МЕХАНИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

К мерам механической защиты относится предотвращение повреждений кабеля при прокладке, предотвращение попадания влаги в кабель и приборы, предохранение кабелей и разъемов от коррозии, предотвращение провисания и чрезмерного растяжения кабеля при надземной прокладке, защита надземных мачт от лишней ветровой нагрузке. Для предотвращения растяжения кабеля, как уже было сказано, применяется несущий трос, для правильного выбора которого необходим расчет нагрузки на него в реальных условиях эксплуатации.

Защита кабеля от повреждений при прокладке обеспечивается осторожное обращение с ним и точным выполнением этой процедуры с соблюдением всех правил, определенных для каждого типа кабеля. Всегда нужно избегать образования петель, изломов и передавливания кабеля. Передавливание особенно опасно, так как после сдавливающего воздействия проводник деформируется, что приводит к росту отраженной энергии. В первый момент полиэтиленовая оболочка принимает форму вмятины, но вскоре она восстанавливается, поэтому позднее место деформации будет трудно обнаружить и поврежденный кабель может быть использован при прокладке сети. Практически все здесь от умения и профессионализма технического персонала.

Неблагоприятные погодные условия довольно сильно сказываются на состоянии и работоспособности кабельной сети. Подвесная кабельная структура, находящаяся все время на открытом воздухе подвержена воздействию крайних температур, налипанию снега и льда, сильных ветров. Как правило, для этого способа прокладки выбирается кабель с несущим тросом. Подвесной структуре может преобразоваться и дополнительная защита от повышенной влажности воздуха и высоких концентрации активных веществ в атмосфере промышленных районов, но обычно она не обеспечивается – плохая защищенность надземных сетей компенсируется низкой первоначальной стоимостью их прокладки. Кабель, проложенный в грунте, менее подвержен разным механическим повреждениям, однако, он испытывает разрушающее действие проникающей в кабель влаги и химической коррозии, может быть поврежден грызунами. Следовательно, подземные сети в большинстве случаев также требуют дополнительной защиты. Еще один недостаток грунтовой прокладки в том, что кабель нужно выводить выше уровня грунта для установки усилителей и других приборов, а для того необходимы специальные защитные приспособления, например цокольные корпуса. Полную механическую защиту кабельной структуры не удастся гарантировать ни при каких условиях, кабель будет нуждаться в регулярной замене, и продлить срок службы структуры можно только удачным выбором кабелей и качественным соединений кабелей и приборов.

Немаловажно и качество. Количество разъемов в крупных кабельных сетях очень велико, поэтому также велика вероятность того, что причиной нарушений в работе сети являются именно разъемы. В больших и средних сетях, особенно на магистралях, рекомендуется использовать только качественные разъемы ведущих производителей, имеющие высокие возвратные потери, высокое экранирование и хорошую коррозийную стойкость. Разъемы необходимо подбирать в соответствии с типами используемых кабелей. Разделка разъемов должна выполняться с использованием специального инструмента в строгом соответствии с рекомендациями производителя. При установке разъемов большое значение опять же имеет квалификация технических специалистов.

При любом способе прокладки следует обращать внимание на характеристики компонентов кабеля и на материалы, из которых он изготовлен. В расчет должны приниматься степень экранирования в рабочих условиях, способность передачи тока питания, наличие дополнительных защитных оболочек и срок амортизации кабеля. При производстве современных магистральных кабелей, как правило, используется медный, покрытый алюминием центральный проводник, алюминиевый внешний проводник и вспененный полиэтиленовый диэлектрик. Все эти компоненты имеют свои температурные коэффициенты расширения, которые могут различаться в несколько раз, например, при нагревании объем полиэтилена увеличивается в 7 раз сильнее, чем объем алюминия. Это способствует смещению одного компонента относительно другого и приводит в итоге к деформации кабеля и ухудшению его характеристик. Чтобы предотвратить смещение центральный проводник, диэлектрик, наружный проводник и оболочку скрепляют воедино. Для прокладки магистралей следует выбирать только скрепленные кабели. Скрепление компонентов, кроме того, препятствует проникновению влаги и повышает прочность кабеля. Кабели, прокладываемые под землей, должны иметь различные средства дополнительной защиты в идее дополнительных оболочек с наполняющим водозащитным компаундом и армирующих оплеток. Эти средства повышают коррозийную стойкость кабеля, защищая от влияния солей и кислот, присутствующих в почве. Коррозия кабелей и разъемов опасна тем, что в условиях повышенной влажности может привести к различным потерям металлического экрана, ухудшить контакт в местах соединений кабелей и приборов, снизить степень экранирования, а ухудшение экранирования, в свою очередь, приводит к росту помех и утечкам. Следует учитывать и то, что коррозия кабеля ускоряется при подаче через него напряжения дистанционного питания. Водозащитный компаунд находится между внешней полимерной оболочки и алюминиевым экраном. В качестве компаунда обычно используется полужидкий синтетический материал, который выполняет сразу две функции – препятствует попаданию влаги на экран, а при не значительных повреждениях оболочки легко проникает в образовавшиеся и заполняет их. При надземной прокладке кабеля в качестве компаунда используется пластичный материал, сохраняющий свою консистенцию в широком диапазоне температур. Кабели с антикоррозийной защитой применяются не только при прокладке под землей, но и в других местах с повышенной влажностью, например, в канализации или подвальных помещениях. Качество прокладки кабеля и выполнения соединений в абонентских ответвлениях особенно важно, поскольку здесь обеспечивается минимальная защита кабеля, а, вместе с тем, согласно статистике 70 % неисправностей в кабельных сетях приходится на абонентские ответвления. Ремонт и техническое обслуживание абонентских ответвлений является значительной статьей для кабельных операторов. Возможны разные способы прокладки кабеля абонентских ответвлений. Самый простой способ – крепление кабеля пластмассовыми скобами к стене. Недостатком этого способа являются открытость проводки и ее уязвимость. Поскольку диаметр наружного проводника определяет волновое сопротивление, даже незначительное передавливание абонентского кабеля скобой недопустимо, иначе в этой точке нерегулярность. Следовательно, размер используемых скоб должен строго соответствовать диаметру кабеля, для чего существует широкий ассортимент скоб разного размера. Абонентский кабель может прокладываться в защитном коробе и это, вероятно, оптимальный способ, как про стоимости работы, так и по простоте исполнения и последующего обслуживания. Более того, в одном коробе можно проложить кабели сразу нескольких сетей. Этот способ часто применяется в офисных помещениях. Более сложные и дорогие способы скрытой прокладки, как прокладка под плинтусом и полом, в стене, над подвесным потолком имеют преимущество только с эстетической точки зрения – они не портят внешнего вида помещения. В редких случаях выполняется подвесная протяжка кабеля абонентского ответвления, причем здесь требуется направляющий трос, в отсутствии которого нагрузка на кабель в области соединения повышается и со временем ухудшается экранирование, что ведет к росту наведенных помех. Проблема наводок в абонентском ответвлении очень актуальна, особенно для обратного канала, в котором на это участке мощность шума возрастает более чем в два раза.

Ключевым фактором механической защиты является защита наружной антенной системы, установленной на головной станции, от излишней ветровой нагрузки. Стандарт EN -50083 предъявляет требования к механической стабильности любой антенной системы, включая спутниковые антенны. Все части антенной системы должны быть сконструированы таким, образом, чтобы противостоять максимальной силе ветра без поломок и отрыва компонентов. Основным показателем механической стабильности является изгибающий момент. При проектировании антенны рассчитывают ветровую нагрузку на всю конструкцию и, исходя из нее, определяют изгибающий момент антенной мачты. Стандартом установлено, что для антенных систем со свободной длинной мачты не более 6 метров изгибающий момент в точке фиксации не должен превышать 1650 Н•м. Производитель антенны должен указать ветровую нагрузку антенны на максимальный изгибающий момент мачты в месте фиксации при ветровом давлении 800 Н\м. Фиксированная часть мачты должна составлять не менее одной шестой от ее полной длины. Чтобы мачта при перегрузке не сломалась, конструкция должна быть гибкой. Для этого сталь, из которой изготовлена мачта, должна иметь гарантированный предел расширения и максимальная нагрузка не должна превышать 90% от предела расширения. Минимальная толщина стенки мачты в области крепления должна составлять 2 мм. В случае если длина мачты более 6 м или ожидается, что изгибающий момент будет превышен, или используется не стандартный способ крепления мачты, следует воспользоваться услугами эксперта, который обследует конструкцию и даст гарантию ее безопасности. Площадка, на которой мачта крепится к зданию, должна быть оборудована специальным образом. Местные инструкции могут требовать проверки надежности и этой площадки.

Ветровую нагрузку, действующую на мачту, можно определить по следующей форме:

W = срА

где W – ветровая нагрузка в Ньютонах, н; с – коэффициент нагрузки; р – Ветровое давление в Паскалях, Н\м? ; А – площадь компонентов антенны, м? .

Ветровое давление зависит от скорости ветра и высоты установки антенны над землей. Понятно, что растет нужно выполнять для ветра выше средней силы, скорость которого составляет более 80 км\ч. Если антенная система установлена в пределах 20 м над землей, то при скорости ветра 36 м\с величина ветрового давления принимается равной 800 Н\м? . Если антенная система установлена выше 20 м над землей, прис корости ветра 42м\с величина ветрового правительства будет составлять 1100 Н\м?. Коэффициент нагрузки принимают равным 1,2. В зависимости от местных погодных условий величины ветровой нагрузки могут быть и более высокими, например, при скорости ветра 45 м\с ветровое давление должно быть не менее 1250 Н\м?, а при скорости ветра 56 м\с не менее 1900 Н\м. Значения ветрового давления приводится в таблицах климатических условий.

Теперь изгибающий момент в точки фиксации мачты можно рассчитать следующим образом:

М = W • I

где М - изгибающий момент, Н • м, W – ветровая нагрузка, Н; I расстояние от места крепления антенны до точки фиксации мачты, м.

Если на мачте установлен целый антенный комплекс, то ее полный изгибающий момент будет равен сумме таких произведений для каждой антенны, установленной на своей высоте.

Расчет несущего троса включает расчет фактической силы натяжения в условиях эксплуатации, которая не должна превысить предельной прочности троса на разрыв, и расчет расходуемой длины троса. Предельную прочность троса на разрыв и его удельный вес можно найти в документации производителя. Для расчета силы натяжения троса американская фирма TFC предложила методику, учитывающую влияние различных факторов, включая погодные условия. При расчете натяжения троса нужно учесть все составляющие нагрузки, которые могут влиять на его растяжение в реальных условиях, т.е подсчитать его полную весовую нагрузку. В худшем случае трос растягивается под действием собственного веса, веса кабеля и крепежной конструкции веса намерзающего льда в зимний период. Кроме этого, нагрузка на трос увеличивается под действием силы ветра. Расходуемая длина троса должна рассчитываться учетом провиса, который меняется в зависимости от колебаний температуры. При расчете предполагается, что по всей опорной линии кабель протянут на одной высоте от земли.

Натяжение троса Н удобнее определять не в единицах измерения силы или веса, а в единицах измерения массы. Поскольку удельная масса кабеля известна из документации производителя, то в этом случае сразу будет понятно, отрезок кабеля какой длины может выдержать трос. Трос растягивается вдоль своей оси, поэтому нас интересует горизонтальная составляющая натяжения, направленная по касательной к тросу, которую можно вычислить по следующей формуле:

где W – полная удельная нагрузка на трос, кг\м; L – расстояние между опорами, м; r – провис троса, м.

Полная удельная нагрузка, действующая на трос, складывается W с индексом v и горизонтальной W с индексом н составляющей, кг/м:

Вертикальная составляющая нагрузки в реальных условиях складывается из веса троса, кабеля и намерзающего льда. В горизонтальном направлении на трос действует сила ветра. Следовательно, суммарная удельная нагрузка определяется по формуле :

Wi-удельная масса намерзающего льда, кг/м;
Wc-удельная масса кабеля, кг/м;
WT-удельная масса троса с креплением, кг/м;
F-удельная нагрузка, создаваемая ветром, кг/м

Удельные массы кабеля и троса приводятся в технической документации этих изделий. Удельную массу намерзающего льда определяют опытным путем или рассчитывают по какой-либо эмпирической формуле, в котором учитывается диаметр связки кабеля с тросом, температура воздуха и толщина льда. Приблизительное значение ветровой нагрузки в зависимости от скорости ветра и толщина льда, как и в приведенном выше расчете изгибающего момента мачты, берется из таблиц климатических условий для конкретной географической области.

Подставив полученное значение W в формулу расчета Н, получим натяжение троса в наихудших условиях эксплуатации. Как показывает практика, надежность прокладки кабеля на подвесе можно гарантировать при использовании троса, натяжение которого не превышает 60% от его предельной прочности на разрыв. Если же н7атяжение троса оказывается больше, следует выбрать более прочный трос и повторить расчет.

Теперь найдем длину необходимую длину троса. Фактическая длина подвешенного троса с провисом составляет:

где L – расстояние между опорами, м; r – провис троса, м.

Чтобы определить количество троса, которое требуется для протяжки, нужно найти начальную длину L с индексом 0 подвешенного отрезка, которую он имеет в ненапряженном состоянии, т.е. до провисания. Для этого можно применить закон Гука для упругого тела, согласно которому упругая деформация пропорциональна силе, вызывающей эту деформацию. Отсюда получаем исходну длину подвешенного отрезка кабеля :

где Н – натяжение троса, кг; S – площадь поперечного сечения троса, м? Е – модуль упругости материала. Длина L с индексом 0 рассчитывается для некоторой известной температуры Т с индексом 0, которая приводится в документации вместе с соответствующими значениями Е и S .

Учет влияния температуры представляет процессы натяжения и растяжения троса в динамике. Кабель подвешивается при некоторой начальной температуре. Через некоторое время температура меняется, и с ней меняется длина троса. Если температура падает, трос сжимается и становится короче, в результате чего провис уменьшается, а натяжение увеличивается. В свою очередь, увеличение натяжения, приводит к растяжению троса пропорционально его упругости. При росте температуры происходят обратные процессы. Процессы растяжения и сжатия происходят одновременно и уравновешивают друг друга, поддерживая постоянный динамический баланс. Длину отрезка троса при температуре Т можно определить по следующей формуле:

8

где L с индексом 0 - длина троса при температуре Т с индексом 0; k – температурный коэффициент; Т – текущая температура в момент прокладки кабеля; Т с индексом 0 – известная из документации температура. Наибольшие отклонения длины троса от L с индексом определяются при крайних температурах для данных климатических условий.

Параметры несущих тросов фирмы TFC

Приведенные расчеты формулы могут использоваться по-разному. Можно предварительно задавшись расстоянием между опорами и предполагаемой величиной провиса кабеля при его монтаже, рассчитать натяжения и выбрать подходящий тип троса по условию, допускающему натяжения не более 60% от его прочности. Если расстояние между опорами равны, то расчет выполняется сразу для всей линии. Можно исходить из заданного типа троса, для которого, найдя предельно допустимое натяжение, рассчитать расстояние между опорами на линии. Можно также использовать эти формулы для оценки вероятности вытягивания центрального проводника, появление трещин и разрыва кабеля. Характеристики некоторых тросов, выпускаемой фирмой TFC приведены в таблице выше.