Кабель – в воду
Для нормального функционирования подводных линий связи необходимо соблюдать целый ряд специфических требований. Как же условия эксплуатации отражаются на конструировании, производстве и технологиях прокладки оптического кабеля?
Подводные кабели – наиболее дорогостоящий и материалоемкий класс волоконно-оптических кабелей. Это обусловлено особыми требованиями к надежности, а также спецификой среды, в которой осуществляется техническая эксплуатация.
Кроме того, высокая стоимость трансконтинентальных линий связи определяется большой информационной емкостью кабеля. Подобные ВОЛС оборудуются системами передачи информации, способными обеспечивать самую высокую скорость прохождения информационных потоков. Таким образом достигается наиболее эффективное использование оптических волокон. При повышении этой эффективности необходимо учитывать возможность модернизации оборудования передачи информации без замены линейных сооружений.
Еще один принципиальный момент – высокая стоимость линейных аварийно-восстановительных работ из-за необходимости использования специализированных судов и проведения трудоемких подводных работ на участках заглубления кабеля.
История практического применения подводных волоконно-оптических линий ведет отсчет с 1987 года. Одним из пионеров в реализации подводных ВОЛС была компания Deutsche Telecom, которая в рамках проекта «Боденское озеро» прокладывала подводные кабели, содержащие оптические световоды.
На рубеже 80-х–90-х годов началось широкомасштабное внедрение оптических решений в подводных кабельных магистралях.
Элементы конструкции, учитывающие особенности среды
Любые линейно-кабельные сооружения находятся под постоянным воздействием неблагоприятных факторов, специфических для конкретной окружающей среды. Чтобы обеспечивать длительную эксплуатацию, нужно учитывать и долговременное отрицательное влияние на оптические волокна. Какие же конструктивные решения применяются в подводных кабелях для защиты от влияния окружающей среды?
Главным негативным фактором окружающей среды является сама вода. Длительное нахождение в условиях высокой влажности неизбежно вызывает помутнение материала волокон (кварца) под действием ионов водорода.
Следовательно, происходит снижение прозрачности материала волокна, что отрицательно сказывается на параметрах передачи световодов.
Традиционно внешние защитные покровы кабелей изготавливаются из полиэтилена. Этот материал обладает микропористой структурой и сам не может обеспечить надежную защиту от проникновения влаги.
Таким образом, в волоконно-оптических кабелях, предназначенных для эксплуатации под водой, применяют специальные водоблокирующие материалы, препятствующие проникновению влаги под оболочку.
Кроме проникновения влаги, важным фактором является давление слоя воды. Кабели, рассчитанные на прокладку на большой глубине, содержат армирующие элементы, такие как профилированный сердечник или металлическая трубка, в которой располагаются оптические модули или оптические волокна.
При выборе материалов для конструкции подводных кабелей особое внимание уделяется элементам, непосредственно контактирующим с оптическими волокнами. Материалы, из которых изготавливаются эти элементы (например, трубка), должны обладать стабильностью характеристик при длительной эксплуатации, а также не взаимодействовать с оптическими волокнами, в том числе и при проникновении воды в кабель.
Также следует учитывать, что кабель под действием растягивающих усилий, испытываемых во время инсталляции и технической эксплуатации, может удлиняться. Материалы должны быть подобраны так, чтобы относительное удлинение кабеля в результате не превышало относительного удлинения оптических волокон. Таким образом, применение комбинации водоблокирующих и армирующих элементов обеспечивает не только целостность оптических элементов, но и стабильность их оптических характеристик под действием механических нагрузок.
Следует обратить внимание на волоконно-оптические кабели, предназначенные для прокладки в шельфовой зоне морей и океанов. Эти кабели должны быть особенно устойчивыми к трению частиц грунтов твердых пород, перемещающихся под воздействием течений, приливов и отливов. Внешний защитный покров таких кабелей может изготавливаться из высокопрочных арамидных нитей.
Рассмотрим подробнее детали конструкций, характерные для подводных оптических кабелей.
Бронепокров
Одним из основных внешних отличий кабелей, предназначенных для прокладки через водные преграды, является усиленный бронепокров. Наименее мощную защиту имеют кабели, предназначенные для прокладки по дну озер и несудоходных несплавных рек, а также неглубоких болот. Для этих условий достаточно гофрированной стальной брони.
Такие кабели можно отнести к многоцелевым, поскольку они применяются и для подземной прокладки, если это не противоречит техническим спецификациям на размещение кабеля.
Наиболее мощный бронепокров имеют волоконно-оптические кабели, используемые для прокладки в скальных грунтах шельфовой зоны. Их внешний защитный покров может изготавливаться из одного или более повивов стальных оцинкованных проволок, а при необходимости может быть усилен внешним повивом полипропиленовой пряжи.
Профилированный сердечник
Защитой волоконно-оптического кабеля от гидростатического давления может служить профилированный сердечник, в пазах которого расположены модули с оптическими волокнами. Чаще всего материалом для профилированных сердечников кабелей для глубоководной прокладки служит медь. Для кабелей, не предназначенных для прокладки на значительных глубинах, например, многоцелевых, сердечник может быть изготовлен из полиэтилена или полипропилена.
Водоблокирующие элементы
Водоблокирующие элементы препятствуют проникновению влаги внутрь кабеля и ее продольному распространению по кабелю при повреждениях. В качестве водоблокирующих элементов используются слой алюмополиэтилена или металлическая трубка, а также гидрофобные заполнители.
Алюмополиэтилен представляет собой алюминиевую ленту, соединенную с полиэтиленовой оболочкой методом адгезии. Такая композиция предотвращает попадание влаги под полиэтиленовую оболочку через микропоры. Ту же роль может играть сплошная металлическая трубка (чаще всего из стали, меди или алюминия), применяемая в кабелях, которые предназначены для прокладки на больших глубинах.
В качестве материала водоблокирующей трубки для защиты сердечника может быть выбран свинец. Но несмотря на химическую стойкость этого материала, активно применявшегося в кабельной промышленности, его применение ограничивает высокая стоимость свинца, большой вес, а также то, что его окислы являются ядовитыми.
Сталь, будучи механически прочной, — также довольно тяжелый материал. Она обладает еще рядом недостатков, и все-таки существуют конструкции, в которых трубки для защиты сердечника выполняются из стали.
Казалось бы, наиболее подходящим материалом является алюминий. Он довольно легок, прочен и способен должным образом противостоять растягивающим усилиям. Благодаря последнему обстоятельству относительное удлинение кабеля не превышает относительного удлинения оптических волокон. В то же время алюминий также не в полной мере удовлетворяет требованиям. Поверхность этого металла на воздухе покрыта устойчивой пленкой окисла, однако при соприкосновении алюминия с морской водой может происходить довольно активная реакция с вытеснением ионов водорода. А они, как уже упоминалось, оказывают нежелательное воздействие на волокна.
Защита оптических волокон обеспечивается благодаря выбору соответствующей конструкции кабеля
Медь несколько хуже по своим механическим свойствам, однако, в соответствии с рядом активности, она является менее активной, чем сталь и железо. К тому же медь — единственный материал из перечисленного списка, который не вытесняет ионы водорода из соединений (водных растворов солей). Реакция окисления меди протекает медленнее, поэтому, несмотря на недостатки, наиболее часто трубка, защищающая сердечник кабеля, выполняется из меди.
Гидрофобные заполнители
Гидрофобные заполнители предназначены для предотвращения продольного распространения воды по кабелю при ее попадании под оболочку. Различают межмодульный и внутримодульный заполнитель. Межмодульный служит для заполнения межмодульного пространства сердечников кабелей в конструкции со свободным буфером. Однако в последнее время все большее распространение приобретают конструкции кабеля с одним центральным буферным модулем, содержащим пучки оптических волокон.
Водоблокирующие элементы и гидрофобные заполнители препятствуют проникновению влаги к волокнам
Внутреннее пространство оптических модулей в конструкции со свободным буфером и общим свободным буфером содержит внутримодульный заполнитель. Состав этого заполнителя подобран таким образом, чтобы максимально исключить возможность диффузии в волокно молекул веществ, входящих в состав компаунда.
Оптические световоды
Оптические волокна могут содержать многослойное покрытие: первичное, буферное, вторичное. Первичное покрытие — акриловое — наносится в виде лака и служит для защиты оптического волокна.
Вторичной защитой служат армирующие элементы — оптические модули, пазы профилированного сердечника, а также совокупность оптических модулей и профилированного сердечника.
Для глубоководных магистралей весьма существенной характеристикой является длина регенерационных участков. Ее значение определяется параметрами лазеров, которые используются в системах передачи, а также свойствами среды передачи — волоконных световодов. Увеличение длины регенерационного участка достигается в специально разработанных оптических волокнах, таких как волокна, легированные ионами Er3+ (Erbium Dopped Fiber — EDF), а также Nd3+ (Neodim Dopped Fiber — NDF).
Что учитывается при конструировании
Существует целый ряд особенностей, отличающих кабели, предназначенные для прокладки под водой, от прочих волоконно-оптических телекоммуникационных кабелей. Эти особенности определяются защитой от неблагоприятного воздействия окружающей среды.
Различия в конструкции подводных волоконно-оптических кабелей определяются размером водоема, по которому проходит кабель, вариантом инсталляции, глубиной прокладки и предполагаемого растягивающего усилия как в процессе инсталляции, так и по ее завершении, а также химическим составом воды с учетом сезонных изменений и ряда других факторов.
Внешний покров может усиливаться повивом полипропиленовой пряжи
В частности, конструкция кабеля рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить практически нулевую плавучесть на заданной глубине. Это делается потому, что в случае погружения кабеля на дно механические перегрузки, обусловленные гидростатическим давлением толщи воды, окажутся выше предельно допустимых. В таких условиях кабель может постепенно разрушаться.
Внешний защитный покров подводных кабелей выполняется из одного или более повивов стальных оцинкованных проволок
При всплытии в приповерхностный слой реальной становится угроза повреждения судами.
Просчитывая плавучесть кабеля, следует принимать во внимание сезонные изменения физических свойств, в первую очередь плотности, а также химического состава воды, например, в период паводков. В это время морская вода вблизи устья рек частично опресняется. Кабель, спроектированный без учета этого фактора, в паводковый период может самопроизвольно подняться к поверхности.
Как строятся и ремонтируются линии
Кроме особого конструктивного исполнения подводных оптических кабелей, необходимо учитывать специфику их прокладки.
Кабели общего назначения могут прокладываться через несудоходные и несплавные реки, небольшие озера, а также через неглубокие болота. Способ прокладки определяется проектным решением. Чаще всего в таких водоемах кабели прокладываются с помощью прикрепленного к тросу кабелеукладчика.
В озерах, сплавных и судоходных реках рекомендуется укладывать кабель в заранее подготовленную траншею. По завершении прокладки траншея замывается.
Углубление кабеля в дно необходимо для предотвращения механических повреждений кабеля якорями судов. По завершении прокладки на берегу водоема устанавливаются специальные знаки, запрещающие использование якорей в пределах охранной зоны.
Технология строительства ВОЛС с проведением подводных земляных работ требует значительного увеличения затрат. Разработка грунта осуществляется драгами и земснарядами. После завершения работ трассу прокладки кабеля контролируют водолазы.
Впоследствии поиск трассы прокладки кабеля осуществляется с помощью трассопоискового оборудования. В Украине разработана и выпускается электромагнитная поисковая система ЭПС-П, позволяющая проводить локацию трассы и определять глубину залегания кабеля для подводных переходов глубиной до 10 м. Эта система дает возможность проводить измерения с плавсредств, а также со льда.
Для прокладки морских кабелей применяются специализированные суда.
Суда различаются размерами, водоизмещением и возможностью загрузки. В зависимости от функционального назначения они могут обладать достаточной автономностью, чтобы переплыть океан и осуществить инсталляцию требуемых участков подводных линий.
Силовая установка таких судов разрабатывается так, чтобы обеспечивалась плавность хода при невысокой скорости. Это гарантирует контроль натяжения и изгибов кабеля в процессе инсталляции.
Сращивание строительных длин кабеля в линию проводится при загрузке на судно. На судах также производится монтаж репитеров и ответвлений.
Для заглубления кабеля в морское дно используется специализированное оборудование, позволяющее производить подводные земляные работы. Такие приспособления различны по конструкции и принципу действия. Для разработки грунта применяется три типа механизмов: подводные цепные, роторные экскаваторы (для плотных отложений), а также системы, размывающие траншею мощным напором воды (для песчаных донных отложений). При давлении воды 100 кПа скорость прокладки может достигать 530 м/ч. Некоторые устройства позволяют проводить рытье траншей и манипуляции с кабелем на глубинах до 2 500 м.
Для аварийно-восстановительных работ на подводных ВОЛС используются такие же суда и подводные механизмы. Определение трассы прокладки кабельной линии и поиск поврежденной секции осуществляются приспособлениями, принцип действия которых аналогичен тем кабелеискателям, что используются при работах на суше. Притом под водой процедура поиска упрощается, так как кабели, прокладываемые в море, всегда содержат металлические элементы.
Существует два способа выполнения ремонтных работ в зависимости от глубины прокладки. При повреждении кабеля в зоне мелководья кабельная вставка не предусматривает установки дополнительного репитера. Как правило, секции ВОЛС в береговой зоне рассчитываются с запасом, чтобы обеспечить бюджет по затуханию после проведения ремонта.
Ремонтные работы на более глубоководных участках обычно выполняются путем вставки дополнительной секции, содержащей репитер. Таким образом, выполняются требования бюджета оптической мощности ВОЛС.
При локализации повреждения в пределах секции контроля она может быть заменена полностью без более детальной локализации. При этом значительно экономится время, но необходимы дополнительные затраты на резервное оборудование.
Некоторые особенности производства
Производственные мощности многих компаний, которые выпускают кабели для подводной прокладки, расположены вблизи морских портов. Это облегчает погрузку непосредственно на суда, использующиеся для транспортировки кабелей или их инсталляции.
Если подразделение (цех), производящее морские кабели, расположено вдали от места погрузки на суда, доставка осуществляется сухопутным транспортом.
Проблема, которую приходится решать при транспортировке глубоководных кабелей, заключается в следующем. Усилия производителей направлены на изготовление строительных длин кабеля большей протяженности — это позволяет максимально сократить количество мест сращивания в линии связи. Вместе с тем изготовление и манипуляции с отрезками глубоководного кабеля проблематичны, ведь погонная масса таких кабелей достаточно велика и может составлять 0,25-1,3 т/км для кабелей с одним повивом проволок и более 3,5 т/км для кабелей с двумя повивами. Вес обычной строительной длины такого кабеля (4 км) превышает 14 т.
Размещение оптических модулей в пазах профилированного сердечника обеспечивает защиту волокон от гидростатического давления
Деревянные барабаны, как правило, используемые для намотки волоконно-оптических кабелей, не рассчитаны на такие нагрузки и непригодны для транспортировки больших строительных длин кабелей со значительной удельной массой. К примеру, строительную длину кабеля выкладывают на спаренных железнодорожных платформах в форме восьмерки, благодаря чему соблюдаются условия транспортировки, и в частности выдерживается минимальный радиус изгиба кабеля.
Для организации речных переходов длина отрезков кабеля не столь значительна, поэтому такие кабели (чаще это кабели с одним повивом стальных проволок) поставляются на кабельных барабанах. На барабан наматывается меньшая длина (1-2 км). Основным условием при прокладке в большинстве случаев является расположение места сращивания строительных длин вне воды.
При изготовлении кабелей с броней из стальных оцинкованных проволок особое внимание уделяется бронепокрову. Проволоки должны быть намотаны с равномерным усилием. В кабелях, содержащих два повива проволок бронепокрова, повивы скручиваются в противоположные стороны. При разбалансировке усилий, с которыми осуществлялась намотка проволок, кабель может при укладке самопроизвольно сворачиваться в спираль, образуя петли.
Применение на территории Украины
В Украине подводные волоконно-оптические кабели представлены во всем многообразии — от многоцелевых до узкоспециализированных.
Так, подводные переходы магистральных ВОЛС через Днепр зачастую выполняются с помощью кабелей, бронированных двумя повивами стальных оцинкованных проволок.
На подводном участке магистральной ВОЛС «Днепр-Донбасс» в месте пересечения Днепра в 1997 году Укртелекомом был успешно проложен и эксплуатируется до сих пор кабель ОКЛКК производства «Одескабель». Сердечник кабеля имеет модульную конструкцию с волокнами в свободном буфере. Бронирование этого кабеля выполнено в виде двух повивов стальных оцинкованных проволок. Подобные кабели производства «Одескабель» применялись компанией UMC для строительства ВОЛС на территории Автономной Республики Крым.
При строительстве ВОЛС ITUR, проходящей по Черному морю, использовались морские кабели производства компании Alcatel. В соответствии с эксплуатационными условиями было отобрано шесть групп кабелей для различных вариантов прокладки. В свою очередь, использовалось две модификации каждого из типов кабелей, различающихся удельным сопротивлением. Эта характеристика определяет максимально допустимую глубину прокладки. Кабели с удельным сопротивлением 1,6 Ом/км могут быть проложены на глубине до 8000 м, а кабели с сопротивлением 1,0 Ом/км — до 7000 м.
Суда оснащаются специальными механизмами, обеспечивающими контроль натяжения и изгибов кабеля в процессе инсталляции
Сердечник кабеля содержит оптические волокна, помещенные в трубку из нержавеющей стали диаметром 2,3 мм, которая заполнена тиксотропным гелем. Над ней расположен двойной слой стальных проволок диаметром 1,4 мм и 1,0/1,3 мм, снаружи покрытых медью. Такая структура сердечника позволяет передавать информационные сигналы по оптическим волокнам, а металлические элементы использовать для организации дистанционного электропитания промежуточных регенераторов.
Перспективы роста
Дальнейшее совершенствование подводных оптических кабелей тесно связано с увеличением количества информации, передаваемой по оптическим магистралям. Это совершенствование будет происходить как за счет увеличения числа волокон, так и благодаря росту удельной информационной емкости волокон. Скоро появятся новые типы световодов, способные передавать оптические сигналы на большие расстояния без дополнительной промежуточной регенерации.
Широкое распространение получат ленточные волоконно-оптические элементы, которые позволяют размещать большое число волокон в сравнительно небольшом объеме.
Благодаря модернизации конструкций можно будет реализовать новые технические решения. Таким образом, эффективность использования средств связи возрастет.
Обеспечение сохранности подводных ВОЛС
Волоконно-оптические кабели прокладываются под водой для организации переходов как через небольшие водоемы, так и через водные преграды большой протяженности (крупные водохранилища, озера, моря, океаны). Трудно переоценить значение трансконтинентальных кабельных линий, проложенных через океаны. Поэтому особенно острой является проблема повреждения подводных телекоммуникационных кабелей, проложенных в районах активного судоходства и промышленного лова рыбы с использованием глубоководных тралов. Известны также случаи непреднамеренного повреждения подводных волоконно-оптических кабелей во время военных маневров.
Следовательно, необходимо проводить ряд организационно-эксплуатационных мероприятий, направленных на предупреждение повреждений в подводных кабелях. Особое место здесь отводится охранно-разъяснительной работе. Расположение прокладываемых подводных кабелей наносится на все лоции. Действует международная правовая система, предусматривающая высокие штрафные санкции за повреждение подводных кабелей.
Международные нормативные документы
Рекомендации ITU-T:
- G.971 General features of optical fibre submarine cable systems (Основные особенности волоконно-оптических подводных кабельных систем);
- G.972 Definition of terms relevant to optical fibre submarine cable systems (Определение условий относительно волоконно-оптических подводных кабельных систем);
- G.973 Characteristics of repeaterless optical fibre submarine cable systems (Характеристики безрепитерных волоконно-оптических подводных кабельных систем);
- G.974 Characteristics of regenerative optical fibre submarine cable systems (Характеристики регенераторных волоконно-оптических подводных кабельных систем);
- G.975 Forward error correction for submarine systems (Предварительная коррекция ошибок в подводных системах);
- G.976 Test methods applicable to optical fibre submarine cable systems (Методы тестирования, применяемые к волоконно-оптическим подводным кабельным системам);
- G.977 Characteristics of optically amplified optical fibre submarine cable systems (Характеристики волоконно-оптических подводных кабельных систем на основе оптических усилителей);
- L.28 External additional protection for marinized terrestrial cables (Внешняя дополнительная защита для морских береговых кабелей);
- L.29 As-laid report and mainte nance/repair log for marinized terrestrial cable installation (Отчет о ходе прокладки и технической эксплуатации/ремонте морских береговых кабелей);
- L.30 Markers on marinized terrestrial cables (Маркеры на морских береговых кабелях);
- L.54 Splice closures for mari-nized terrestrial cables (МТС) (Кабельные муфты для морских береговых кабелей);
- L.61 Optical fibre cable installation by floatingtechnique (Инсталляция волоконно-оптических кабелей с применением плавсредств).
Стандарты IEC:
- IEC 60793-3-30 Cables for lakes, river crossing and coastal applications (Кабели для речных переходов через озера, реки и береговые кабели);
- IEC 60794-1 Outdoor cables (Кабели для наружной прокладки);
- IEC 60794-1-1 Optical fibre cables — Part 1: Generic specification -General (Волоконно-оптические кабели. Часть 1: Общие технические условия. Основные положения);
- IEC 60794-1-2 Optical fibre cables — Part 1-2: Generic specification — Basic optical cable test procedures (Волоконно-оптические кабели. Часть 1-2: Общие технические условия. Основные методы испытаний оптических кабелей).
Авторы: В.Каток, А. Ковтун, И.Руденко, журнал «Сети и телекоммуникации»
Источник
