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Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

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[1] Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto Utentefpalone » 18 apr 2021, 19:23

Ciao a tutti,
scrivo nella speranza di chiarirmi un po' le idee su come modellizzare un'interazione tra segnali trasmessi su fibre ottiche e fulminazioni.

Nello specifico, il problema che sto affrontando riguarda le funi di guardia di elettrodotti aerei che vengono usate per supportare delle fibre ottiche (OPGW - OPtical Ground Wires), da anni utilizzate sia per gli scopi di teleprotezione e telecontrollo della rete elettrica, sia per scopi commerciali: in pratica molte fibre ottiche che costituiscono la dorsale per la trasmissione dati internet sono ospitate nelle funi di guardia degli elettrodotti.

OPGW.gif
OPGW.gif (14.54 KiB) Osservato 937 volte


Ovviamente, la fune di guardia è lì per uno scopo ben preciso: intercettare le fulminazioni che altrimenti cadrebbero sui conduttori di fase. Questo non ha finora impedito che le OPGW svolgessero bene il loro lavoro: in effetti la fibra ottica è in materiale isolate, quindi non ci dovrebbero essere interazioni... o no?!?
Con la recente entrata in servizio di nuove tecnologie per l'aumento della velocità di trasmissione dei dati, qualche problema inizia ad emergere.
Ho capito che il principale problema è legato alla rotazione del piano di polarizzazione della luce all'interno delle fibre ottiche, dovuta a fenomeni di fulminazione.
Quando un fulmine colpisce una fune di guardia, da luogo ad un'onda elettromagnetica, che si propagano dal punto di impatto ad una velocità circa pari a quella della luce.
L'onda di tensione e l'onda di corrente sulla fune di guardia possono essere approssimativamente considerate tra loro proporzionali; il loro rapporto è l'impedenza d'onda della fune di guardia, che vale attorno ai 400 \Omega.

In via del tutto generale, la corrente di fulmine iniettata nel punto di impatto può essere espressa come il "solito" doppio esponenziale:

I(t)=I_{p} \cdot (e^\frac{-t}{\tau_1}-e^\frac{-t}{\tau_2})

dove il valore di picco della corrente varia da pochi kA fino alle centinaia di kA e le costanti di tempo dei fronti di salita e discesa sono tipicamente circa pari a pochi us ed alcune decine di us.

Considerando che il modo di propagazione dell'onda di fulmine non introduca distorsione ma solo attenuazione (1), è possibile stimare il valore dell'onda di corrente, in funzione del tempo trascorso t e della distanza s dall'impatto del fulmine.

I(t,s)=I_{p}\cdot e^{-s \cdot k_a} \cdot \left (e^\frac{-t+s/c}{\tau_1}-e^\frac{-t+s/c}{\tau_2} \right ) \cdot H \left ( t- \frac{s}{c} \right )

con k_a a rappresentare la costante di attenuazione (nell'ordine del km^-1) e H a rappresentare la funzione gradino unitario di Heavyside.
Purtroppo, per via della cordatura dei fili che costituiscono la fune di guardia, la corrente di fulmine da luogo nel nucleo della OPGW, dove ci sono le fibre ottiche, ad una componente assiale di campo magnetico che possiamo considerare (1) proporzionale alla corrente stessa:

B(t,s)= k_m \cdot I(t,s)

per via dell'effetto Faraday, questo campo magnetico causa una rotazione del piano di polarizzazione della luce, proporzionale al campo magnetico, alla lunghezza del tratto interessato ed alla costante di Verdet.

\beta = \nu \cdot B \cdot d

faraday.JPG

Rapide variazioni di beta possono provocare un disservizio temporaneo ossia l'interruzione del traffico dati sulla fibra ottica.

Scusandomi per l'introduzione prolissa, arrivo ad esporre il mio problema (ed il mio dubbio).
Dovendo valutare l'angolo (e la sua derivata nel tempo) ad un estremo della linea (dove sono installati gli apparati di trasmissione), ad una distanza L dal punto di impatto, trascurando l'attenuazione del segnale ottico nella fibra, è sufficiente andare ad integrare nella lunghezza l'angolo beta?

\beta_L(t) =  \int_{0}^{L} k_m \ I(t,s) \cdot \nu  \cdot ds

Ho il forte sospetto che non sia corretto: in che modo devo tenere in conto del fatto che anche il segnale ottico nella fibra ha una sua velocità di propagazione, di circa 1/3 inferiore rispetto a quella dell'onda di corrente di fulmine?



(1) queste ipotesi sarebbero superabili, ma si complicherebbe la trattazione: visto che non è questo il problema che mi affligge, per ora preferisco conservarle.
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[2] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto UtenteSparafucile » 19 apr 2021, 8:23

Ciao Foto Utentefpalone,
non conosco il sistema guardia di elettrodotti aerei e non posso immaginarmi la via della corrente. Potresti chiarirla (la via) nel primo disegno. Così potrò immaginarmi l'interazione fra il campo magnetico e la luce nelle fibre ottiche.
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[3] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto UtenteSediciAmpere » 19 apr 2021, 8:34

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[4] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto Utentefpalone » 19 apr 2021, 16:36

Sparafucile ha scritto:Ciao Foto Utentefpalone,
non conosco il sistema guardia di elettrodotti aerei e non posso immaginarmi la via della corrente. Potresti chiarirla (la via) nel primo disegno.

Salve Foto UtenteSparafucile,
ecco un tentativo con Fidocad (non sono un artista...).
In sostanza la corrente di fulmine si propaga lungo la fune di guardia; il modo dominante di propagazione è quello tra la fune di guardia ed il terreno, che ha un'impedenza caratteristica nell'ordine dei 400 Ohm, subendo un'attenuazione importante dovuta alle perdite per effetto joule e per effetto corona.
In corrispondenza dei tralicci, si hanno fenomeni di riflessione e rifrazione, in quanto la corrente trova una possibile via di richiusura tramite l'impedenza d'onda del traliccio (circa 200 Ohm) ed in serie la resistenza di terra del traliccio (nell'ordine delle poche decine di Ohm).
Con riferimento alla figura 1, la corrente circola, per effetto pelle, sulla periferia dei fili esterni, che sono realizzati in acciaio rivestito di alluminio (alumoweld).


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[5] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto UtenteSparafucile » 19 apr 2021, 17:57

Grazie, Foto Utentefpalone! Ora mi pare che ho capito.

Dal ultimo disegno segue che la corrente corre in parallelo alle fibre ottiche. Quindi il campo magnetico (la induzione magnetica) sarà orientato perpendicolare alla direzione di propagazione della luce. Questa circostanza non consentirà l'effetto di Faraday (vedi il tuo disegno secondo).

Ovviamente, di nuovo c'è qualcosa che non capisco.
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[6] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 19 apr 2021, 19:11

Io mi occupo di manutenzione di linee di trasmissione tra cui quelle in Fo da circa 30 anni.
La mia società non ha che io sappia cavi posati in fune di guardia.
Ne hanno principalmente Wind da circa 20 anni che si sappia.
Non sapevo della esistenza di questa problematica.
Nei cavi in trincea non dovrebbe succedere.
Ma se ruota il piano di polarizzazione non dovrebbe succedere nulla a mio avviso.
Il problema potrebbe essere che nella fibra vengono sparate diverse lunghezze d'onda(canali di funzionamento ) e questo evento perturba la loro separazione(intermodulazione probabilmente ) .
Come una intermodulazione causata dalla distorsione di un amplificatore(per capirci ).
In questo campo invece sono anche le attenuazioni non lineari a dare problemi.
È proprio una attenuazione con forti return loss che di solito causa i maggiori problemi su questo tipo di mezzo di trasmissione.
È capitato che una fibra stressata meccanicamente che perdeva soli 8-10 dB di attenuazione impedisse completamente il collegamento.
Questo come dicevi anche tu coi sistemi di qualche anno fa non succedeva.
Se partiva una lunghezza d'onda a 1550 nm e di la arrivava 1300 nm nessuno se ne accorgeva.
In Dwdm nella finestra 1550 ci sono mi sembra attualmente in esercizio sistemi a 32 canali.
Prova a cercare "scattering attenuation fiber optic" probabilmente trovarai parecchio materiale.
Ciao
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[7] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto UtenteGioArca67 » 19 apr 2021, 19:26

Attento, c'e' qualcosa che non va.
se continui cosi' ti ritrovi con velocita' superiori a quella della luce....

io credo che per valutare l'effetto peggiore la si debba integrare al punto di impatto su una lunghezza significativa (es. dal fronte al tempo in cui cala al 10% del valore di picco) dell'impulso di fulmine con B determinata sulla base della geometria della fune data dalla cordatura per individuare la sua componente in direzione parallela alla fibra ottica.

Questo perche' ritengo che sostanzialmente il fascio luminoso attraversi il campo magnetico che si crea in corrispondenza dell'impulso di fulmine e questo non e' di estensione infinita: ovvero immagina per un momento di essere in un riferimento solidale con il fulmine, hai quindi un campo magnetico attraversato dal fascio luminoso (situazione nella figura esplicativa del fenomeno di rotazione di Faraday) questo campo ha una certa estensione spaziale (la d in figura) presumibilmente grande quanto l'impulso che l'ha generato.

Ora, man mano che l'impulso "cammina" si modifica come da formula ma andra' ad influire solo localmente (su altre porzioni dal segnale luminoso) quindi integrare fra 0 e L non mi pare indicato.

Immagina al contrario di essere solidale con l'onda elettromagnetica del fascio luminoso, ad un certo punto senti una sberla che ti ruota di un certo angolo, non vieni ruotato quando l'impulso ancora non e' arrivato e quando e' gia' passato non continui a ruotare poiche' non c'e' piu' la causa scatenante. Dopo un po' ti viene addosso il ricevitore che ti si aspettava con un certo angolo e tu invece sei storto e quindi ti rasa per bene...
RX_ERROR (ci siamo persi qualche miliardo di bit, vabbeh tanto lavoriamo in best effort)

sperando di non aver detto troppe stupidate.
vabbeh ora torno ai rele passo passo da pilotare con un rele ordinario :mrgreen:
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[8] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 19 apr 2021, 20:12

Il fatto che la modulazione di fase possa provocare effetti sulla frequenza potrebbe essere un altro spunto da seguire.
I bit non si perdono se il sistema è correttamente ridondato.
Poi ora c'è la ritrasmissione.
Ciao
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[9] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto Utentefpalone » 19 apr 2021, 21:22

Sparafucile ha scritto: Questa circostanza non consentirà l'effetto di Faraday (vedi il tuo disegno secondo).

Il punto è che i fili di alumoweld sono cordati: quindi una parte della corrente, piuttosto che "saltare" da un filo all'altro adiacente, percorre i fili nel senso della loro lunghezza, generando una componente assiale del campo magnetico, come in un solenoide.

stefanopc ha scritto:Ne hanno principalmente Wind da circa 20 anni che si sappia.

Sì, è proprio questa, per chi non lo sapesse, la genesi di Wind: nasce da un progetto di ENEL di fine anni '90: per questi motivi storici continua ad utilizzare molte OPGW (oltre che per gli altri indubbi vantaggi di manutenibilità e resilienza).
stefanopc ha scritto:se ruota il piano di polarizzazione non dovrebbe succedere nulla a mio avviso

da quello che ho letto, il problema non è la rotazione, ma la velocità di rotazione, ossia la derivata dell'angolo di polarizzazione. Appunto da qui il mio dubbio: integrare nello spazio (lungo lo sviluppo lineare della fibra) l'angolo di polarizzazione e derivare nel tempo sarebbe corretto?
#-o
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[10] Re: Fulminazioni e fibre ottiche - effetto Faraday

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 19 apr 2021, 21:41

Purtroppo stai parlando con un ignorante in matematica.
So cosa sono ma di sicuro non ti posso aiutare analiticamente.
Concettualmente dovresti valutare i fenomeni che dicevamo.
Dispersione in frequenza causa attenuazione non lineare, causa modulazione di fase e naturalmente dispersione nel tempo (tipo jitter) .
Tra l'altro non sono un esperto specialmente in ambito teorico.
Non escludo neppure di avere detto un paio di castronerie. :mrgreen:
Ciao
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