X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Сейчас, совершая звонок по телефону на другой конец света (например, из Европы в Америку) или же загружая из интернета любимую мелодию, которая лежит на сайте где-нибудь в Австралии, мы даже не задумываемся, каким образом нам удаётся это сделать. А происходит это благодаря применению оптоволоконных кабелей. Для того чтобы соединить людей, сделать их ближе друг к другу или же к желаемому источнику информации, приходится соединять континенты. Для этого необходимо проложить подводную оптоволоконную линию связи.

Если прокладка кабеля по суше не вызывает значительных затруднений (кабели можно зарывать в траншеи, вести на линиях опоры, подобным ЛЭП), то прокладка кабеля на морском, а особенно на океанском дне приводит к многократному возрастанию проблем и, как следствие, стоимости всего проекта. Огромные глубины (более 8000 м), высочайшее давление, малая доступность, сложный подводный рельеф, налагают особые требования на конструкцию кабеля, оптических усилителей, соединительных муфт, разветвителей и прочего оборудования.

Также для укладки кабеля необходимо строительство специального кораблякабелеукладчика, применение глубоководного оборудования, аппаратов для зарывания кабеля в грунт и других специальных агрегатов. В инженерно-техническом плане, прокладка подводной линии связи является очень сложным и дорогостоящим мероприятием (стоимость проекта может превосходить 100 млн.долларов). Однако, благодаря высокой помехозащищённости, широкой полосе пропускания, низкому уровню шумов, экономичности, высокой защищённости от несанкционированного доступа и другим достоинствам все затраты окупаются.

Для сокращения сроков окупаемости линии, повышения надёжности и качества связи необходимо провести тщательное исследование морского дна, провести анализ воздействий, которые могут вызвать повреждения кабеля (учесть как человеческий, так и природный факторы), изучить информационные потоки, переносчиком которых будет данная подводная линия связи. Проведение такого анализа предваряет собой начало работ по прокладке подводного оптоволоконного кабеля.

После проведения анализа необходимо выбрать способы и сроки укладки кабеля, методы его защиты от внешних воздействий, а также разработать методику и оборудование для ремонта и восстановления кабеля/оптического усилителя/разветвителя в случае повреждения.

После этого начинаются работы по прокладке кабеля (на берегу, вывод кабеля с берега в море, прокладка кабеля в море) и строительство береговых терминальных станций.

Как правило, такая линия связи состоит из:

Подводного оптоволоконного кабеля;

Подводных оптических усилителей;

Подводных разветвителей;

Береговых станций энергоснабжения;

Наземного сетевого оборудования;

Системы контроля работоспособности подводной линии;

Системы управления.

Ко всем агрегатам, располагающимся под водой, предъявляются повышенные требования по надёжности, качеству производства, ресурсу. Они многократно тестируются на предмет определения допустимых пределов эксплуатационных нагрузок и возможности противостоять внешним воздействиям.

Прокладка подводной линия связи представляет собой сложную исследовательскую, инженерную и конструкторскую задачу, к решению которой привлекаются специалисты множества отраслей.

Различные виды подводных волоконно-оптических линий связи Несмотря на всё разнообразие оптоволоконных линий связи их можно разделить на несколько типовых линий, каждая из которых характеризуется своими собственными характерными чертами.

Подводные волоконно-оптические линии связи можно разделить на репитерные (с применением подводных оптических усилителей) и безрепитерные. Линии с применением оптических усилителей разделяются на магистральные трансокеанские (межконтинентальные) и прибрежные линии связи. Безрепитерные линии связи разделяются на прибрежные линии связи и линии связи между отдельными пунктами (между островами или между материком и островами, материком и буровыми станциями). Также существуют линии связи с применением удалённой оптической накачки.

Для магистральных трансокеанских линий связи расстояние между терминальными станциями может составлять от 2000 до 13000 км. Число оптических усилителей на линии может составлять несколько сотен. Напряжение питания может составлять свыше 15 кВ.

Для прибрежных волоконно-оптических линий связи с применением подводных усилителей длина кабеля между береговыми станциями может составлять несколько сотен километров. Напряжение питания – порядка 5 кВ.

Для передачи информации на меньшие расстояния (до 200 км) используются безрепитерные линии связи с применением разветвителей. Для снижения стоимости применяются линии без использования подводных разветвителей. В таких линиях используется более дешёвый кабель и они не нуждаются в береговых станциях энергоснабжения (т.к. разветвителям требуется дистанционное управление), что значительно снижает стоимость линии. Управление траффиком в таких линиях осуществляется на береговых терминальных станциях. Подобные линии связи часто применяются для соединения прибрежных населённых пунктов, а также в тех случаях, когда прокладка кабеля по суше является затруднительной в связи со сложным рельефом местности или возможным повреждениям прибрежной экосистемы (например, сложный горный ландшафт или прибрежный природный заповедник). Если в линии имеются подводные усилители и/или разветвители, то тогда на береговых терминальных станциях обязательно имеется оборудование для их энергоснабжения (PFE Power Feeding Equipment).

При планировании маршрута прокладки кабеля для подводной оптоволоконной линии связи необходимо принимать во внимание различные факторы. Во-первых, маршрут должен быть экономически выгодным и безопасным, так как использование различных способов защиты кабеля приводит к увеличению стоимости проекта и увеличивает срок его окупаемости. Во-вторых, в случае прокладки кабеля между разными странами, необходимо получить разрешение на использование прибрежных вод той или иной страны. Так же необходимо получить все необходимые разрешения и лицензии на проведение кабелеукладочных работ.

Следующим этапом является исследование потенциальных рисков при укладке кабеля. Проводится предварительный анализ маршрута, исследуется морфология и геология морского дна (сейсмическая активность, подводный вулканизм, поля песочных волн (sandwave, барханы), выход скальных пород, подводные оползни и обвалы), океанография и метеорология.

Метеорология важна при прокладке кабеля, особенно в высоких широтах и открытом океане, так как неблагоприятные погодные условия могут существенно задержать сроки прокладки кабеля. Также, может возникнуть необходимость проведения глубоководного бурения, с целью предоставления более полной информации о морском дне.

Исследование маршрута прокладки включает в себя геофизические (измерение глубины моря, сканирование поверхности дна гидролокатором бокового обзора, профилирование дна) и геотехнические (возможность и способы бурения) исследования.

Также проводится определение плотности грунта.

Для обеспечения стабильной работы кабеля в мелководных районах проводится определение средней зимней/летней температура морского дна в месте прокладки кабеля (на большой глубине температура дна в течение года остаётся приблизительно постоянной).

Особое внимание следует уделить возможным отклонениям от географического маршрута прокладки кабеля. Эти отклонения приводят к увеличению длины кабеля при рассчитанных географических расстояниях и проявляются при обходе волнообразных образований морского дна и при небольших отклонениях от реального (географического) маршрута прокладки кабеля.

После анализа всех факторов, влияющих на возможность повреждения кабеля, происходит выработка рекомендаций для безопасного маршрута прокладки и проводится выбор способов защиты кабеля от внешних воздействий.

Всего существует два основных способа защиты кабеля: бронирование и укладка кабеля в траншею, выкапываемую на дне.

Кратко рассмотрим каждый из видов этой защиты более подробно:

1. Бронирование кабеля.

Бронирование обеспечивает более низкий уровень защиты кабеля от внешних воздействий, но зато предоставляет высокий уровень доступности к кабелю (это особенно важно при проведении ремонтно-восстановительных работ).

Более подробно методы бронирования кабеля и их характеристики будут рассмотрены ниже.

2. Закапывание кабеля в траншею.

Закапывание кабеля обеспечивает высокий уровень защиты, но значительно снижает доступность к кабелю. Также закапывание кабеля приводит к снижению уровня защиты при движении донных отложений (подвижка грунта) [4, 8]. При прокладке кабеля с берега практикуется укладка кабеля в специальные трубы (см. ниже).

На континентальном шельфе наиболее надёжная защита может обеспечиваться посредством зарывания кабеля в траншею, глубина которой находится ниже проникновения какой-либо внешней опасности.

Оптоволоконные кабели для подводных линий связи обычно состоят из оптического сердечника, токоведущей жилы и внешних покровов. В трубчатом сердечнике располагаются оптические волокна (от 4 до 12 штук), которые должны соответствовать рекомендациям G.665 МСЭ-Т и категории В4 МЭК 60793-2-50. Внешние покровы предназначены для защиты кабеля от внешних воздействий, а токоведущая жила необходима для обеспечения питания постоянным током подводных усилителей.

Как правило, все вышеописанные методы защиты кабеля призваны обеспечить неизменность его оптических характеристик в течение эксплуатации. Но и сами эти методы должны удовлетворять определённым характеристикам и требованиям, чтобы защита оптических свойств кабеля имела максимально высокий уровень и надёжность.

Кабель для подводной оптоволоконной линии связи должен удовлетворять:

требованиям к оптическим характеристикам;

требованиям по стойкости к механическим воздействиям;

требованиям по стойкости к климатическим и другим внешним воздействиям;

требованиям к электрическим параметрам;

требованиям по надёжности.

Оптические характеристики кабеля такие как: коэффициент затухания, коэффициент хроматической дисперсии, поляризационная модовая дисперсия, длина волны отсечки, кабельная длина волны отсечки должны слабо меняться на протяжении срока его службы.

Высокие требования предъявляются к стойкости кабеля к механическим воздействиям. Кабель должен выдерживать длительные статические и кратковременные динамические растягивающие усилия; быть устойчивым к многократным сгибам и скручиваниям, и, что особенно важно, быть устойчивым по отношению к избыточному гидростатическому давлению, а также обладать продольной водонепроницаемостью.

Оборудование дистанционного энергоснабжения (PFE), расположенное в береговых станциях, обеспечивает непрерывное и стабильное электропитание подводной установки (ретрансляторов) и терминального оборудования.

Постоянный ток для питания подводных оптических усилителей подается через оптоволоконный кабель, в котором располагается специальная токоведущая медная жила.

Системы энергоснабжения обладает высокой надёжностью и очень стабильным постоянным напряжением. На передающих станциях присутствуют системы локализации ошибок и неисправностей. Также системы энергоснабжения обладают специальными системами контроля тока и напряжения (не хуже 0,5 %) для предотвращения скачков, которые могут вывести из строя подводный усилитель и, соответственно, всю линию.

Оборудование PFE основано на модульной архитектуре. Несколько модулей настроены и могут управлять подачей электроэнергии для подводных систем с разветвителями.

Например для с. Стародубское и п. Оха выбрано оборудование электропитания с одним модулем с напряжением питания 3 кВ, а для Магадана и Октябрьский – двухмодульное оборудование по 3 кВ.

К активным компонентам относятся репитеры RPT 1660. Внешний вид репитера представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид репитера RPT 1660

Репитер RPT 1660 представляет собой оптический эрбиевые усилитель. Данная технология позволяет производить высокомощное усиление для оптимизации разнесения ретрансляторов, пик коэффициента усиления для широкополосного усилителя позволяет производить эффективную передачу сигнала, а значительно уменьшенное значения шума позволяет достичь большей производительности на больших расстояниях с непревзойдённой надежностью. На рисунке 2 представлена конструкция репитера RPT 1660.

Рисунок 2 – Конструкция репитера RPT 1660

Питание подводных репитеров осуществляется по медным проводникам в кабеле с двух сторон линии специализированным оборудованием для подачи питания (PFE – power feed equipment).

Питание репитеров осуществляется с помощью источников высокого напряжения, расположенных в береговых станциях. На станции А плюс источника подключается к токоведущей жиле подводного кабеля, минус – к земле. На станции Б к жиле подключается минус и соответственно плюс заземляется. Таким образом, создаётся цепь постоянного электрического тока, в которой ток от станции А к станции Б идёт через подводный кабель, а от станции Б к станции А через землю. Наглядный пример подключения репитеров представлен на рисунке 3

Рисунок 3 – Пример питания постоянным током подводных репитеров

Оборудование PFE способно поддерживать питание с одного конца от одной станции в случае отказа PFE на другом конце. В случае прерывания цепи питания в силу повреждения кабеля или промежуточного усилителя выходное напряжение каждого блока PFE автоматически подстраивается для поддержания номинального тока питания. Это оборудование обеспечивает различные режимы, в целях снабжения стабильным питанием подводных усилителей на длительный срок.

Оперативная проверка выходного тока или выходного напряжения может осуществляться без вмешательства в работу оборудования. Для того чтобы сдержать любые изменения выходного напряжения, это оборудование обеспечивает тонкую фильтрацию входного напряжения [15].

Рисунок 4 – Параметры PFE

Общее напряжение для питания системы описывается выражением:

,

где - ток кабеля;

- разность потенциалов между землями ст. А и Б;

- напряжение на усилителе;

- километрическое сопротивление кабеля;

- длина кабеля

Оперативная проверка выходного тока или выходное напряжения может осуществляться без вмешательства в питание во время работы оборудования. Для того, чтобы сдержать любые изменения выходного напряжения, это оборудование обеспечивает тонкую фильтрацию входного напряжения [15].

На рисунке 5 наглядно изображено питание подводных усилителей с двух сторон, при выходе из строя аппаратуры с одной стороны, при частичном повреждении аппаратуры с одной стороны. На рисунках КБ – кабельный бокс, а V_пит – напряжение питания.

Питание подводной части с двух сторон

Схема питания при повреждениях (выход из строя оборудования на станции А)

Схема питания при повреждениях (повреждение кабеля на стороне А)

Рисунок 5 – Питание подводной части с берега

Основываясь на вышесказанном, на сегменте Стародубское-Октябрьский электропитание на береговой станции Стародубское принимаем положительным потенциалом, а в Октябрьском – отрицательный.

Для расчета электропитания репитеров необходимо чтобы соблюдалось следующее условие:

,

где U_реп – напряжение репитера,

U_ист – напряжения источника питания,

U_лин – падение напряжения в линии,

N – количество репитеров.

Падение напряжения в линии рассчитывается по формуле 6.2:

,

где I – ток электропитания,

R_лин – сопротивление в линии.

Для нахождения сопротивления в линии воспользуемся формулой 6.3:

,

Где ρ – удельное сопротивление меди, 0,0175 Ом·мм²/м;

L – длина линии, м;

S – площадь поперечного сечения токоведущей части ПВОК (медная оболочка).

Площадь поперечного сечения токоведущей части ПВОК рассчитывается по формуле:

,

где R_внеш – внешний радиус кольца;

R_вн – внутренний радиус кольца.

В сегмент Стародубское-Октябрьский входят 14 НРП, 14 участков по 85 км и 1 участок – 88,27 км.

Для сегмента Стародубское-Октябрьский условие по электропитанию соблюдено. В сегменте Октябрьский-Магадан входят 10 НРП, 10 участков по 85 км и 1 участок – 78,56 км.

Для сегмента Октябрьский-Магадан условие по электропитанию соблюдено.

В сегменте Магадан-Оха входят 10 НРП, 10 участков по 85 км и 1 участок – 49,25 км.

Для сегмента Октябрьский-Магадан условие по электропитанию соблюдено.

Список литературы

Стратегия развития инфраструктуры связи в Камчатском крае на период до 2025 года. – Петропавловск-Камчатка, 2010.

Денисов. С.Л. Подводные оптоволоконные линии связи. Литературный обзор / С.Л. Денисов – М.: НТО «ИРЭ-Полюс», 2002.

Мелл, С. «Цифровые оптические сети» обеспечивают более простое, быстрое и гибкое предоставление услуг // Lightwave Russian Edition - №3 – с. 19–20, 2005.

ITU-T G.971. Основные особенности волоконно-оптических подводных кабельных систем , 2007.

ITU-T G.974. Характеристики регенераторных волоконно-оптических кабельных систем, 2007.

ITU-T G.977. Характеристики волоконно-оптических подводных кабельных систем на основе оптических усилителей, 2006

Код для цитирования: Скопировать