Воздействие токов уравнивания потенциалов, протекающих по металлическим покровам оптических кабелей

При каких условиях по металлическим покровам оптических кабелей протекают токи? Опасно ли это для персонала? Какая величина тока может привести к повреждению кабеля? Какие меры следует предпринять и как все это учесть при строительстве и эксплуатации?

Воздействие токов уравнивания потенциалов, протекающих по металлическим покровам оптических кабелей

Воздействие токов уравнивания потенциалов, протекающих по металлическим покровам оптических кабелей

Для того, чтобы получить ответы, требуется большой объем исследований. Так как финансировать такую работу желающих не нашлось, остановилась она на самом первом этапе (постановка задачи, сбор информации). Этого было достаточно, чтобы понять, что проблема существует и потребует технических решений и их отражения в нормативной базе.

Электромагнитные влияния на оптические кабельные линии

1. Влияние электромагнитных полей на прохождение света в оптических волокнах.
   Принято считать, что радиочастотное и микроволновое излучение не оказывает воздействия на оптические волокна. Во всяком случае, для большинства теле-коммуникационных применений это действительно так. На оптические волокна может оказывать влияние только ионизируещее излучение, приводящее к обратимому или необратимому увеличению затухания волокна, а при высоких уровнях излучения к изменению его дисперсии и механических свойств.
   Эти факторы должны учитываться при применении оптических волокон в космической технике, на атомных электростанциях и системах военного назначения.
   Разрушение полимерных оболочек оптических кабелей под воздействием электромагнитных влияний.
2. Может происходить в определенных условиях, когда поверхность оболочки становится проводящей, например при загрязнении. Причины электротермической деградации оболочки оптических кабелей, подвешенных вдоль электрифицированных железных дорог, рассмотрены в [1].

Возможен так же электрический пробой по загрязненной или влажной поверхности кабеля при ударе молнии.

• Помехи, наведенные в металлических жилы, встроенных в оптический кабель (например для передачи ДП). Механизм опасных влияний и методы защиты от них такие же, как для кабелей с металлическими жилами.
• Удары молнии в оптические кабели с металлическими оболочками. Информация, достаточная для проектировщиков и строительно-монтажных организаций, содержится в рекомендации МСЭ-Т [2] и руководстве [3].
• Наводки от промышленных источников (ЛЭП, электрифицированный транспорт) на металлические оболочки оптических кабелей. Могут достигать значительных величин при близ-кой-прокладке силовых и оптических кабелей. Расчет этих наводок приведен в различных источниках, например в [4].
• Протекание токов уравнивания потенциалов по металлическим оболочкам.

Возникает в тех случаях, когда между заземляющими устройствами объектов, между которыми проложен кабель, имеется разность потенциалов. Так как металлическая оболочка кабеля с обеих сторон заземлена, по ней протекает ток уравнивания потенциалов.

Были определены причины, приводящие к протеканию токов, предложены методы защиты, а так же проведены эксперименты по определению стойкости кабелей с полиэтиленовой изоляцией при протекании тока по земляной жиле и экрану. С результатами можно ознакомиться в [5, 6, 7].

Причины протекания токов по металлическим покровам кабелей

Как уже сказано выше, ток будет течь по металлическому покрову, заземленному с двух сторон, если между точками заземления есть разность потенциалов.

Разность потенциалов в несколько вольт — обычное дело, например, если электроустановки выполнены по схеме TN-C и подключены к разным подстанциям. Известны случаи, когда оптические кабели, проложенные между газоперекачивающими станциями, постоянно нагреваются. Причина протекания тока по бронекатодная защита, под которой находится труба газопровода.

Значительно большие токи могут протекать при авариях электроустановок. Рассмотрим два таких случая.

• Авария на электрифицированной железной дороге.

В качестве примера использована в реальности произошедшая в конце 90-х годов на одной из железнодорожных станций авария. Тогда по заземляющим устройствам, проложенным вдоль железнодорожного полотна, текли токи такой величины, что корпуса оборудования связи в ЛАЗ находились под напряжением порядка 0,5–1 кВ.

Причины, приведшие к аварии, объясняются на рисунке 1. Вдоль полотна электрифицированной железной дороги было смонтировано заземляющее устройство 3, состоящее из вертикальных электродов и стальной полосы. Полоса была заведена в здание станции 1, где подключена к главной заземляющей шине ГЗШ.

Электровоз 4 питается от тяговой подстанции 5, причем одним из проводников является контактный провод, другим — рельсы. Выход источника питания 5, подключенный к рельсам, заземлен. При ремонте путей рельсы были разобраны в точке 6. Так как рельсы на протяжении пути заземляются, ток стекал с рельсов землю, и часть его протекала через заземляющее устройство станции, что привело к повышению потенциал на ГЗШ и на всех металлоконструкциях и корпусах оборудования.

В результате часть оборудования в станции вышла из строя, в одном из шкафов, установленных рядом с рельсами возник пожар, были обнаружены так же повреждения одного из сигнальных кабелей, проложенных между станцией 1 и станцией 2.

Если бы в земле был проложен оптический кабель с металлическим покровом, возможно, был бы поврежден и он. (В действительности оптический кабель был подвешен на опорах контактной сети).

• Протекание по оболочке кабеля тока нулевой последовательности при аварии электроустановки. В электроустановках зданий, выполненных по схеме со совмещенными нейтральным и защитным проводниками TN-C, при аварии, которую электрики называют «отгорание нуля» возможна следующая ситуация (рис. 2)

В оптический распределительный шкаф ОРШ, установленный в жилом здании заведен оптический кабель. Корпус ОРШ подключен к главной заземляющей шине (ГЗШ) здания, металлический покров (броня кабеля) соединен с корпусом ОРШ.

Поверх брони кабель покрыт полиэтиленовой оболочкой. С другой стороны броня подсоединена к шине уравнивания потенциалов, установленной в кабельной шахте объекта связи.

При обрыве PEN-проводника ток нулевой последовательности потечет через естественные заземлители здания (арматура фундамента, трубы) в землю и далее к заземлению ТП. Часть тока потечет по броне кабеля и далее в заземляющее устройство объекта связи.

Величина тока может быть довольно значительной и зависит от величины тока нулевой последовательности, сопротивлений заземляющих устройств здания, объекта связи и металлического покрова кабеля. Более подробно такая ситуация описана в [6].

Меры по предотвращению протекания токов по металлическим покровам

Любой способ защиты от протекания тока, по большому счету, сводится лишь к электрическому разрыву покрова, временному или постоянному.

Ниже рассмотрены некоторые из них. Следует отметить, что для оптических кабелей, в отличие от медножильных, не требуется экранирование от помех, что несколько облегчает задачу.

• Установка изолирующих муфт.

Часто применяется с целью борьбы с коррозией. В случае оптических кабелей целесообразно применять только на стыках строительных длин. На сети доступа длины кабелей обычно не велики и этот способ не под-ходит.

• Металлический покров кабеля изолирован от системы уравнивания потенциалов здания.

Это нарушает требования ПУЭ. Данное решение может применяться в исключительных случаях при условии включения между оболочкой кабеля разрядника уравнивания потенциалов (на случай прямого удара молнии в здание или наводок от нее) и принятия дополнительных мер по обеспечению электробезопасности (защита от прикосновения).

Рис 2. Протекание тока нулевой последовательности при «отгорании нуля».

• Подключение металлических элементов кабеля к шине уравнивания потенциалов через устройство, имеющее два состояния — с низким и высоким сопротивлением.

В 2008 году было разработано устройство токовой защиты (УТЗ), которое может быть использовано для оптических кабелей. Разработка велась на базе результатов, полученных еще в 2006 г. [6].

Применение УТЗ позволит обеспечить заземление бронепокрова экрана оптического кабеля на АТС, при этом будет исключено протекание по нему опасных токов. К оборудованию должен подводиться полностью диэлектрический станционный кабель, который соединяется в кабельной шахте через муфту с линейным кабелем.

Предлагается устанавливать УТЗ в кабельной шахте АТС. Вариант подключения показан на рисунке 3. На рисунке изображено УТЗ в стандартном электро-техническом конструктиве для монтажа на рейку DIN.

Активный элемент размещается в сменной вставке. Возможно изготовление так же закорачивающей вставки. В качестве опции предлагается вариант с подключением к централизованной системе контроля (рис. 4б). Функциональная схема УТЗ показана на рис. 4а и 4б. УТЗ состоит из следующих блоков:

1. блок ограничения тока, выполненный на мощных полимерных позисторах;
2. блок защиты от импульсной помехи;
3. блок индикации.

Вариант установки УТЗ (как и разрыв между металлическим покровом и ОРШ) на другом конце линии (жилое здание, офис) рассматривался, но был отвергнут как с точки зрения электробезопасности, так и из-за трудности контроля и обслуживания.

Итак, даны ответы на вопросы о причинах протекания токов по металлическим покровам кабеля, и какие меры можно предпринять для предотвращения этого. Осталось только решить, нужно ли бороться с протеканием токов, и если да, то в каком случае.

Опасен ли потенциал на металлическом покрове для персонала?

Если оба конца подключены к системам уравнивания потенциалов зданий (или к заземленному корпусу шкафа), и контакт не будет нарушен, то электробезопасность в этих местах будет обеспечена.

В тех случаях, если металлический покров будет изолирован от системы уравнивания потенциалов или подключен через защитное устройство, необходимо предотвратить возможность случайного прикосновения к токоведущим элементам кабеля и обеспечить индикацию его нахождения под напряжением (в статье описан только один способ, могут быть без труда реализованы и другие варианты).

При работе на линии опасным может быть прикосновение к токоведущим элементам кабеля, особенно в изолирующей муфте. Хотя такая ситуация представляется маловероятной, будет нелишним включить в правила техники безопасности требование о проверке наличия постороннего потенциала на броне при вскрытии муфт.

Какая величина тока может привести к повреждению кабеля?

Производители кабелей обычно испытывают их только на грозостойкость. Испытания на стойкость к протеканию токов по металлическим покровам значительно проще, и, я уверен, могут быть проведены кабельными заводами по запросам крупных потребителей.

Разработана так же расчетная методика для оценки термической стойкости экранов и оболочек заземленных с двух концов кабелей, проложенных на ОРУ подстанций высокого напряжения [8]. Эта методика может быть использована и для расчета стойкости оптических кабелей.

Какие меры следует предпринимать и как оценить их необходимость?

Для того, чтобы оценить вероятность появления разности потенциалов между точками прокладки кабеля и ее величину должны сделаны соответствующие расчеты.

Интуитивно ясно, что при нескольких тысячах подключенных к оптической сети доступа жилых домов, где электроустановки находятся в плохом состоянии, вероятность аварии в одном из них существует.

Величина тока, который при «отгорании нуля» будет растекаться по подключенным к заземляющему устройству здания коммуникациям, зависит от потребляемой мощности электроустановки и сопротивлению заземления.

Случаи, при которых необходимо предусматривать меры защиты от протекания тока уравнивания потенциалов по оболочке кабеля могут быть определены по совокупности факторов, например:

• тип здания;
• характер грунта;
• тип и состояние электроустановки;
• сопротивление растеканию тока.

Возможно, что расчеты покажут, что для оптической сети в населенных пунктах, в отличие от мощных энергетических объектов, предпринимать какие-либо меры нет необходимости. Но так как такая работа никем не проводилась, строительство и проектирование ведется исходя из предположения, что проблемы протекания токов уравнивания потенциалов по оболочкам оптического кабеля не существует.

Нормативная база

Для обеспечения электробезопасности необходимо выполнять требования ПУЭ. Однако и тут могут возникнуть вопросы. Например, если оболочку кабеля подсоединить к шине уравнивания потенциалов через УТЗ, можно ли рассматривать это как нарушение ПУЭ?

Попытки отыскать решению описываемой проблемы в нормативных документах по грозозащите оптических кабелей [3], или заземлению на объектах волоконно-оптической связи [9] ничего не дают, так как данные документы разрабатывались для магистральных линий, которые проложены между узлами связи, где постоянное или долговременной наличие высоких потенциалов на заземляющих устройствах явление крайне редкое.

В заключение остается сказать, что для того, чтобы не задумываться о том, будет ли протекать ток по токоведущим элементам кабеля, и каковы будут последствия, достаточно использовать полностью диэлектрический оптический кабель.

Литература

1. Филиппов Ю.И. и др. Электротермическая деградация оптического кабеля на участках железных дорог с тягой переменного тока // LIGHTWAWE. Russian Edition. № 3, 2006
2. Рекомендация К.25 МСЭ-Т Защита оптических кабелей.
3. Руководство по защите оптических кабелей от ударов мол-нии. М., Минсвязи России, 1996.
4. Яворский Я. З. Электромагнитное влияние на оптическую кабельную линию в тоннеле. // «Вестник связи», № 4, 2005.
5. Терентьев Д.Е., Пашкевич А.Ю., Сергеев А. В. Способ подключения экрана сигнального кабеля к заземляющим устройс-твам с разными потенциалами. // «Электрическое питание», № 4, 2005.
6. Терентьев Д. Е. Способ и устройство для защиты от опас-ных токов в земляной жиле кабеля. // Сб. трудов V Всероссий-ской конференции «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений СТЛКС-2006 «
7. Терентьев Д. Е. Заземление экранов кабелей связи при наличии разности потенциалов или низкочастотной помехи. //«Инфосфера», № 29, 2006.
8. Нестеров С., Прохоренко С. Экраны контрольных кабелей. Расчетная оценка термической стойкости. // «Новости электротехники», № 5, 2008.
9. РД 45.155–2000. Заземление и выравнивание потенциалов аппаратуры ВОЛП на объектах проводной связи.

Поделиться: