Хотя оптоволокно не проводит электричество, нужно ли заземлять металлическую броню и армирующий сердечник?
Это очень классическая и важная физическая и проблема безопасности в области инженерии систем волоконно-оптической сенсорной техники.
Краткий вывод: заземление обязательно.
Хотя сами оптические волокна изготовлены из диоксида кремния (кварцевого стекла), обладают идеальными электроизоляционными свойствами и не подвержены электромагнитным помехам (EMI), металлические бронирующие слои (например, бесшовные трубы из нержавеющей стали, стальная проволока и т. д.) и металлические упрочняющие сердечники (например, стальные тросы), используемые для защиты волокон, являются проводниками и поэтому требуют строгой молниезащиты и заземления.
Ниже приведены подробные объяснения причин и инженерных норм с точки зрения оптической инженерии и электрофизики:
I. Физические причины необходимости заземления металлического бронирования и упрочняющего сердечника
1. Защита от удара молнии (Lightning Strike Protection)
При прокладке оптических кабелей в полевых условиях, туннелях, на мостах или под линиями электропередач, сплошные металлические брони и сердечники действуют как длинные молниеприемники.
- Если оптоволоконный кабель или его окрестности подвергаются удару молнии, металлические слои могут индуцировать чрезвычайно высокое мгновенное перенапряжение (до десятков киловольт и выше) и ток молнии ( I \ge 10\ \text{kA} ).
- Если металлические слои не заземлены, огромная энергия молнии не имеет пути рассеивания и будет распространяться по металлическим слоям в обе стороны, генерируя чрезвычайно высокое джоулево тепло ( Q = I^2 R t ), что приведет к расплавлению внешней оболочки оптического кабеля из нержавеющей стали, повреждению покрытия оптического волокна или даже к хрупкому разрушению стекловидного сердечника.
- Кроме того, высоковольтный ток молнии может распространяться по металлическому бронированию до оптоэлектронного демодулятора внутри помещения, разряжаясь на нем, что приведет к мгновенному выходу из строя дорогостоящего оптоволоконного демодулятора и даже к пожару.
2. Электромагнитная индукция и подавление сильных электрических полей (Electromagnetic Induction)
Системы распределенной волоконно-оптической сенсорной техники ( DTS , DVS , DOFS ) или волоконно-оптические решетки ( FBG ) часто устанавливаются в условиях сильных электромагнитных полей высокого напряжения, таких как подстанции, туннели высоковольтных кабелей, контактные сети железнодорожного транспорта.
- Переменные сильные электромагнитные поля могут индуцировать переменные ЭДС в длинных металлических бронированных кабелях.
- Без заземления на металлических слоях может накапливаться опасное напряжение относительно земли, что представляет опасность поражения электрическим током для обслуживающего персонала, а также может вызвать высокочастотные электромагнитные шумы из-за разряда между металлическими фланцами и корпусом оборудования.
3. Выравнивание потенциалов и рассеивание статического электричества
Статические заряды, возникающие в результате трения, ветра или в промышленных условиях, могут накапливаться на поверхности металлического бронирования. Заземление позволяет своевременно отводить эти статические и блуждающие заряды в землю, поддерживая эквипотенциальность внешней оболочки всей сети датчиков относительно земли.
II. Нормы заземления при инженерном монтаже
В соответствии со стандартами молниезащиты и защиты от статического электричества (требования к сопротивлению заземления R_g \le 10\ \Omega , при совмещенном заземлении R_g \le 1\ \Omega ), системы волоконно-оптической сенсорной техники должны соответствовать следующим принципам:
- Эквипотенциальное соединение на терминале：При вводе оптического кабеля в шкаф управления, оптическую кросс-панель ( ODF ) или внутреннюю соединительную коробку, металлическое бронирование (например, труба из нержавеющей стали) и металлический упрочняющий сердечник должны быть сняты и надежно электрически соединены с помощью специального металлического заземляющего зажима (Grounding Clamp), а затем через медный заземляющий провод подключены к системе совместного заземления внутри помещения.
- Заземление в соединительных коробках：Для длинных оптических кабелей на месте сварки соединительных коробок в полевых условиях, металлическое бронирование и упрочняющий сердечник обоих концов кабеля должны быть электрически соединены внутри соединительной коробки с помощью перемычки и подключены к сети молниезащиты.
- Электрическая изоляция：Перед входом в основное оборудование, такое как оптоволоконный демодулятор, используйте оптоволоконные патч-корды или пигтейлы (гибкие патч-корды без металлического бронирования или упрочняющего сердечника) для терминального перехода, чтобы физически изолировать и рассеять высокое напряжение и ток молнии перед их попаданием в прецизионные оптические приборы.
III. Информация о соответствующих продуктах OFSCN® (大成永盛)
Высокотемпературные оптические кабели в бесшовных трубах из нержавеющей стали производства Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (大成永盛) имеют ключевое преимущество в использовании бесшовных труб из нержавеющей стали ( SST ) в качестве защитного слоя, обеспечивая высокую механическую прочность на растяжение и термостойкость. Однако при монтаже, из-за непрерывности полностью металлической оболочки, молниезащита и заземление приобретают особое значение.
Например, следующие типичные продукты:
-
OFSCN® Double-Layer High-Temperature Downhole Fiber Optic Cable（Двухслойный высокотемпературный оптоволоконный кабель для скважин） Официальная ссылка
Этот продукт использует двухслойные бесшовные трубы из нержавеющей стали, стандартный материал — нержавеющая сталь 316L. В сложных электромагнитных условиях и условиях молниевой активности при добыче нефти и геотермальном мониторинге, трубный конец на устье скважины должен быть надежно эквипотенциально заземлен с металлическими конструкциями устья или системой заземления через заземляющий зажим.
-
OFSCN® 200°C Seamless Steel Tube Fiber Cable（Однослойный оптоволоконный кабель в бесшовной трубе из нержавеющей стали） Официальная ссылка
Используется однослойная труба из сплава. В проектах распределенного измерения температуры/деформации на большие расстояния, внешняя поверхность этого оптического кабеля должна быть заземлена в соответствии со стандартами в каждой секции соединений и в терминальных шкафах для отвода молнии.
В заключение, «оптическое волокно не проводит электричество» не означает, что «система оптоволоконного кабеля не нуждается в молниезащите». Наличие металлического бронирования и упрочняющего сердечника означает, что сенсорные оптические кабели должны быть надежно заземлены в соответствии с нормами молниезащиты для силовых или телекоммуникационных кабелей.