Optische Kabel in EVU Netzen. Konstruktionen, Anwendungen Tests & Verbindungstechniken

Transkript

1 Optische Kabel in EVU Netzen Konstruktionen, Anwendungen Tests & Verbindungstechniken Dr. Werner Helle 24. September 2009

2 Optische Nachrichtenübermittlung 24. September

3 Optische Nachrichtenübermittlung 1790 Claude Chappe Optical Telegraph System 1870 John Tyndall Principle of total internal reflection in a stream of water 1880 Graham Bell Developed the photo phone voice signals could be transmitted by means of light 1891 Erste Drehstrom- Freileitung Frankfurt Laufen 1912 Erste 110 kv- Drehstrom-Freileitung 1934 Norman French Patent for an optical telephone system 1958 Arthur Schawlow Development of Lasers Charles Townes 1966 Charles Kao Development of a transmission medium George Hockham 1970 Corning Inc. Manufacturing of the first step-index fibre Attenuation loss < 20 db/km with 633 nm 1977 Siemens Installation of first optical fiber link of former German Federal Postal Administration in Berlin 24. September

4 Optische Nachrichtenübermittlung 24. September

5 Übertragungstechnik Zeitliche Entwicklung der Übertragungstechnik PDH = Plesiochronus Digital Hierachy SDH = Synchronus Digital Hierachy September

6 Übertragungstechnik Schematische Darstellung der Übertragungsraten 24. September

7 Übertragungstechnik Zeitliche Entwicklung der Übertragungstechnik 24. September

8 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Wavelength Multiplexing Assignment of signals to specific optical carrier frequency Simultaneous multiple optical signals and applications in same fiber Fiber Optical Cable 24. September

9 Übertragungstechnik Schematische Darstellung der Übertragungsraten 24. September

10 Übertragungstechnik Number of Channels Mil Mil. 0.6 Mil. 0.3 Mil. 2.5 Mil. 16 * STM-1 16 * STM-16 System 16 * STM September

11 Optische Nachrichtenübermittlung typische Dämpfungswerte und Reichweiten Medium Fensterglas dichter Nebel Glasfaser von 1970 Atmosphäre (einer Großstadt) MM Faser (1. Fenster) SM Faser (3. Fenster) Cu 0,9 sym. (1MHz) Cu 2,6/9,5 coax (100 MHz) Dämpfungswert 50dB/ m 500 db/km 20 db/km 10 db/km 3 db/km 0,2 db/km 10 db/km 20 db/km Reichweite* 0,6 m 60 m 1,5 km 3 km 9 km 150 km 3km 1,5 km * bei 30 db Dämpfung 24. September

12 Lichtwellenleiter Eigenschaften Window = 850 nm 3 Window = 1550 nm 2 Window = 1300; 1310 nm 4 Window = nm Rayleigh Streuung: Wird verursacht durch Inhomogenitäten im Material, die kleiner sind als die Wellenlänge. Sie ist im wesentlichen für die Dämpfung verantwortlich. 24. September

13 Lichtwellenleiter Eigenschaften a Aktuelle Daten Attenuation Pt. nm db/km a b c d 1383 varies e b c d e Wavelength (nm) 24. September

14 Lichtwellenleiter Eigenschaften Dispersion: Streuung der Gruppenlaufzeit in einem Lichtwellenleiter, die zu einer Impulsverbreiterung und damit zu einer Reduzierung der Bandbreite bzw. Bitrate führt. 24. September

15 Lichtwellenleiter Stufen-Index LWL Einfach herzustellen, da nur 2 verschiedene Brechungsindize Einfach zu spleissen, da großer Kerndurchmesser Einfache Ein- & Auskoppeltechnik, da großer Kerndurchmesser Jedoch hohe Anzahl von Moden mit unterschiedlichen Laufzeiten, d.h. große Modendispersion dieses führt zur großen Impulsverbreiterung und damit zu einer geringen Bandbreite 24. September

16 Lichtwellenleiter Gradienten LWL Um die Modendispersion zu verringern reduziert man den Durchmesser des Kernglases und verändert deren Brechungsindex graduell. deutliche geringere Impulsverbreiterung deutlich höhere Bandbreite Moderate Spleiß- & Steckertechnik Moderate Ein- & Auskoppeltechnik Jedoch sehr aufwändig in der Herstellung 24. September

17 Lichtwellenleiter Einmoden Stufenindex LWL Verkleinert man den Durchmesser des Kernglases weiter kann sich schließlich nur noch eine Mode ausbreiten. keine Modendispersion keine Impulsverbreiterung (durch Modendispersion) deutliche Steigerung der Bandbreite Höhere Genauigkeitsanforderungen an Spleiß-& Steckertechnik Höhere Anforderungen an die Ein- & Auskoppeltechnik 24. September

18 Lichtwellenleiter Gradienten LWL 50 / 125 μm Menschliches Haar Einmoden LWL 10 / 125 μm 24. September

19 Lichtwellenleiter Kabel Dämpfungsursachen Streuung Inhomogenitäten im Material bedingt durch den Fertigungsprozess (Rayleigh-Streuung) Absorption Energieverlust der Strahlung beim Durchgang durch ein Medium infolge einer teilweisen Umwandlung der Strahlung in eine andere Energieform (z.b. Wärme) Abstrahlung Mikro- und Makrokrümmungen des Lichtwellenleiters 24. September

20 Lichtwellenleiter Dämpfungsursachen: Makrokrümmung Absorption Mikrokrümmung Makrokrümmung: Verbiegen der Faser unterhalb zulässiger Krümmungsradien. (Spleißboxen) Hierdurch treten Teile der Strahlung aus dem LWL aus. Mikrokrümmung: Mikroskopische Krümmungen des LWL, z. T. fertigungsbedingt, aber häufig auch durch äußeren Druck auf den LWL. Hierdurch wird die im Kern geführte Strahlung in den Mantel eingekoppelt. 24. September

21 Lichtwellenleiter Kabel Lichtwellenleiter sind empfindlich gegen Mikro - & Makrokrümmungen! Daher sind im Vergleich zu Kupferkabeln andere, LWL- gerechte, Kabelkonstruktionen erforderlich! Lichtwellen-Leiter müssen von den mechanischen Belastungen des Kabels entkoppelt werden. Querdruck auf das Kabel sowie Dehnung bzw. Stauchung des Kabels dürfen nicht auf den LWL selber wirken. 24. September

22 LWL - Hohlader Lösung: Die LWL - Hohlader Der bzw. die LWL werden von einer mechanisch festen Hülle umgeben, die die Querkräfte innerhalb des Kabels auffängt. Der Innenradius der Hülle ist groß gegenüber dem Durchmesser der LWL. Dadurch sind die LWL innerhalb der Hülle frei beweglich. 24. September

23 LWL - Hohlader Lage der LWL im entspannten Zustand des Kabels Lage der LWL im gedehnten Zustand des Kabels Lage der LWL im gestauchten Zustand des Kabels 1. Zug & Druck aufnehmendes Zentralelement 2. Lichtwellenleiter 3. Harte Schutzhülle Die benötigte Überlänge des LWL zum Ausgleich der Kabel- Dehnung wird hier durch den konstruktiven Aufbau des Kabels sichergestellt. (v. v. für die Stauchung) 24. September

24 LWL - Außenkabel Hohlader Reißfaden Hohlader Zentralelement Ripcord Quellelemente PE - Aussenmantel 24. September

25 LWL Zentrale Hohlader Zentrale Hohlader / Maxibündelader Auf Grund des größeren Innendurchmessers können die LWL wendelförmig untergebracht werden. Die benötigte Überlänge zum Ausgleich der Kabeldehnung wird hier fertigungstechnisch erreicht. 24. September

26 LWL - Außenkabel 24. September

27 Erdseil Luftkabel Technische Anforderungen an ein Erdseil: # vorgegebener Leitwert # vorgegebene Zugfestigkeit # vorgegebenes Gewicht # mögl. geringer Durchmesser (zur Minimierung der Zusatzlasten Wind & Eis) # mögl. große Drahtdurchmesser in der Außenlage (zur Vermeidung von Blitzschäden) Zusatzanforderungen an ein Erdseil-Luftkabel: # möglichst geringen Einfluß auf Gewicht und Durchmesser des Erdseiles # keine Beeinträchtigung der LWL Eigenschaften bei allen Betriebszuständen 24. September

28 Erdseil Luftkabel Entwicklung Ein oder mehrere Cu-Vierer kräftiger HDPE Mantel Ein- oder mehrlagige Bewehrung 24. September

29 Erdseil Luftkabel Entwicklung Reine LWL-Luftkabel mit verseilten Hohladern Ersatz eines Cu-Vierers durch ein verseiltes LWL-Bündel kräftiger HDPE Mantel Ein- oder mehrlagige Bewehrung 24. September

30 Erdseil Luftkabel Entwicklung Zentrale Kunststoff- Bündelader Zentrale Kunststoff- Bündelader Aramid-Verstärkung & HDPE- Mantel Aramid-Verstärkung Mehrlagige Bewehrung 24. September

31 Erdseil Luftkabel Entwicklung Lagenverseilte Edelstahl-Hohlader Verseilte Kunststoff- Hohladern o. Mantel Aluminium/Aldrey Segmentdrähten Aluminium/Aldrey Segmentdrähten Ein- o. mehrlagige Bewehrung 24. September

32 Erdseil Luftkabel Entwicklung Zentrale Aluminium-Bündelader Ein- o. mehrlagige Bewehrung 24. September

33 Erdseil Luftkabel Konventionell verseilte Hohlader Zentrale Maxibündelader Dehnung Dehnung Kabel vers. Dämpfung LWL zentr. Zugkraft 24. September

34 Erdseil Luftkabel 1,0 1,0 0,8 0,8 Dämpfungsänderung in db 0,6 0,4 0,2 0,6 0,4 0,2 Faserdehnung % 0,0 0,0-0,2-0,2 0 0,3 0,6 0,9 1,2 Kabeldehnung % 24. September

35 Erdseil Luftkabel Durchhang: H ~ G / BL a² H: Durchhang G: Gewicht + Zusatzlast BL: Bruchlast a: Spannweite Windlast: F Wind ~ c f v D F Wind : Windlast c f : Widerstands-Beiwert v: Windgeschwindigkeit D: Seildurchmesser Eislast: F Eis ~ {(r Eis + D/2)² - D²/4} π γ Eis g F Eis : Eislast r Eis : Eisdicke γ Eis : spez. Dichte D: Seildurchmesser 24. September

36 Erdseil Luftkabel - Tests Test Dauerschwingversuch Set-Up / Conditions Example for Test Conditions 24. September

37 Erdseil Luftkabel Tests Salzkammer Test Stainless Steel tubes (X5CrNi18 10) (X6CrNiMoTi17 2 2) Hitachi Report (TD ) Corrosion Problem Veracruz and Jardin Lost of connectivity after 3 years 24. September

38 Erdseil Luftkabel Tests Corrosion due to the different chemical balance Stainless steel tube AA/ACS Wire 24. September

39 Erdseil Luftkabel Tests Lightning Test IEC sample length 10m initial temp 40 5 C 5 simulations of the same lightning strikes with 4 components at different places on one cable. After the test, the calculation of the residual strength must be 75% of the original RTS. 24. September

40 Erdseil Luftkabel - Tests Lightning Test IEC Test Location: Results: Brazil thick ACS wires give best protection 24. September

41 Erdseil Luftkabel - Tests Kurzschlußprüfung Erdseil Luftkabel AA / ACS 41 / 41 Al Zentralbündel SS - Zentralbündel 24. September

42 Verbindungstechnik - Spleißen Unpräparierte Faser Justieren der Faserenden Entfernen des Coatings Lichtbogen Schweißen Präparieren der Faserenden Prüfen der Spleißdämpfung 0,1 db 24. September

43 Verbindungstechnik - Spleißen Entfernen des Coatings Präparieren der Faserenden Spließgerät 24. September

44 Verbindungstechnik - Spleißen Prinzipschaubild Spleißen 24. September

45 Verbindungstechnik - Spleißen Electrodes Fiber Guides LID- Transmitter LID- Receiver Bend coupler 24. September

46 Verbindungstechnik - Spleißen Spleißkassette Muffe ( offen) 24. September

47 Verbindungstechnik - Spleißen Haubenmuffen 24. September

48 Dämpfungsbudget Dämpfungsbudget einer typischen OPGW - Verbindung Mittlere Spannfeldlänge 4 km Anzahl Spannfelder 40 Gesamtlänge 160 km Faserdämpfung Mittlere Spleißdämpfung Einfügedämpfung ODF Gerät Gesamtfaserdämpfung Gesamtspleißdämpfung Gesamtdämpfung ODF Zusatzmarge für Alterung Zusatzmarge für Reparaturen Gesamtdämpfung am Ende der Lebensdauer 0,22 db/km (1550 nm) 0,1 db (je Spleiß) 1,0 db 35,2 db 3,9 db 2,0 db 0,5 db 2,0 db 43,6 db (1550 nm) 24. September

49 Dämpfungsbudget 24. September

50 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit 24. September

51 Kontaktadresse: Norddeutsche Seekabelwerke GmbH Kabelstraße 9-11 D Nordenham Telefon: Telefax: