Надежностные характеристики волоконно-оптической линии передачи

9 Надежностные характеристики ВОЛП

Все факторы, влияющие на надежность ВОЛП, можно разделить на две основные группы: внутренние и внешние. Внутренние факторы зависят от процесса производства, проектирования, прокладки, монтажа и эксплуатации. Внешние не зависят от процесса изготовления кабеля, но могут закладываться на стадии проектирования и проявляться при эксплуатации ВОЛП. Существует также разделение факторов по конструктивно-производственным и эксплуатационным признакам. К первым относятся факторы, связанные с разработкой и изготовлением ОК, ко вторым - факторы, влияющие на надежность ОК в процессе прокладки, монтажа, эксплуатации.

Среди всех внутренних факторов доминируют микротрещины на поверхности оптического волокна (ОВ), именно они могут существенно ограничить ресурс ОК, повлечь их растрескивание. К внутренним факторам относится также качество конструкции ОК. Резко уменьшают надежность ВОЛС и дефекты при монтаже соединительных муфт.

Внешние факторы, снижающие надежность ВОЛП, проявляются при эксплуатации. К ним следует отнести земляные работы сторонних организаций вблизи места прокладки ОК, стихийные явления - обвалы, ливни, просадка грунта, землетрясение, мерзлота, удары молний (при наличии в ОК металла) и другие. Кроме того, ОК могут повредить грызуны, насекомые, грибковые образования (плесень).

Надежность ВОЛС зависит не только  от качества ОК, но и от качества других устройств и элементов, входящих в состав линий кабельной связи. Особенность получения количественных характеристик надежности ОК или ВОЛС как системы , находящейся в эксплуатации, состоит в установлении исходных данных для ее оценки.

Основные термины и определения:

*   надежность ОК - свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения;

*   долговечность ОК - свойство сохранять работоспособное состояние до выхода одного или нескольких параметров за допустимые пределы при установленной системе технического обслуживания и ремонта;

*   срок службы ОК - календарная продолжительность работоспособного состояния кабеля с момента ввода в эксплуатацию до момента перехода в предельное состояние, то есть в состояние, при котором дальнейшая эксплуатация ОК недопустима или нецелесообразна.

В ВОЛС существует внутренний источник отказов – обрывы ОВ , вызванные старением кварцевого стекла.

В ОК проводящей средой служит кварцевое волокно, старение и деградация которого может явиться причиной долгосрочного выхода из строя ОК. Волокно подвержено коррозии, действию радиации и влаги, термомеханическим воздействиям и другим факторам. Поэтому в ОК необходимо отдельно рассматривать параметры надежности, которые могут лимитировать ресурс и срок службы в целом. Также следует знать свойства исходных материалов и в первую очередь полимеров.

Конструкции кабелей разделяют на ОК с металлом и ОК без металла - полностью диэлектрические. ОК с металлом подвержены всем видам электрических влияний (гроза, коррозия, электромагнитное влияние и тому подобные). ОК без металла менее стойки к внешним механическим воздействиям (повреждение сторонними организациями, стихийные бедствия, просадка грунта, мерзлота и так далее). Плотность повреждения ОК_м примерно в 1,3 раза меньше, чем ОК_д.

Надежность ВОЛС в процессе эксплуатации характеризуется, в основном, состоянием двух групп элементов: проложенных строительных длин ОК и соединительных муфт. Зная требуемое значение наработки на отказ линий кабельной связи (Т_ол), можно оценить допустимые значения этого показателя у строительных длин ОК и соединительных муфт. Требуемая наработка на отказ муфты:

Т_ом = Т_ол×Т_ок×М/(Т_ок-Т_олК),                                     (9.1)

где     Т_ок и Т_ом - наработка на отказ строительной длины проложенного кабеля и соединительной муфты;

К и М - число строительных длин кабеля и муфты.

Основу конструкции ОК составляют пластмассы, которые с течением времени подвергаются процессу старения. При этом пластмассы теряют из своего объема медленно испаряющиеся ингредиенты: поливинилхлорид (ПВХ) - пластификаторы, полиэтилен (ПЭ) - антиоксиданты.

Оптические кабели с металлическим покровом обладают потенциально большей эксплуатационной стойкостью, чем полностью диэлектрические кабели.

Основным показателем долговечности ОК, определяемым и гарантируемым в процессе производства, является срок службы. Его значение задается в процессе разработки конструкции ОК и обеспечивается выбором материала соответствующей долговечности и подтверждается ускоренными температурными испытаниями соответствующей длительности.

Общая продолжительность воздействия повышенной температуры устанавливается равной:

t_и = T_нм exp [-(1/T_p - 1/T_и) E/R]  ,                                      (9.2)

где      t_и - общая продолжительность воздействия повышенной температуры, ч;

T_нм - срок службы, г;

T_p и T_и - рабочая температура и испытательная температура, К, соответственно.

Реальная прочность ОВ на 2-3 порядка меньше теоретической. Основное влияние на прочность ОВ оказывают микротрещины на его поверхности, образующиеся в процессе вытяжки.

Единичная микротрещина характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений:

К₁ = sУ ÖС,                                         (9.3)

где       s - механическое напряжение, приложенное к ОВ, МПа;

У = 1,13 - безразмерный коэффициент, учитывающий геометрическую форму микротрещины;

С - глубина микротрещины, м.

Вероятность безотказной работы ОВ до разрушения за счет термофлуктуаций:

P » exp [L ×((u×K_1кр s) / M(Q-lnT))]  ,                    (9.4)

где       L - длина волокна, м;

Т - время приложения нагрузки, создающей напряжение s;

u, Q - константы материала;

М, r - эмпирические коэффициенты.

Срок службы ОВ тем больше, чем меньше механические нагрузки они испытывают в процессе эксплуатации. Деградация ОВ может быть выявлена путем измерения затухания ОВ и статистической обработки результатов двух последовательных измерений.