Воздействие внешних электромагнитных полей на оптические кабели связи и гибридные линии

Рекомендовано Ученым советом
ордена Трудового Красного Знамени федерального 
государственного бюджетного образовательного учреждения 
высшего образования «Московский технический университет 
связи и информатики» (МТУСИ) в качестве учебного пособия 
для студентов и аспирантов, обучающихся по направлениям 
подготовки: 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии  
и системы связи» (бакалавриат); 11.04.02 – 
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» 
(магистратура)
Москва
Горячая линия – Телеком
2023

. 
 
 
 
Тиражирование книги начато в 2018 г. 
 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  
без письменного разрешения правообладателя. 
 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
www.techbook.ru 
                                                                        ©  С. А. Соколов 
 

Введение
Электромагнитная совместимость различных электротехнических устройств стала серьезной проблемой во всех областях техники. Под электромагнитной совместимостью понимают способность
приборов, устройств и систем нормально функционировать в условиях воздействия на них внешних электромагнитных полей различного происхождения и при этом не создавать во время своей работы помех другим электротехническим устройствам и биологическим
объектам. Электромагнитные поля возникают как от естественных
источников (гроза, магнитное поле Земли, землетрясения, токи в
атмосфере, земле и в воде и т. п.), так и от искусственных (электроэнергетические установки, линии электропередачи, радиотехнические и электротехнические устройства, устройства связи, индустриальные процессы, статическое электричество и т. д.).
Количественный состав источников непрерывно увеличивается,
мощность электростанций удваивается каждые 20 лет, частотный
спектр воздействий расширяется, а чувствительность приборов к
внешним помехам возрастает. Чувствительность интегральных схем
гораздо выше чувствительности транзисторов старого типа и несопоставима с чувствительностью ламповых устройств.
Еще пару десятков лет назад сети связи основывались главным
образом на классических кабелях с медными жилами, симметричных и коаксиальных. Существовавшее ранее деление линий связи на
высокочастотные транспортные (магистральные и зоновые) и низкочастотные местные линии претерпело существенные изменения.
Низкочастотные абонентские линии, связывавшие телефонный аппарат абонента со станцией, ныне уплотняются или заменяются на
высокочастотные медные линии для передачи данных и доступа в
Интернет, на гибридные и оптические линии, на радиодоступ.
В настоящее время тенденцией развития телекоммуникационных сетей является постепенный переход на сети нового поколения
NGN (Next Generation Networks), обеспечивающие услуги различного характера: широкополосный доступ в Интернет, пакетную телефонию, выделенные широкополосные каналы, видео по запросу
и т. д. Развитие сетей линий связи и рост рынка оптической связи
в значительной степени связан в основном со строительства сетей
доступа.

Введение
Современные технологии доступа отличаются большим разнообразием: это группа технологий LAN, использующих в качестве
среды передачи структурированные кабельные коаксиальные и оптоволоконные системы; группа технологий DSL, использующих в качестве среды передачи существующую инфраструктуру телефонной
сети общего пользования; группа технологий OAN, использующих
оптоволоконный кабель; группа технологий кабельного телевидения (КТВ), использующих оптоволоконный и коаксиальный кабели;
группа гибридных технологий сетей коллективного доступа (СКД)
для жителей многоквартирных домов и удаленных объектов, использующих в качестве сред передачи инфраструктуру телефонной
сети общего пользлвания (ТфОП); радиотрансляционные сети и сети электропитания. Некоторые из этих технологий используют комбинации направляющих сред передачи, подверженность внешним и
взаимным воздействиям которых различна. В одном кабеле могут
совмещаться различные технологии DSL, создающие значительные
перекрестные помехи. Если учесть, что длина линии DSL может
достигать 6...7 км, приобретает большое значение спектральная совместимость систем DSL. Активно развиваются сегменты FTTx и, в
частности, FTTH (волокно в каждый дом).
Кроме проводного доступа большое распространение получают
системы беспроводного доступа: технологии фиксированного беспроводного оптического и радиодоступа; технологии, обеспечивающие локальную подвижность абонентов; технологии мобильной связи. Все эти технологии обеспечивают конвергенцию сетей связи с
коммутацией каналов и коммутацией сообщений и обеспечивают взаимодействие с транспортными сетями, базирующихся на различных
технологиях.
На линиях связи внедряются волновое уплотнение
WDM cо скоростями передачи от 2,5 до 10 Гбит/с и поляризационное уплотнение.
Существенные изменения происходят и в элементной базе применяемой аппаратуры и в системах управления. На станциях появились многочисленные компьютеры, чувствительность которых к
внешним воздействиям может быть велика. Создаются системы контроля за работой компьютеров. На старых зданиях АТС монтируются базовые станции сотовой связи с установкой антенн на крыше,
что существенно изменяет защищенность станций и подключенных
кабелей от ударов молнии и других электромагнитных воздействий.
В мировой практике для такого рода объектов используется зонный
метод построения молниезащиты.
В последнее время в России наметилась тенденция массового 
строительства дачных и элитных загородных малоэтажных поселков в пригородных зонах вблизи промышленных и культурных

Введение
5
центров и интенсивного развития сетей доступа в них. Воздействие
грозовых разрядов в пригородной зоне с малоэтажной застройкой
существенно отличается от воздействия в сельской местности, в городе или в области с многоэтажной застройкой и развитой сетью
коммуникаций.
Таким образом, можно констатировать, что применяемый на
линиях связи спектр частот увеличился во много раз, чувствительность элементной базы (новых транзисторов и интегральных схем)
к внешним воздействиям возросла и как следствие этого уровень
опасности вырос.
Ухудшение электромагнитной обстановки на объектах связи
произошло, во-первых, вследствие насыщения АТС компьютерной
техникой и аппаратурой на современной элементной базе, которая
устанавливается в старых зданиях АТС, имеющих недостаточную
защиту от внешних полей, не рассчитанную на чувствительное электронное оборудование; во-вторых, вследствие установки в зданиях
АТС оборудования сотовых станций, антенны которых существенно повышают подверженность станций воздействию грозовых разрядов, и, в-третьих, вследствие значительного расширения спектра
передаваемых частот.
Расширение спектра частот привело как к
увеличению числа влияющих объектов, так и к взаимным помехам внутри линий и расширению спектра влияния. Происходящее
на наших глазах внедрение на сетях волнового уплотнения CWDM,
DWDM и HDWDM, увеличение скорости передачи до 40 Мбит/с и
более совершенно меняют представление о низкочастотных проводных линиях связи.
Расширение применения разнообразных электро- и радиоприборов, увеличение их мощности, расширение применяемого спектра
частот, увеличивающееся применение чувствительной микропроцессорной техники обостряет проблемы электромагнитной совместимости. Еще два десятка лет назад связисты более всего опасались
прямых ударов молнии в кабельные и воздушные линии связи и
влияния на линии связи токов короткого замыкания высоковольтных линий электропередачи, а также выхода из строя подключенной
аппаратуры, которая повреждалась волнами напряжения и тока, набегающими при этом с линии. По мере развития техники влияние
внешних электромагнитных полей чрезвычайно расширилось. Существенные открытия сделаны в изучении молнии. Оказалось, что
наряду с большим током и сильным электромагнитным полем молния генерирует гамма-излучение, которое может быть опасным для
оптических кабелей, особенно при прокладке в горах. Произошла и
продолжается микроминиатюризация элементной базы, увеличивается ее чувствительность к внешним воздействиям. Современные

Введение
здания с установленной аппаратурой связи насыщены микропроцессорами, вычислительными устройствами и компьютерами, весьма чувствительными к внешним электромагнитным воздействиям.
Высотные здания в городах являются объектами воздействия внешних атмосферных электромагнитных полей, которые существенно
отличаются по амплитуде и форме от воздействий на малоэтажные
объекты.
В связи с насыщенностью зданий чувствительной аппаратурой
и повышением уровня электромагнитных полей изменились правила оборудования защитных заземлений. Согласно современным
воззрениям, защитные заземления нужно делать до или во время
строительства здания, а не после. Усилилось внимание к электростатическим разрядам, возникающим в помещениях с современной
пластиковой отделкой. Появились полностью диэлектрические оптические кабели связи, воздействия на которые грозовых разрядов
носит совершенно другой характер по сравнению с электрическими
кабелями, а именно: происходит поворот плоскости поляризации
распространяющейся по волокну световой волны, что при волновом уплотнении и высокой скорости передачи может вызвать сбои
в передаче сигналов. Наконец, проведенные в последние годы исследования позволили выявить новые характеристики параметров
молнии и даже новые атмосферные электрические явления.
Необходимо обратить внимание на еще один факт, изменяющий
оценку опасности грозовых воздействий. Если раньше при передаче сигналов в основном применялась коммутация каналов, то теперь часто применяется коммутация пакетов и сообщений, причем
передача разных частей одного и того же документа может осуществляться по различным линиям и даже различным направляющим
средам передачи. Часть сообщения может быть передана по электрическому кабелю, другая часть по оптическому, что-то по спутниковой линии или беспроводному радиодоступу, причем абоненты
этого могут и не знать, а маршрут передачи может зависеть от времени. Пакеты независимо маршрутизируются и восстанавливаются
в должном порядке у получателя. Вероятность воздействия грозовых разрядов и других электромагнитных источников на каждой из
этих линий и защищенность различны.

Основные источники внешних
электромагнитных воздействий
1.1. Грозовые разряды
1.1.1. Возникновение грозы. Распространенность гроз
на земном шаре. Оценка интенсивности грозодеятельности
Грозовые разряды продолжают оставаться основным источником сильных импульсных воздействий электромагнитного поля на
установки связи. Несмотря на то что молния исследуется уже более
200 лет, многие процессы при образовании молнии остаются неясными. За последние годы в исследовании молнии был сделан значительный прогресс. По характеру возникновения грозы могут быть
тепловые и фронтальные. Тепловая гроза носит локальный характер, и возникает обычно в холмистой местности или в предгорьях. При нагреве склона холма солнцем теплый воздух устремляется
вверх (рис. 1.1), а на его место затекает холодный воздух, при этом
в области соприкосновения холодного и теплого воздуха происходит
конденсация влаги.
С точки зрения электростатики Земля представляет собой шар,
заряженный отрицательно.
На высоте примерно 60...70 км находится ионизованный слой атмосферы (иногда называемый слоем
Кеннели–Хивисайда), заряженный положительно. Этот слой появляется в результате ультрафиолетового излучения Солнца. Таким
образом, возникают шаровой конденсатор и электрическое поле, направленное от ионизованного слоя к поверхности Земли. Это так
называемое «поле ясной погоды» (рис. 1.2).
Напряженность поля у поверхности Земли находится в пределах 30...120 В/м, однако мощность поля мала и вреда живым организмам оно не приносит, но зато играет существенную роль в формировании грозового облака. Капли в стремительно восходящем потоке воздуха электризуются, дробятся, захватывают имеющиеся в воздухе свободные электроны. Тяжелые положительные ионы оседают
к поверхности Земли. В результате образующееся облако, как правило, особенно в нижней части, имеет отрицательный заряд. Возни

Г л а в а 1

 Поле ясной погоды

 Появление восходящих потов воздуха с конденсацией влаги
кает направленное от земли к облаку электрическое поле, которое
может достигать нескольких сотен кB/м и под действием которого
начинается злектрический разряд между облаком и землей.
Кроме тепловых гроз наблюдаются грозы фронтальные, когда
в определенном направлении вторгаются большие массы воздуха и
на фронте двигающейся волны одновременно возникают грозы на
большом пространстве. Интенсивность гроз на земном шаре распределена неравномерно, но обычно она увеличивается (в северном
полушарии) с севера на юг (по направлению к экватору) и от побережья моря вглубь континента. Наименьшая грозодеятельность
в нашей стране наблюдается на берегах Ледовитого океана, нибольшая — в предгорьях Кавказа. В мире наиболее высокой грозодеятельностью отличается юго-восточная Азия.
1.1.2. Развитие грозового разряда. Форма, амплитуда
и крутизна импульсов тока
Процесс развития разряда от облака по направлению к земле
начинается в точках, где величина поля максимальна. Разряд состоит из нескольких стадий, причем то, что в обыденной жизни
называется молнией, является только одной из стадий, причем не
самой длительной. При большой напряженности поля начинается
ионизация молекул в нижней части облака и возникают лавины зарядов, которые, объединяясь, порождают стримеры, направленные
в сторону земли.
Образуется канал (лидер), движущийся по направлению к земле. Особенностью лидера является его прерывистость. В развитии лидера участвуют ударная волна и термоионизация молекул, поэтому лидер продвигается к земле ступенями. Продвинувшись на несколько десятков метров, лидер останавливается
и только по прошествии нескольких десятков микросекунд движение вновь восстанавливается. Развитие последующих ступеней происходит аналогично, поэтому он и получил название ступенчатого
лидера.

Основные источники внешних электромагнитных воздействий
9
Иногда от основного канала ответвляются в стороны новые ветви, которые в дальнейшем могут послужить основой для разветвленного удара молнии одновременно в несколько различных точек
на поверхности Земли. В канале лидера образуется плазма, и из
облака в канал начинает стекать отрицательный заряд. Вследствие ступенчатости и относительно медленного продвижения лидера к земле (средняя скорость ступенчатого лидера примерно равна
0,15 м/мкс) ток в канале невелик и составляет несколько десятков
ампер.
При достижении лидером земли происходит короткое замыкание с положительным зарядом на поверхности и начинается главная
стадия разряда молнии, заключающаяся в нейтрализации отрицательных зарядов лидера и примыкающих частей облака, сопровождаемая выделением энергии, ярким свечением и разогревом канала до нескольких тысяч градусов. Нагретые в объеме канала газы
расширяются со сверхзвуковой скоростью, что является причиной
грома. Эта часть молнии характеризуется большим током, достигающим десятков и даже сотен килоампер, и сопровождается сильным
магнитным полем, ярким свечением канала и звуковыми эффектами.
Скорость развития главного разряда достигает порядка сотни м/мкс, так что длительность главного разряда составляет всего
несколько десятков микросекунд, тогда как длительность лидерной
стадии может составлять тысячи микросекунд.
После протекания главного разряда канал молнии остается еще
некоторое время ионизованным и проводящим, и по нему могут
развиваться повторные разряды. Период угасания может длиться
несколько десятков миллисекунд. В это время по каналу протекают
длительные остаточные токи порядка нескольких десятков ампер.
При каждом разряде молнии разряжается лишь часть заряда облака, поэтому по одному и тому же каналу могут возникать повторные
разряды. Как уже говорилось, разветвленность разряда может возникать уже на лидерной стадии, но иногда к моменту повторного
разряда канал в своей нижней части может развалиться и дальнейшее развитие разряда пойдет по другому пути.
Как видим, из общей длительности молнии в несколько десятков и даже сотен миллисекунд главная стадия, сопровождаемая
большим током, занимает всего пару сотен микросекунд, но именно она привлекала наибольшее внимание исследователей вследствие возможных серьезных последствий при протекании большого
тока главного разряда. Этот ток представляет собой кратковременный всплеск большой амплитуды, сопровождаемый ярким свечением канала и звуковыми эффектами. Эта стадия и ассоциировалась
обычно с ударом молнии.
Однако в последние годы в изучении

Г л а в а 1
молнии были сделаны удивительные и сенсационные открытия, в
особенности в изучении лидерной стадии. Оказалось, что в процессе ее развития генерируется рентгеновское и γ-излучение большой
энергии. Было обнаружено, что рентгеновское и γ-излучение возникали в виде дискретных интенсивных всплесков синхронно с образованием шагов лидера, однозначно демонстрируя, что источник
рентгеновского излучения тесно связан со ступенчатым процессом.
Было доказано также, что возможны удары молнии, направленные
от облаков вверх в ионосферу. Эти удары сопровождаются возмущениями ионосферы и электромагнитными, в том числе оптическими излучениями, которые получили название спрайтов (эльфов).
Спрайты (призраки) — это распределенные на площади в несколько
квадратных километров заряды, образующиеся при разрядах между облаком и ионосферой.

 Форма тока главной стадии разряда молнии
Длительность главного разряда
составляет сотни микросекунд, тогда
как лидерная стадия длится десятки
миллисекунд и составляет большую
часть времени разряда молнии. Форма протекающего по каналу тока показана на рис. 1.3.
После начала нейтрализации наступает главная стадия разряда. За
короткое время примерно 1 мкс (это
время называется временем фронта τф) ток достигает десятки килоампер и затем медленно спадает. Чтобы не зависеть от точности применяемых приборов, под длиной волны τв импульса молнии
обычно понимают длительность до точки, в которой ток уменьшается до половины своего максимального значения. Иногда это время
называют длительностью полуспада.
Фронт тока молнии обычно составляет 1...3 мкс, а длительность
полуспада от 20 до 100 мкс. Форма импульса тока молнии может
быть представлена аналитически как разность двух экспонент. Например, при фронте 2 мкс, длительности полуспада 50 мкс и амплитуде тока молнии Im, кА, волна может быть записана в виде
I(t) = Im
e−at −e−bt
m
,
где a = 0,0138 1/мкс; b = 1,6248 1/мкс; m = 1,037. Время t в мкс.
На эту форму волны в реальных условиях могут быть наложены
высокочастотные колебания с частотой до нескольких МГц малой
амплитуды.
За время главного разряда успевает разрядиться только часть