабеля для оборудования заданной трассы определяется по схеме ее профиля, представляющей собой разрез глубин по всей трассе ведущего кабеля. Практически в большинстве случаев при расчете строительной длины кабеля достаточно длину кабеля, снятую с карты, увеличить на 15 - 20%.

Заземление ведущего кабеля осуществляется с помощью медного .листа, к которому с помощью специальной муфты присоединяется токоведущая жила кабеля. Рекомендуется брать лист толщиной 4 мм площадью около 0,5—0,8 м2. Заземление припаивается к жиле кабеля через трубчатую гильзу, предназначенную для предотвращения проникновения воды внутрь кабеля.

Гидроакустические отметчики используются для обозначения характерных точек на ведущем кабеле (точки поворота, подходные точки и т. д.) и представляют собой герметичные кабельные муфты, внутри которых находятся генераторы на транзисторах и гидроакустические излучатели.

Отметчики включаются непосредственно в ведущий кабель и получают питание от него. Каждый отметчик излучает присвоенные ему позывные, которые принимаются корабельной гидроакустической станцией. Излучение сигналов отметчиком — ненаправленное, и дальность действия их может достигать нескольких сотен метров.

Блок-схема гидроакустического отметчика показана на рис. 8.7. Принцип действия устройства состоит в следующем. Задающий генератор 2 генерирует незатухающие синусоидальные колебания, которые прерываются кодирующими импульсами, вырабатываемыми на выходе программного устройства 1 согласно присвоенной характеристике излучаемых сигналов. Импульсы синусоидального напряжения усиливаются усилителем мощности 3 и приводят в колебание пьезокерамический излучатель 4.

Питающее устройство 5 состоит из трансформатора тока, отбирающего у кабеля необходимую энергию для питания устройства, и стабилизатора напряжения, обеспечивающего нормальную работу полупроводниковых схем.

Схемы трасс ведущего кабеля

В зависимости от способа питания ведущего кабеля применяются две различные схемы соединений ведущего кабеля с источниками питания: с конца или из средней точки.

На рис. 8.8 показана наиболее распространенная схема соединений, применяемая при питании ведущего кабеля с конца. Один конец кабеля с помощью фидера соединяется с источником питания, располагаемым на берегу, а второй конец надежно заземляется. Такая схема питания обычно применяется в случаях, когда ведущим кабелем оборудуется вход в порт или гавань.

В случае, когда ведущим кабелем оборудован фарватер проливной зоны и при этом длина трассы велика, может быть использована схема питания из средней точки (рис. 8.9). При этом на участке от генератора до точки разветвления применяется трехжильный бронированный кабель. Одна жила кабеля подключается к линии №1 ведущего кабеля, вторая – к линии №2 и обе к одному из полюсов генератора, третья жила надежно заземляется в точке разветвления линий.

Таким образом сумма токов, протекающих в двух жилах, подсоединенных к обоим плечам трассы, будет равна току, протекающему по заземленной жиле и находится в нем в противофазе. В следствие этого результирующее электромагнитное поле вокруг кабеля на участке от станции питания до точки разветвления будет равно нулю. Этому способствует также заземленная бронированная оболочка кабеля.

Расчет трассы ведущего кабеля

Расчет трассы ведущего кабеля, т. е. определение мощности станции питания, производится по

где P - мощность станции питания, Вт;

I - необходимая величина тока в кабеле, А;

ZВХ - модуль входного сопротивления, Ом.

Необходимая величина силы тока в кабеле определяется по специальным графикам зависимости тока в кабеле от глубины места его прокладки. Эти графики построены на основе экспериментальных измерений для различных типов приемной аппаратуры и солености морской воды. Величина тока рассчитывается исходя из наибольшей глубины на трассе.

При определении необходимой величины силы тока в кабеле необходимо учитывать следующее обстоятельство. При движении корабля по трассе ведущего кабеля возникают помехи в работе бортовой аппаратуры, уровень которых зависит от скорости хода корабля. С целью снижения этих помех на практике искусственно понижают (загрубляют) чувствительность приемной аппаратуры в 5—10 раз, что соответственно ведет к необходимости увеличивать силу тока в кабеле.

Входное сопротивление подводной трассы ведущего кабеля определяется также по специально рассчитанным графикам для различных частот питающего тока и различных марок кабеля.

§ 8.3. ПРОКЛАДКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАСС ВЕДУЩЕГО КАБЕЛЯ

При выборе места прокладки ведущего кабеля следует учитывать требования обеспечения плавания по заданному фарватеру, навигационно-гидрографические особенности района, а также следующие основные условия, необходимые для нормальной эксплуатации кабеля:

—рельеф дна в месте прокладки должен быть плавным, склоны пологими, чтобы кабель заполнял все впадины по направлению трассы без резких перегибов;

—грунт дна должен быть по возможности песчаным, что обеспечит живучесть кабеля, поскольку при каменистом грунте не исключено его повреждение, особенно при наличии сильного течения;

—глубины не должны превышать величин, оговоренных в паспорте данного типа корабельной аппаратуры.

Прокладка трассы ведущего кабеля — большая по объему и трудоемкая работа, требующая тщательной подготовки, которая выполняется после предварительных изыскательских работ и на основе технического проекта, охватывающего весь комплекс работ, в том числе и строительных на берегу.

Подготовка трассы и плавсредств к прокладке ведущего кабеля

До начала прокладки кабеля трасса должна быть обвехована, а в ее характерных точках (точках поворота трассы, точках концевых заземлений и точках подачи фидерного кабеля на берег) должны быть выставлены буи. В случае необходимости на берегу должны быть установлены дополнительные навигационные ориентиры. Для координирования работ на весь район должны быть заблаговременно подготовлены планшеты.

Для прокладки кабеля необходимо специальное кабельное судно с приспособлением, обеспечивающим размотку и выход кабеля за корму. Суда такого назначения имеют вместительные трюмы в кормовой части для укладки кабеля и оборудованы всеми необходимыми устройствами и измерительной аппаратурой для контроля и испытания кабеля.

В случае использования для прокладки кабеля временно приспособленных для этих целей гидрографических судов последние должны удовлетворять следующим основным требованиям:

—иметь малую осадку и парусность;

—хорошо управляться на малых скоростях (3—4 уз);

—обладать хорошими маневренными качествами;

—иметь трюмные помещения достаточной емкости.

Судно оборудуется приспособлениями для прокладки кабеля, в трюме должна быть сооружена прочная дощатая палуба для укладки кабеля и создан запас полос фанеры для прокладки ими рядов кабеля.

Для обеспечения размотки и выхода кабеля за корму необходимо установить на судне приспособления, предохраняющие кабель от повреждений: все металлические части и предметы, которые могут повредить изоляцию кабеля при движении его из трюма к корме, должны быть обшиты деревом; должны быть установлены простые тормозные устройства (например, из двух связанных между собой толстых досок) для предотвращения падения кабеля под корму при вынужденных остановках судна или резком уменьшении его хода и т. д.

Для выполнения всех подготовительных работ, связанных с прокладкой кабеля, должна быть выбрана удобная для стоянки кабельного судна и приемки им кабеля площадка на свободном участке причала (пирса), которая должна иметь ограждение, подъездные пути для подвоза кабеля и необходимые разгрузочные транспортные средства.

Перед монтажем кабеля и сращиванием в единую строительную длину тщательно проверяются целостность тары и отсутствие в кабеле механических повреждений, после чего испытывается на прочность изоляция кабеля.

Для испытания изоляции на прочность кабель погружается в воду на одни сутки, причем концы его выводятся в сухое место. Затем на токопроводящие жилы подается от кенотронной высоковольтной установки двухкратное номинальное напряжение в течение 5 мин. Куски кабеля, выдержавшие эти испытания, пригодны для дальнейшего монтажа в единую строительную длину. Сращиваются куски фидерного многожильного кабеля при помощи соединительных муфт, а ведущего одножильного кабеля — без муфт ранее рассмотренным методом горячей вулканизации.

Особое внимание должно быть уделено укладке кабеля в трюм. Кабель следует укладывать аккуратно, виток к витку в круглую бухту, от края бухты к ее середине. Ряды витков (слои) кабеля необходимо переложить полосами фанеры для предотвращения склеивания рядов кабеля и избежания запутывания витков при прокладке кабеля. Наружный диаметр бухты должен быть такого размера, чтобы максимально использовать площадь трюма.

После того, как кабель уложен в трюм и смонтированы заземления, он должен быть залит водой на одни сутки и затем испытан на целостность его изоляционных покровов двухкратным рабочим напряжением выпрямленного тока. Если в трюме невозможно залить кабель водой, то перед укладкой кабеля его пропускают через воду и контролируют изоляцию с помощью меггера: на один конец кабеля подключается меггер, а второй конец надежно изолируется.

Перед прокладкой кабель не должен иметь повреждений, в противном случае поврежденное место выведет кабель из строя после прокладки.

После укладки всего кабеля в бухту его верхний конец проводится через все приспособления для прокладки и он будет являться береговым концом кабельной трассы.

Прокладка кабеля по трассе

Прокладка кабеля по трассе является самым ответственным этапом работ при оборудовании трассы ведущего кабеля.

Кабель должен быть проложен с возможно меньшими отклонениями от оси трассы, в связи с чем прокладка должна непрерывно координироваться с необходимой точностью с помощью зрительных и радиотехнических средств навигационного оборудования, которые могут быть специально развернуты на период выполнения этих работ.

Метод прямой теодолитной засечки обеспечивает наиболее высокую точность определения места при координировании прокладки кабеля. Сущность метода заключается в одновременной засечке судна, прокладывающего кабель, с двух береговых теодолитных постов.

При определении направления с помощью теодолита с береговых постов измеряется угол а между начальным направлением на береговой ориентир и направлением на кабелеукладывающее судно. При этом направление на движущееся судно измеряется однократным наведением трубы теодолита, т. е. при одном круге. В этом случае средняя квадратическая погрешность измерения направления с берега на

где ∆Т — ошибка дирекционного угла начального направления, зависящая от класса геодезической сети, используемой для теодолитных постов;

∆α — ошибка измерения угла, зависящая от типа используемого теодолита.

Процесс прокладки должен быть непрерывным, постановка судна на якорь или лежание в дрейфе во время прокладки кабеля недопустимы. Прокладка ведется на минимальных скоростях, при которых судно хорошо управляется (перекладка руля не должна превышать 2—3°).

В местах поворота трассы радиус циркуляции судна должен быть равным или больше радиуса циркуляции самого крупного корабля или судна, проводка которого будет осуществляться по оборудуемой трассе.

При прокладке кабеля волнение моря должно быть не более 1— 2 баллов, ветер — не более 2—3 баллов, видимость — хорошая, прогноз погоды на весь планируемый период работ — благоприятный.

Перед началом работ должен быть составлен подробный план-график, в котором разрабатываются все вопросы по организации прокладки кабеля: техническое обеспечение, взаимодействие плавсредств, управление и связь, состав команд и их задачи и т. д. В случае необходимости проводятся специальные тренировки личного состава и контрольный выход судна по трассе.

Укрытие кабеля на грунте и прокладка его на берегу

Наиболее сложный этап работ по прокладке кабеля — укрытие его на мелкой воде, поскольку на этом участке его повреждение от волнения или торошения льда наиболее вероятно.

Кабель должен быть замыт в грунт дна водолазами на глубину 0,4—0,5 м на участке от берега до 5—10-метровой изобаты. Замывка кабеля возможна при песчаном или илистом грунте. При твердом грунте кабель прокладывается в специальные, заранее подготовленные с помощью взрывных работ траншеи глубиной 0,4—0,5 м, а затем засыпается.

На участке от технического здания, где расположена станция питания, до уреза воды кабель также укладывается в траншеи глубиной 0,5—0,7 м. Дно траншеи выравнивается и посыпается мягкой землей или песком. Проложенный кабель засыпается слоем песка в 10—15 см и покрывается кирпичей или просмоленными горбылями, затем траншея полностью засыпается.

В случае значительного удаления технического здания от уреза воды питание к кабелю можно подвести с помощью воздушной линии на столбах, к которой он подключается с помощью специальной клеммной коробки.

Контроль местоположения кабеля на грунте

Положение точек при координировании места корабля, производившего прокладку кабеля, не дает достаточного основания считать их за действительное местоположение кабеля, поскольку течением кабель при его опускании на грунт может быть смещен на значительное расстояние в сторону. В связи с этим после окончания работ по прокладке кабеля необходимо определить его фактическое местоположение на грунте. Для этого корабль, оборудованный соответствующей приемной аппаратурой ведущего кабеля, проходит над кабелем прямыми и обратными галсами, перпендикулярными к направлению трассы (рис. 8.10).

Расстояния между галсами не должны превышать 2 кбт. В моменты нахождения приемной рамки над кабелем определяется место корабля с помощью высокоточных радионавигационных средств или теодолитных постов. Место корабля наносится на планшет масштаба 1:5000— 1:15000.

В силу случайных ошибок в измерениях нанесенные на планшет точки пересечения кораблем трассы ведущего кабеля 1, 2, 3, ... и 1’, 2', 3', ... расположатся не по прямой, а с некоторым разбросом. После графического осреднения положения соответствующих точек проводят прямые АА и ВВ, между которыми и будет находиться линия фактического положения кабеля.

Охрана ведущего кабеля от повреждений

Ремонт и восстановление поврежденного кабеля — весьма трудоемкая работа, требующая больших затрат времени и средств. Поэтому должны быть приняты все возможные меры, обеспечивающие охрану кабеля от повреждений. К таким мерам в первую очередь относится установление запретных зон для якорных стоянок кораблей и рыбной ловли вдоль всей трассы кабеля. Эти зоны наносятся на навигационные карты и объявляются в «Извещениях мореплавателям». В месте выхода кабеля на берег устанавливается предупредительное объявление «Якорей не бросать».

Плавучее ограждение в районе трассы ведущего кабеля должно выставляться с большой осторожностью, поскольку дрейф этих средств может также привести к повреждению кабеля.

Раздел III

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

УСТАНОВКИ

СРЕДСТВ

НАВИГАЦИОННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ