Схема организации волоконно-оптической линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

						ФАЭС.11.03.02.043 ПЗ
Изм	Кол	Лист	№ док.	Подп.	Дата
Разрабю	Назыров Р. Р.			Проект ВОЛП на участке г. Уфа - г. Октябрьский	Лит.	Лист	Листов
Провер	Семендилова Л.В.					2
Реценз					СибГУТИ
Н. Контр
Утверд	Шувалов В.П. ВВ.П.В.П.

Содержание

• Введение
• 1. Выбор и обоснование проектных решений
• 1.1 Характеристика региона проектирования
• 1.2 Анализ существующей сети связи
• 2. Выбор трассы ВОЛП
• 3. Расчёт нагрузки коммутатора
• 4. Выбор оборудования
• 5. Выбор оптического кабеля
• 6. Расчёт параметров сети
• 6.1 Расчёт участка регенерации
• 6.2 Схема организации связи
• 7. Расчёт параметров кабеля
• 7.1 Определение внешнего диаметра кабеля
• 7.2 Нагрузки на опоры
• 7.3 Расчёт напряжений в грозозащитном тросе существующей линии
• 7.4 Определение нагрузки на кабель
• 7.5 Стрела провеса кабеля
• 7.6 Термическая стойкость ОКГТ
• 8. Строительство и монтаж проектируемой ВОЛП
• 8.1 Обследование ВЛ трассы ВОЛП
• 8.2 Арматура для подвески ОКГТ
• 8.3 Монтаж ОКГТ на опорах ВЛ
• 9. Расчет параметров надежности ВОЛП
• 10. Технико-экономическое обоснование
• 10.1 Расчёт затрат
• 10.2 Выбор метода организации строительно-монтажных работ
• 10.3 Организация работ и расчет трудозатрат
• 10.4 Построение сетевого графика и расчет его параметров
• 10.5 Построение календарного план-графика производства работ на объекте
• 10.6 Расчет технико-экономических показателей
• Заключение
• Библиография
• волоконный оптический кабель сеть

Введение

В настоящее время во всем мире средства телекоммуникации переживают период широчайшего внедрения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в практику. Стремительный процесс информатизации общества явился главной причиной широкого использования волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) на информационных сетях различного назначения.

В современном мире ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) являются венами и артериями информационного обмена. Самые большие и самые скоростные потоки информации проходят именно через волоконно-оптические линии связи.

ВОЛС объединяют города, страны и континенты. Разработано множество типов волоконно-оптических кабелей, а также способов их прокладки, от воздушных линий связи до прокладки по морскому дну под огромными толщами воды и гигантском давлении на кабель ВОЛС.

Магистраль крупной локальной сети "Башинформсвязь" - это очень ответственный участок, во многом определяющий все свойства сети в целом. Сеть построена на сопряжении различных типов автоматических телефонных станций, магистрального оптического оборудования и оборудования радиосвязи для обеспечения оперативной связи и передачи телеметрии.

Компания ОАО "Башинформсвязь" предоставляет услуги связи на всей территории Республики Башкортостан. Обладает собственными оптическими линиями связи до всех районных центров и городов Республики. Уровень покрытия телекоммуникационными услугами достигает 90% населенных пунктов с населением более 100 домохозяйств и обеспечивает доступ к телекоммуникационным услугам более 95% населения региона.

Население Республики представлено в большей степени городским населением 64%, доля населения в сельской местности - 36%.

Компания предоставляет следующие услуги:

1) Традиционная телефонная связь;

2) Услуги передачи данных по технологиям xDSL, MetroEthernet, GPON и Peer To Peer;

3) Услуги платного телевидения - IPTV и цифровое кабельное телевидение;

4) Услуги местной телефонной связи по протоколам SIP.

Прирост абонентской базы ОАО "Башинформсвязь" обусловлен ростом проникновения в небольших городах, районных центрах и прочих населенных пунктах Республики Башкортостан.

Целью бакалаврской работы является организация участка магистральной ВОЛП между городами Уфа и Октябрьский.

1. Выбор и обоснование проектных решений

1.1 Характеристика региона проектирования

Республика Башкортостан входит в Приволжский Федеральный округ, и в географическом отношении имеет весьма выгодное положение со многих точек зрения, в том числе и с экономической, положение в составе Российской Федерации. На западе Башкортостан граничит с Республикой Татарстан и Удмуртской Республикой, на севере - с Пермской и Свердловской областями, на востоке - с Челябинской областью, на юге и юго-западе - с Оренбургской областью. Площадь территории республики 143.6 тысяч квадратных километров, причем протяженность территории с севера на юг составляет 550 км, с запада на восток - 450 км. Общая протяженность границ - около 2500 км. Республика охватывает в своих границах несколько заметно отличающихся друг от друга географических и геологических зон.

Через Республику Башкортостан проходят такие важные транзитные железнодорожные пути, как Транссибирская магистраль Самара - Уфа - Челябинск - Владивосток. От нее, западнее г. Уфы, ответвляется широтная магистраль Чишмы - Октябрьский - Ульяновск. В середине 70-х годов XX века через хребты Уральских гор была построена железная дорога Чишмы - Белорецк - Магнитогорск, которая далее на востоке соединилась с Южно-Сибирской магистралью.

В целом Башкортостан является крупным в России центром сосредоточения трубопроводных магистралей, которые расходятся отсюда в сторону Сибири, Казахстана, Поволжья и Прикамья.

В Башкортостане климат континентальный. Среднее значение температуры: плюс 0.3°С в горах и плюс 2.8°С на равнине. Средняя температура января: минус 18°С, июля: плюс 18°С.

Число солнечных дней в году колеблется от 287 в Аксёнове и Белорецке до 261 в Уфе (наименьшее число дней приходится на декабрь и январь, наибольшее - на летние месяцы).

Средний абсолютный минимум температуры воздуха составляет минус 41°С, абсолютный максимум: плюс 38°С. Устойчивый переход температуры воздуха через 0° происходит 4-9 апреля весной и 24-29 октября осенью, в горных районах соответственно 10-11 апреля и 17-21 октября. Число дней с положительной температурой воздуха 200-205, в горах 188-193. Средняя дата последнего заморозка 21-30 мая, самая поздняя 6-9 июня, а в северных и горных районах 25-30 июня. Средняя дата первого заморозка 10-19 сентября, самая ранняя 10-18 августа.

По территории Башкортостана среднее количество осадков в год выпадает 300 ч 600 мм, наблюдается резкая дифференциация осадков, и их количество зависит в основном от характерной атмосферной циркуляции. Сильное влияние оказывают Уральские горы. Максимальное количество осадков наблюдается у склонов гор. Общая сумма осадков в год может достигать 650...750 мм, а на восточных склонах редко не превышает 400 ч 500 мм, в западной и равнинной части республики составляет 400 ч 500 мм. 60-70 % осадков выпадает с апреля по октябрь. В летний период наблюдается максимум суточного количества осадков (78 ч 86 мм).

Город Октябрьский находится на юго-западе, в 180 км от Уфы. Его площадь составляет 100 км.

Расположен в Приуральской зоне (Бугульминско-Белебеевская возвышенность), на правом берегу реки Ик, являющейся одновременно границей с Республикой Татарстан. Находится вблизи федеральной трассы М5 "Урал". Расстояние до Москвы 1245 км, до ближайшей железнодорожной пассажирской станций Уруссу (Татарстан) около 15 км, станции Октябрьск (Башкортостан) 25 км.

Среднегодовая температура воздуха, °C +4.3

Относительная влажность воздуха, % .2

Средняя скорость ветра, м/с .6

1.2 Анализ существующей сети связи

С учетом современных тенденций развития электросвязи, возникает необходимость замены аналоговых систем передачи на внутризоновых линиях связи на цифровые с использованием оптических кабелей. На сети Республики Башкортостан эксплуатируется 1392 телефонных станций, в том числе 1296 в сельской местности. Монтированная емкость сети составляет 1224 тысяч номеров. Плотность телефонов на 100 жителей в РБ составляет 24.7%. Абоненты переведены на повременную систему оплаты.

Ко всем городам, районным центрам и крупным населенным пунктам проложены волоконно-оптические линии связи с резервированием по кольцевой топологии.

В настоящее время в "Башинформсвязь" производится перевод магистрального оборудования на единый вендор Cisco. Так как существующая сеть не позволяет обеспечить полное сопряжение, гибкость и пропускную способность, что является явно не достаточной для динамично развивающегося нефтегазоносного региона, каким является РБ.

Основой всех зоновых сетей связи является зоновая волоконно-оптическая сеть. Узлами зоновой сети являются точки присутствия в районных центрах РБ. Все узлы имеют резервирование по ВОЛС. На зональных ВОЛС развернута сеть DWDM, которая служит основой для республиканских транспортных сетей.

Зональными сетями связи являются транспортные сети SDH и IP/MPLS. Обе сети имеют точки присутствия во всех районах РБ. Сеть SDH имеет основные каналы уровня STM-16. Сеть IP/MPLS имеет основные каналы уровня 10 GE.

Зоновая сеть телефонной связи представлена транзитным зоновым узлом связи в Уфе. Точки присоединения внутризоновой телефонной сети ОАО "Башинформсвязь", в которых оказывается услуга присоединения, расположены в каждом муниципальном образовании Республики Башкортостан, на территории которого функционирует сеть ОАО "Башинформсвязь".

В ОАО "Башинформсвязь" услуги связи для целей кабельного вещания предоставляются по сети IP/MPLS (технология IP/TV) и гибридной оптико-коаксиальной сети (КТВ/HFC) кабельного телевидения. Головные станция и узел ввода расположены в Уфе.

Для оказания услуг связи с целью эфирного вещания применяются различные типы средств связи: приёмные спутниковые станции, радиорелейные и оптико-волоконные линии связи, телевизионные передатчики и радиовещательные передатчики, которые осуществляют прием, доставку и трансляцию телерадиопрограмм.

Основной прирост абонентской базы отмечен в сельской местности. 1121 АТС подключены по волоконно-оптическим линиям связи, в течение полутора лет все АТС будут переведены на ВОЛС.

На Октябрьской МУЭС проводится реорганизация устаревших АТСК на М-200, на данный момент введены в эксплуатацию 13 ЭАТС, а также произведена замена аналогового оборудования уплотнения на цифровое - в количестве 68 комплектов. Это позволило увеличить количество абонентов сельской связи на 2686 единиц.

Кроме существующей сети доступа для физических лиц, необходимо обеспечить и потребности корпоративного сектора. Современному, динамично развивающемуся бизнесу необходимо осуществлять полный контроль всех бизнес-процессов и сегодня для этого недостаточно обычного набора базовых услуг и приложений, которые могут предоставлять существующие аналоговые системы связи, что является явно не достаточным для динамично развивающегося нефтегазоносного региона, каким является республика Башкортостан. Учитывая высокий уровень дохода населения, достаточную его платежеспособность и, вследствие этого, высокий спрос на современные услуги связи: доступ в интернет на высокой скорости, IP-телефонии, услуги мобильной связи, цифрового телевидения, видеоконференции и мультимедиа услуги, которые просто невозможно предоставлять без достаточно большой и гарантированной пропускной способности, что требует необходимость внедрение новых систем связи. В настоящее время по существующей линии связи никаких услуг за исключением традиционной междугородней связи предоставлено быть не может.

Стратегическим решением специалистов было соединение населенных пунктов на основе оборудования Ethernet, а физической средой для передачи информации использовать ВОК, который прокладывается на территории республики на опорах ЛЭП.

2. Выбор трассы ВОЛП

На рисунке 2.1 представлена предполагаемая трасса ВОЛП. Подвес оптического кабеля предполагается проводить по опорам ЛЭП 220 кВ. Проектируемая протяженность трассы составляет 215 км. В промежуточных пунктах предполагается организовывать узлы доступа в узлах доступа "Башинформсвязь".

В настоящее время перспективно применение ВОЛС, подвешиваемых на опорах воздушных линий электропередачи высокого напряжения (ВОЛС-ВЛ). ВОЛС-ВЛ обладают рядом конкурентных преимуществ по сравнению с традиционными способами строительства оптических кабельных линий связи: отсутствие необходимости отвода земли и согласования права на проход, уменьшение сроков введения линий в эксплуатацию, снижение капитальных и эксплуатационных затрат.

3. Расчёт нагрузки коммутатора

Описание и анализ мультимедийного трафика в современных телекоммуникационных сетях является сложной и трудной задачей. Основными причинами этих трудностей являются:

1) Широкий диапазон скоростей передачи - от нескольких килобит в секунду, как в случае передачи телефонного трафика, до сотен мегабит в секунду, при передаче видеопотоков;

2) Разнообразные статистические свойства передаваемых мультимедийных информационных потоков (трафик реального времени налагает жесткие требовании к ресурсам сети);

3) Большое разнообразие сетевых конфигураций, множество технологий и протоколов передачи (Gigabit Ethernet, ATM, MPLS и др.);

4) Многоуровневая обработка передаваемых сообщений, вследствие чего качество обслуживания оказывается зависящим от нескольких уровней обработки.

В общем случае мультимедийный трафик некоторой услуги представляется в виде случайного процесса. Пусть мгновенное значение трафика - есть число блоков информации, которые генерирует соответствующий сервис в единицу времени.

Для параметризации мультимедийного трафика, как правило, используется ряд характеристик, которые определены рекомендациями ITU-T. Эти характеристики описывают интегральные параметры случайного процесса B(t) (рисунок 3.1).



Рисунок 3.1 - Параметры случайного процесса

К характеристикам трафика, который генерируется различными мультимедийными услугами, относятся следующие:

1) значения трафика (мгновенное, максимальное, пиковое, среднее и минимальное), бит/с;

2) коэффициент пачечности трафика (пульсация);

3) средняя длительность пикового трафика;

4) средняя длительность сеанса связи;

5) форматы элементов трафика;

6) максимальный, средний, минимальный размеры пакета;

7) интенсивность трафика запросов.

Для расчета нагрузки нужны дополнительные сведения: количество абонентов, количество абонентов на каждый вид услуги.

Количество абонентов

Число каналов, связывающих заданные оконечные пункты, в основном зависит от численности населения.

Численность населения в любом областном центре и в области может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения в РФ. Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения:

, (3.1)

где H₀ - народонаселение в период переписи населения;

p - средний годовой прирост населения, принимается 2 ч 3 %;

t_m- год составления проекта;

t₀ - год, к которому относятся данные переписи.

Вычисляем среднюю битовую скорость передачи данных каждого вида услуг с учетом пачечности:

, (3.5)

где N(n) - количество абонентов;

p(n) - вероятность распределения;

B_макс(n) - скорость передачи данных.

Вычисляем дисперсию битовой скорости каждого вида услуг:

, (3.6)

Вычисляем результирующую среднюю скорость в цифровом тракте для всех видов услуг:

Вычисляем результирующую дисперсию битовой скорости для всех видов услуг:

Вычисляем максимально допустимую скорость передачи в тракте при вероятности потери пакета 0.001:

Вычисляем производительность для узлов с коммутаторами Ethernet при полезной ёмкости кадра 12144 бит (Максимальная длина кадра): (3.8)

По результатам произведенных расчетов необходимо выбрать коммутатор с пропускной способностью не ниже 167.4 Гбит/с и производительностью 13.783 млн. пакетов в секунду.

4. Выбор оборудования

При выборе сетевого оборудования надо учитывать множество факторов, в частности:

1) Уровень стандартизации оборудования и его совместимость с наиболее распространенными программными средствами;

2) Скорость передачи информации и возможность ее дальнейшего увеличения;

3) Возможные топологии сети и их комбинации;

4) Разрешенные типы кабеля сети, максимальную его длину, защищенность от помех;

5) Стоимость и технические характеристики конкретных аппаратных средств (сетевых адаптеров, трансиверов, репитеров, концентраторов, коммутаторов).

Необходимым условием является полная совместимость всех компонентов, оборудования для полного соответствия друг другу.

Согласно данным дирекции развития сети доступа ОАО "Башинформсвязь" при новом строительстве, расширении, реорганизации и эксплуатации на местных сетях связи рекомендуется выбирать оборудование из утверждённого каталога компании.

Для выбора вендора производителя оборудования компанией объявляется конкурс на заключение контракта поставки оборудования. Конкурсная документация с техническими требованиями к оборудованию и общими условиями конкурса размещается на специальных площадках - аукционах.

Таким образом, выбор оборудования осуществляется не только техническим подбором, но и ценовым фактором. Условия конкурса включают содержание всех главных и второстепенных параметров, которым должно соответствовать поставляемое оборудование.

Для обеспечения технических требований необходимо привезти анализ основных технических параметров оборудования различных ведущих производителей.

В данном проекте мы будем учитывать политику компании о внедрении и консолидации единого вендора Cisco, так как существующая сеть не позволяет обеспечить полное сопряжение, гибкость и пропускную способность, что является явно не достаточной для динамично развивающегося нефтегазоносного региона, каким является республика Башкортостан.

Маршрутизаторы серии Cisco 12000, работая на гигабитных скоростях, являются первыми продуктами в классе гигабитных коммутирующих маршрутизаторов. Устройства Cisco 12000 GSR отвечают требованиям экспоненциального роста по пропускной способности опорной сети Интернет и предоставляют масштабируемые высокоскоростные услуги для сетей TCP/IP (рисунок 4.1).

В первую очередь маршрутизаторы Cisco 12000 GSR предназначены для построения высокопроизводительных магистралей, способных обеспечивать в сетях гарантию качества услуг, где для подключения клиентов используются современные высокоскоростные технологии, такие как xDSL и передача данных по сетям кабельного телевидения. Маршрутизаторы Cisco 12000 GSR часто используется в качестве магистральных маршрутизаторов в сетях интернет. Поддерживаемые интерфейсы включают в себя порты OC-12 (622 Мбит/с) и OC-48 (2.4 Гбит/с). Устройства серии Cisco 12000 внедрены во многие опорные сети Интернет. Характеристики коммутаторов Cisco приведены в таблице 4.1.



Рисунок 4.1 - Cisco 12000 GSR

В данном проекте будут использоваться коммутаторы Cisco 12416 GSR по причине высокой пропускной способности, а также отвечают требованиям для будущего масштабирования сети и внедрения новых услуг связи. Кроме того, гибкое управление сетевым оборудованием позволяет достаточно просто производить коммутацию оптических каналов.

5. Выбор оптического кабеля

Для строительства проектируемой линии предполагается использовать существующие ВЛ 220 кВ. Исходя из опыта строительства ВОЛС-ВЛ в зарубежных странах и в России, можно выделить шесть способов подвески ОК на опорах ВЛ:

1) Optical Ground Wire (OPGW) - волоконно-оптические кабели (ВОК), встроенные в грозозащитные тросы (ОКГТ); используются при организации магистральных ВОЛС на ВЛ 220 кВ и выше, как правило, при сооружении новых ВЛ или при их реконструкции. Наиболее распространенным способом строительства ВОЛС-ВЛ является способ замены существующего грозозащитного троса на новый грозотрос со встроенным в него оптическим кабелем. При выборе данной технологии строительства особое внимание необходимо уделять токам короткого замыкания (КЗ), поскольку оптическое волокно не терпит высоких температур, до которых разогревает КЗ трос. Поэтому ОКГТ, как правило, толще стандартного грозотроса не только из-за модулей с оптическим волокном, но и из-за необходимости применения алюминиевых сплавов с высокой удельной проводимостью для снижения токов КЗ. Увеличение диаметра ОКГТ приводит к увеличению гололедных и ветровых нагрузок, что в свою очередь требует перерасчета прочности тросостоек. Однако ОКГТ является наиболее предпочтительной технологией при замене троса или строительстве новых линий, а также наиболее долговечен. К другим преимуществам ОКГТ можно отнести: высокую надежность; отсутствие ограничений по напряжению ВЛ; возможность монтажа при низких температурах. К недостаткам ОКГТ относят следующие: высокая стоимость; невозможность монтажа под напряжением, в связи с чем при монтаже ОКГТ требуется отключение не только той ВЛ, на которую подвешивается ОКГТ, но и всех пересекаемых ВЛ, расположенных ниже.

2) Optical Phase Conductor (OPPC) - ВОК, встроенные в фазные провода (ОКФП); используются также для организации магистральных ВОЛС на ВЛ 220 кВ и выше, но в значительно меньших объемах, чем ОКГТ. Данному типу кабелей свойственны все преимущества и недостатки ОКГТ.

3) All Dielectric Self-Supporting (ADSS) - самонесущие неметаллические ВОК (ОКСН); используются для организации внутрисистемных ВОЛС на ВЛ 35-220 кВ, как правило, на существующих ВЛ или ВЛ, на которых отсутствуют грозозащитные тросы. Оптический самонесущий кабель - это единственный доступный отечественный кабель для ВОЛС-ВЛ. Дело в том, что данный тип кабеля принципиально схож с кабелями для подвески по опорам контактной сети железных дорог и воздушным линиям связи. Существенное отличие состоит, во-первых, в длине пролетов и, во-вторых, в наведенном потенциале на оболочке ОКСН. В первом случае важна подклейка несущих арамидных нитей к внутренней и внешней полиэтиленовым оболочкам кабеля. Во втором случае ограничивается применение ОКСН на ВЛ напряжением 110 кВ, а выше только с использованием специальных трекингостойких компаундов во внешней оболочке. Среди преимуществ ОКСН необходимо отметить: возможность разделить собственность (опоры и кабель могут принадлежать разным организациям); ОКСН не может быть поврежден молнией или токами короткого замыкания; стоимость подвески ОКСН на 30 ч 40% ниже стоимости монтажа ОКГТ. Среди недостатков важны следующие: существенное увеличение нагрузки на опоры; более низкая надежность по сравнению с ОКГТ.

4) Metal Armoured Self-Supporting (MASS) - самонесущие армированные металлом ВОК; используются для организации как магистральных, так и внутрисистемных ВОЛС.

5) Wrapped All Dielectric Cables - ВОК, навиваемые на фазные провода или грозозащитные тросы; используются для организации внутрисистемных ВОЛС на ВЛ 35 ч 220 кВ.

6) Prefort Attached - неметаллические ВОК, прикрепляемые к грозозащитным тросам; используются для организации внутрисистемных ВОЛС на ВЛ 110-220 кВ.

В настоящее время применяются несколько основных видов оптических кабелей для воздушных линий: оптический кабель в грозозащитном тросе (ОКГТ), оптический кабель в фазном проводе (ОКФП), полностью диэлектрический оптический самонесущий кабель (ОКСН) и оптический навивной кабель (ОКН).

С позиции технических требований, предъявляемых к магистральным и внутризоновым линиям передачи ЕСЭ РФ, сегодня наилучшими потребительскими свойствами обладают оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос. Можно отметить следующие преимущества ОКГТ:

1) Высокая надежность (обрывы ОКГТ не превышают 0,05 ч 0,1 случая на 100 км в год [8]);

2) Защищенность оптических волокон от внешних электромагнитных влияний, так как ОКГТ экранирован одним или двумя слоями проволок;

3) Большой срок службы (до 25 лет);

4) Использование ОКГТ для создания ВОЛС на ВЛ 110-500кВ.

ОКГТ находят применение при строительстве магистральных, межзоновых и международных ВОЛС и транспортных сетей различного масштаба. Доля ОКГТ составляет около 80% всех ВОЛС-ВЛ на вновь строящихся линиях и свыше 40% на реконструируемых.

В проекте предусмотрен монтаж оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, марки ОКГТ-МТ-16-10/125-0,36/0,22-13,1-81/72, производимый ЗАО "Самарская оптическая кабельная компания", монтаж выполняется по существующим опорам действующей ВЛ 110 ч 500 кВ.

Согласно анализа ряда заводов, производящих оптоволоконный кабель, оптимальным является ЗАО "Самарская оптическая кабельная компания", так как в 2004 году ЗАО "СОКК" начало использовать при производстве кабелей оптические волокна марки Corning NexCor. Это волокно является модификацией стандартного оптического волокна марки Corning SMF-28e и значительно расширяет функциональные возможности использования одномодовых волокон. За счет увеличения в два раза мощности вводимого сигнала волокно Corning NexCor позволяет решать ключевые технические проблемы при построении абонентских сетей, с использованием технологий, специально спроектированных для расширения сетевого покрытия при передачи голосового трафика, видео и передачи данных абонентам.

Основные параметры кабеля ОКГТ - МТ приведены в таблице 5.1, а эскиз кабеля - на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Конструкция оптического кабеля ОКГТ - МТ

6. Расчёт параметров сети

6.1 Расчёт участка регенерации

Расчет длины РУ является важным разделом проектирования. Для обеспечения лучшего качества передачи информации и экономии затрат предпочтительнее, чтобы длина РУ была максимальной.

Определение длины регенерационного участка ВОЛП производится на основе качества связи и пропускной способности линии, паспортных значений оптического интерфейса и волокон кабеля [15].

Длина регенерационного участка волоконно-оптических линий передачи определяется передаточными параметрами кабеля: коэффициентом затухания, дисперсией.

Затухание кабеля приводит к уменьшению передаваемой мощности, соответственно лимитирует длину регенерационного участка. Дисперсия приводит к уширению передаваемых импульсов, и чем длиннее линия, тем больше вносимые искажения импульсов, что, в свою очередь, ограничивает длину регенерационного участка.

При проектировании высокоскоростных ВОЛП должны рассчитываться отдельно длина участка регенерации по затуханию L_б и длина участка регенерации по дисперсии L_в.

В общем случае необходимо рассчитать три величины длины участка регенерации по затуханию, так как причины, ограничивающие предельные значения независимы:

Для оценки величин длин участка регенерации по затуханию используются выражения, согласно рекомендации G.957[16]:

, (6.1)

(6.2)

В заключение расчёта необходимо произвести проверку полученной длины регенерационного участка по допустимой дисперсии. Проверка учитывает влияние только лишь хроматической дисперсии. Итак, допустимую длину участка регенерации по дисперсии определяем из соотношения:

, (6.3)

где P_S.max и P_S.min - максимальное и минимальное выходной мощности оптического интерфейса, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более 10^?10;

P_R.max и P_R.min - максимальная и минимальная входная мощность фотоприемника;

б_ОК - километрическое затухание выбранного ОК, б_{ОК.1550нм} = 0,22 дБ/км;

б_НС - среднее значение затухания мощности сигнала на сварном соединении, б_НС = 0,08 дБ;

б_ЭН - среднее значение энергетического запаса на повреждение кабеля, согласно рекомендации G.957, б_ЭН = 0,05 дБ;

L_стр - среднее значение строительной длины на участке регенерации (значение для кабеля ОКГТ), L_стр = 4 км;

б_РС - затухание мощности оптического излучения разъемного оптического соединителя, б_РС = 0,3 дБ;

N_РС - число разъемных оптических соединителей на участке регенерации N_РС = 4;

D_max - максимально допустимая дисперсия в тракте (задается оптическим интерфейсом), пс/нм; D - коэффициент дисперсии оптического волокна, D = 18 пс/(нм•км);

Дл - длина спектральной линии, Дл = 0.8 нм.

SFP модули существуют в вариантах с различными комбинациями приёмника (RX) и передатчика (TX), что позволяет выбрать необходимую комбинацию для заданного соединения, исходя из используемого типа оптоволоконного кабеля: многомод (MM) или одномод (SM).

Разновидности SFP-модулей и их обозначения:

а) 850 нм 550 м MMF - SX

б) 1310 нм 10 км SMF - LX

в) 1550 нм (40 км - XD, 80 км - ZX, 120 км - EX или EZX) и DWDM.

г) 1310/1550 нм 10 км SMF - BX

Существует также CWDM и одноволоконные двунаправленные (1310/1550 нм UpStream/DownStream) SFP-модули.

Применим в качестве оптического модуля одноволоконный интерфейс XFP-10GZR-OC192LR.

Рисунок 6.1 - Внешний вид модуля XFP-10GZR-OC192LR

Характеристики модуля

Рабочая длина волны, нм0

Тип волокна SMF

Максимальный уровень излучения, дБм +4

Минимальный уровень излучения, дБм

Уровень перегрузки, дБм ?7

Чувствительность приемника, дБм ?24

Максимальная величина дисперсии, пс0

Ширина спектральной линии, нм .8

Уровни чувствительности и перегрузки приемника определяются, соответственно, как минимальное и максимальное значения уровня мощности оптического излучения на входе приемника, при которых обеспечивается коэффициент ошибок не более 10^?10 к концу срока службы аппаратуры ВОЛП.

Учитывая, что при расчете максимального значения длины регенерации по затуханию берется минимальное значение вводимой мощности, то системный запас в расчет браться не будет.

Максимальное значение перекрываемого затухания (A_макс) определяется как разность между уровнем мощности оптического излучения на передаче и уровнем чувствительности приемника. Минимальное значение перекрываемого затухания (A_мин) определяется как разность между уровнем мощности оптического излучения на передаче и уровнем перегрузки приемника [16]:

, (6.4)

. (6.5)

Используя паспортные данные XFP-модуля, получим следующие показатели: P_S.max= 4 дБм; P_R.max= ?7 дБм; P_S.min= 0 дБм; P_R.min= ?24 дБм.

дБ

дБ

Расчет длин участков регенерации:

км;

км;

км.

Интерфейс XFP-10GZR-OC192LR с рассчитанной выше длиной регенерационного участка, может быть применен на расстояниях в пределах:

41 км ? L_РУ ? 79 км.

6.2 Схема организации связи

При построении транспортных сетей разных уровней (местных, зоновых, магистральных) сохраняется единообразие в способах транспортировки информации, методах управления сетями и организации синхронизации. Различия в сетях разного уровня состоят лишь в иерархии используемых скоростей, архитектуре сетей, мощности узлов кросс-коммутации. Связь организована по схеме "точка-точка".

7. Расчёт параметров кабеля

7.1 Определение внешнего диаметра кабеля

Согласно требований "Правил устройств электроустановок" (ПУЭ) [4], в качестве грозозащитных тросов следует использовать стальные канаты сечением не менее 35 мм² из проволок с пределом прочности не менее 120 даН/мм² (1 даН/мм² = 1 кг/мм²). На особо ответственных переходах и в зонах химического воздействия, а также при использовании грозозащитного троса для высокочастотной связи и в случаях, когда это необходимо по условиям термической стойкости, в качестве грозозащитного троса применяют сталеалюминевые провода общего применения или специальные. Для исключения увеличения нагрузок на опоры при замене существующих грозозащитных тросов на оптический кабель, встроенный в грозотрос, необходимо, чтобы диаметр ОКГТ не превышал диаметра существующего грозотроса. На участке Уфа - Октябрьский трасса ВОЛП ВЛ будет проходить по ВЛ напряжением 220 кВ. На ВЛ 220 кВ данного участка в качестве грозотроса применён сталеалюминевый провод марки АС 95/16 (сечение алюминия - 95.4 мм², сечение стали - 15.9 мм²) диаметром 13.5 мм. Применение данного типа провода обусловлено организацией по грозотросу на данном участке каналов высокочастотной технологической связи. Таким образом, при выборе марки кабеля ОКГТ следует учитывать максимально допустимый диаметр кабеля, который ограничен значением 13.5 мм.

7.2 Нагрузки на опоры

Нагрузкой называется сила, воздействующая на инженерные сооружения, опоры и на их основания. Собственный вес является элементарным видом нагрузки. Также возникают под действием ветра, они могут быть определены по метеорологическим данным за определённый период времени. Нагрузки, принимаемые в расчётах опор и их оснований, определяются в соответствии с действующими нормативными положениями (СНиП и ПУЭ).

В настоящее время расчёт опор и их оснований производится по методу предельных состояний. В расчётах по данному методу различают три вида предельных состояния:

1) Первое предельное состояние - по несущей способности. При достижении первого предельного состояния конструкция перестаёт удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям или теряет способность сопротивляться внешним воздействиям в возможно неблагоприятных условиях. По первому предельному состоянию рассчитывают все опоры, фундаменты и их основания.

2) Второе предельное состояние - по деформации и перемещениям. Характеризуется предельно допустимыми при эксплуатации деформациями и перемещениями при воздействии внешних нагрузок в возможно неблагоприятных сочетаниях. По второму предельному состоянию рассчитывают основания опор всех видов.

3) Третье предельное состояние - по трещиностойкости, то есть образованию или ширине раскрытия трещин. По предельному состоянию рассчитывают только железобетонные опоры.

Нагрузки подразделяются по направлениям действия на горизонтальные и вертикальные. Размеры элементов опор и фундаментов линий электропередачи определяются по основным нагрузкам. Ими являются горизонтальные нагрузки, которые возникают под воздействием ураганного ветра, при сочетаниях ветра с гололёдом, а также нагрузки, возникновение которых происходит при обрыве тросов и проводов. Опоры линий электропередач сильно отличаются от ряда других сооружений, на размеры которых влияют в основном постоянные нагрузки от веса самой опоры и полезными технологическими нагрузками, восприятие которых составляет целевое назначение сооружений.

В расчётах учитываются нагрузки следующих видов:

1) Горизонтальные: а) ветровая нагрузка на конструкцию опоры; б) ветровая нагрузка на провода и тросы; в) нагрузки от тяжения проводов и тросов.

2) Вертикальные: а) собственный вес опоры; б) вес гирлянд изоляторов (с арматурой); в) вес проводов и тросов; г) монтажные нагрузки (вес монтёра с монтажными приспособлениями).

Линии электропередачи на участке Уфа - Октябрьский спроектированы и построены по нормам, применяемым ко второму району по гололёдности и к третьему - по ветровым нагрузкам. Основная задача при выборе конструкции грозозащитного троса с встроенным волоконно-оптическим кабелем состоит в том, чтобы после замены существующего грозотроса на ОКГТ ветровые и гололёдные нагрузки не превышали расчётных значений для всех опор, применяемых на данной линии, и обеспечивались условия грозозащиты линии электропередачи.

7.3 Расчёт напряжений в грозозащитном тросе существующей линии

Согласно ПУЭ [4] расчёт проводов и тросов ВЛ производится по методу допускаемых напряжений. При произведении расчётов этим методом принимаются нагрузки, которые должны соответствовать условиям эксплуатации линии, называемые нормативными. Определяют нормативные нагрузки по выявленным наиболее неблагоприятным сочетания климатических условий, наблюдаемые не реже 1 раза в 15 лет - для ВЛ 500 кВ, 1 раза в 10 лет - для ВЛ 6-330 кВ и 1 раза в 5 лет - для ВЛ 3 кВ и ниже. Требование большей надёжности к линиям более высокого напряжения обусловлено увеличением периодов повторяемости по мере повышения напряжения линий. Такой способ обеспечивает достаточную надёжность линий.

При обтекании проводов потоком воздуха, направленным поперек оси линии или под некоторым углом к этой оси, с подветренной стороны провода возникают завихрения. Периодически происходят отрывы ветра от провода и образование вихрей противоположного направления. Отрыв вихря в нижней части (рисунок 7.1) вызывает появление кругового потока с подветренной стороны, причём скорость потока v в точке А становится больше, чем в точке В. В результате появляется вертикальная составляющая давления ветра. При совпадении частоты образования вихрей с одной из частот собственных колебаний натянутого провода он начинает колебаться в вертикальной плоскости. Такие колебания провода с амплитудой от 2 до 35 мм, длиной волны от 1 до 10 метров и частотой от 5 до 60 период/секунда называются вибрацией.

Рисунок 7.1 - Образование вихря за проводом

Вибрация может вызвать обрыв отдельных проводов на участках их выход из зажимов. Эти обрывы происходят вследствие того, что переменные напряжения от периодических изгибов проволок в результате вибрации накладываются на основные растягивающие напряжения в подвешенном проводе. Согласно исследований и наблюдений установлено, что опасность разрушения проводов зависит от так называемого среднеэксплуатационного напряжения (напряжения при среднегодовой температуре и отсутствии дополнительных нагрузок). Согласно ПУЭ [4] предел среднеэксплуатационного напряжения на линии с пролётами более 120 метров, при котором не требуется специальной защиты от вибрации, для стальных проводов и тросов составляет 18 даН/мм². Как правило, снижение напряжений в проводах до данного значения экономически невыгодно. Поэтому на линиях напряжением 35 ч 330 кВ обычно устанавливают виброгасители, выполненные в виде двух грузов, подвешенных на стальном тросе.

Виброгасители поглощают энергию вибрирующих проводов и уменьшают амплитуду вибрации около зажимов. Они должны быть установлены на определённых расстояниях от зажимов, определяемых в зависимости от марки и напряжения провода. Следует отметить, что виброгасители обеспечивают эффективную защиту проводов от вибрации только в том случае, если среднеэксплуатационное напряжение в проводах не превышает значений, определённых ПУЭ [4, таблица 2.5.7].

По всей трассе ВОЛП ВЛ на участке Уфа - Октябрьский должна быть обеспечена защита ОКГТ от вибрации в соответствии с рекомендациями, полученными от фирмы - поставщика кабеля. Гасители вибрации поставляются вместе с кабелем и по конструкции отличаются от виброгасителей, применяемых для традиционных стальных грозотросов, что обусловлено специфическими требованиями к условиям эксплуатации оптического кабеля, встроенного в грозотрос (рисунок 7.2, 7.3).

Рисунок 7.2 - Установка гасителя вибрации ГВ-3223-02 у натяжного зажима



Рисунок 7.3 - Установка гасителя вибрации ГВ-3223-02 у поддерживающего зажима

Определим напряжение в существующем грозотросе:

1) Для провода марки АС 95/16 предел прочности на разрыв составляет 33 кН (ПУЭ, таблица 2.5.8)

2) Среднеэксплуатационное напряжение при растяжении для провода марки АС 95/16 составляет 8.7 кН (ПУЭ, таблица 2.5.8).

Таким образом, среднеэксплуатационное паспортное напряжение выбранного ОКГТ должно быть не менее значения среднеэксплуатаци- онного напряжения (8.7 кН) существующего грозотроса на участке Уфа - Октябрьский.

7.4 Определение нагрузки на кабель

Для обеспечения надежной работы ВОЛП ВЛ при расчетах необходимо учитывать скорости ветра, гололедно-изморозевые отложения и колебания температуры в зоне трассы сооружаемой линии. Многолетние наблюдения метеостанций разных регионов страны позволили собрать данные по скоростям ветра и гололедообразования почти для всей территории России и составить соответствующие карты климатического районирования. Поэтому при выборе расчетных климатических условий для проектирования следует пользоваться картами, приведенными в ПУЭ [4].

Согласно картам климатического районирования район прохождения проектируемой трассы Уфа - Октябрьский относится к III району по ветровой нагрузке, ко II району по гололёду, продолжительность гроз составляет 40-60 часов в год, а "пляска" проводов - редкая (реже одного раза в 10 лет).

Подвешенные на воздушных линиях провода и тросы, от собственного веса постоянно находятся под действием вертикальной нагрузки. К этой нагрузке добавляться и временные нагрузки: горизонтальная - от ветра и вертикальная - от гололеда. Гололедные отложения распределяются равномерно по всей длине провода. Но, эту нагрузку считают равномерно распределенной по длине провода в рассматриваемом пролете при известной условности определения гололедных нагрузок. Ветровое давление распределяется по длине пролета неравномерно. При увеличении скорости ветра эта неравномерность, возрастает и учитывается коэффициентом неравномерности , значение которого принимается в зависимости от скоростного напора. Эта нагрузка считается равномерно распределенной по длине пролета после умножения на коэффициент. Равномерно распределенная нагрузка по длине пролета на один метр длины провода называется единичной нагрузкой и выражается в килограммах на один метр. В технической литературе принято обозначать единичные нагрузки латинской буквой р с соответствующими индексами.

Рассмотрим нагрузки, действующие на провода и тросы:

1) Единичная нагрузка от собственного веса провода - эта нагрузка обозначается р₁ и принимается по действующим стандартам или техническим условиям, в которых указан вес провода в [кг/км]. Для получения единичной нагрузки от собственного веса в [кг/м] следует разделить на 1000 вес, указанный в стандарте.

2) Единичная нагрузка от гололеда. Площадь сечения слоя гололеда с толщиной стенки с на проводе диаметром d определяется по формуле:

. (7.1)

Так как диаметр провода и толщина стенки гололеда принимается в миллиметрах, а единичную нагрузку требуется получить на метр, то объемный вес гололеда g₀ следует перевести в соответствующие единицы: g₀ = 0,9 кг/дм³ = 0,9Ч10^?3 кг/мм², и единичная нагрузка от веса гололёда определяется по следующей формуле:

. (7.2)

3) Результирующая единичная весовая нагрузка при гололёде - эта нагрузка, обозначаемая р₃, равна арифметической сумме единичных нагрузок от собственного веса и гололёда:

. (7.3)

4) Единичная ветровая нагрузка на провод без гололёда:

, (7.4)

где - коэффициент, учитывающий неравномерность давления ветра по пролёту;

С_х - аэродинамический коэффициент (коэффициент лобового сопротивления);

q - скоростной напор;

d - диаметр провода, мм.

5) Единичная ветровая нагрузка на провод с гололёдом:

 . (7.5)

Результирующие единичные нагрузки от веса провода (с гололёдом или без гололёда), действующего вертикально, и горизонтального ветрового давления складываются геометрически и определяются по формулам:

а) при отсутствии гололёда:

, (7.6)

б) при наличии гололёда:

. (7.7)

В расчётах проводов удобнее пользоваться не единичными нагрузками, а так называемыми удельными, или приведёнными нагрузками. Эти нагрузки получаются путём деления соответствующих единичных нагрузок р на сечение провода F [мм2] и обозначаются греческой буквой с соответствующими индексами:

. (7.8)

Рассчитаем нагрузку на существующий грозотрос при наиболее неблагоприятных климатических условиях, то есть при гололёде и ветре.

Исходные данные:

1) Трос - сталеалюминевый провод марки АС 95/16;

2) Сечение алюминия - 95,4 мм²; сечение стали = 15,9 мм²;

3) Диаметр провода d = 13,5 мм;

4) Вес 1 км - 385 кг;

5) Напряжение ВЛ - 220 кВ;

6) Район гололёдности - II (толщина стенки гололёда: c = 10 мм);

7) Район по ветровой нагрузке - III (скоростной напор q = 50 кг/м², скорость ветра V = 29 м/с);

8) Максимально допустимая длина пролёта: L_max = 525 м.

9) Произведём расчёт:

Расчёт нагрузки от собственного веса:

кг/м.

Единичная нагрузка от веса гололёда:

кг/м.

Нагрузка от веса провода с гололёдом:

кг/м.

Значение скоростного напора q = 50 кг/м² находим по таблице 2.5.1 (ПУЭ) при повторяемости 1 раз в 10 лет, требуемой для линии 35 ч 220 кВ. Значение поправочного коэффициента , учитывающего неравномерность давления ветра по пролёту, получаем линейной интерполяцией, используя данные п.2.5.30 (ПУЭ), = 0.783. Коэффициент лобового сопротивления С_х согласно п.2.5.30 (ПУЭ) принимаем 1.2.

Единичная нагрузка от ветра на провод с гололёдом:

кг/м .

Нагрузка от ветра и веса провода с гололедом:

 кг/м.

Согласно таблице 2.5.5 (ПУЭ) наибольший допустимый пролёт ВЛ 220 кВ с проводом марки АС 95/16 при толщине гололёда до 10 мм (II район гололедности) составляет 525 метров. Тогда:

кг .

Таким образом, при выборе оптического кабеля, встроенного в грозотрос, необходимо, чтобы максимальное расчётное тяжение выбранного типа ОКГТ не превышало рассчитанную нагрузку на существующий грозотрос (588 кг). Тогда будет обеспечена требуемая надёжность ВОЛП ВЛ. Справочное значение допустимой нагрузки на кабель составляет 7200 кг.

7.5 Стрела провеса кабеля

Идеальная гибкая нить, подвешенная в двух точках и подвергающаяся воздействию равномерно распределённой по длине нагрузки от собственного веса, принимает очертание цепной линии (рисунок 7.4). Напряжение в любой точке такой нити будет обусловлено только растяжением и направлено по касательной к кривой в рассматриваемой точке. Жёсткость проводов и тросов сказывается только при подвеске коротких отрезков проводов (например, шлейфов длиной в несколько метров между гирляндами анкерных опор). При длине пролётов, принимаемых на воздушных линиях (220 кВ: 200-525 м), жёсткостью проводов можно пренебречь и рассматривать их как идеально гибкие нити.

Рассмотрим основные понятия и термины, используемые при расчёте стрелы провеса проводов.

Расстояние по горизонтали между точками подвеса А и В называется пролётом и обозначается буквой l; расстояние по вертикали в середине пролёта между проводом и прямой АВ, соединяющей точки подвеса, называется стрелой провеса и обозначается буквой f. Обе величины, как правило, измеряются в метрах. Сила, действующая в любой точке провода, называется тяжением и обозначается буквой Т. Тяжение в низшей точке провисания, направленное горизонтально, принято обозначать буквой Н. Как правило, тяжения измеряются в килограммах. Сила, действующая на единицу сечения провода, называется напряжением, обозначается буквой [кг/мм²]. Согласно определению:

, (7.9)

где F - сечение провода.

На оптический кабель в грозозащитном тросе (ОКГТ), закреплённый на грозостойках опор воздушных линий электропередачи (ВЛ), воздействуют нагрузки от собственного веса и гололёда, от ветра, мороза и вибраций. Базовый принцип, на основании которого задаётся необходимая прочность ОКГТ, заключается в том, что при всех этих воздействиях ОКГТ должен оставаться в зоне упругих деформаций, то есть его размеры должны возвращаться к исходным после устранения нагрузки. Упругие деформации ОКГТ имеют место при относительных удлинениях до 0.5%.

Закреплённый в двух точках, кабель ОКГТ провисает по так называемой цепной линии:

, (7.10)

где x и y - текущие координаты по горизонтали и вертикали;

h - высота троса над землёй в середине пролёта.

Ниже приведены соотношения между растягивающими нагрузками , температурой окружающей среды Т, длиной ОКГТ L, стрелой провеса f, длиной пролёта l и напряжением в поперечном сечении ОКГТ (индексом "0" обозначены исходные значения величин); - температурный коэффициент линейного расширения, - коэффициент упругого удлинения ОКГТ. Длина ОКГТ при изменении растягивающей нагрузки и температуры равна:

. (7.11)

Стрела провеса ОКГТ:

. (7.12)

Длина ОКГТ с учётом стрелы провеса:

. (7.13)

Удлинение ОКГТ при изменении стрелы провеса:

. (7.14)

Напряжение в ОКГТ при изменении температуры:

, (7.15)

, (7.16)

. (7.17)

Анализ приведённых соотношений показывает следующее:

1) При уменьшении стрелы провеса f до нуля напряжение в поперечном сечении ОКГТ увеличивается до бесконечности;

2) При снижении температуры Т стрела провеса f уменьшается и напряжение в поперечном сечении ОКГТ увеличивается;

3) Каждой температуре Т соответствует строго определённая стрела провеса f;

4) Минимальные значения напряжения в точках крепления ОКГТ к опорам имеют место при экономически невыгодном значении стрелы провеса: f = l/v8 (приблизительно 1/3 длины пролёта), для реализации которого потребуются слишком высокие опоры.

Оптимальное значение стрелы провеса выбираются так, чтобы растягивающие усилия (тяжения) не превосходили допустимых, указанных ниже в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Допустимые тяжения в ОКГТ

Условия	Допустимые тяжения, % от разрушающей нагрузки
Нормативная наибольшая нагрузка. Низшая температура без нагрузок	40 - 45
Среднегодовая температура без нагрузок	16 - 18
Расчётная наибольшая внешняя нагрузка от собственного веса, гололёда и ветра	65 - 70
Примечание: разрушающая нагрузка - минимальное натяжение, при котором повреждаются несущие элементы ОКГТ или оптические волокна.

7.6 Термическая стойкость ОКГТ

Для оптического кабеля, встроенного в грозотрос, термическое воздействие тока КЗ может приводить не только к нарушению несущей способности армирующих элементов, но возможна как кратковременная, так и длительная потеря связи, за счет нагрева оптического волокна и оплавления его акрилатного покрытия. При потере термической устойчивости оптического кабеля в грозовом тросе приводит к дополнительному ущербу в связи с нарушением канала связи. Если попытаться применить кабель увеличенного сечения с повышенной термической устойчивостью по всей длине ВЛ то это скорее всего приведет к значительному и неоправданному повышению стоимости проекта ВОЛП в связи с значительной зависимостью стоимости ОКГТ от его сечения, а также к увеличению механических нагрузок на опоры, а следовательно появятся дополнительные затраты на их укрепление.

...