EuroWire March 2015

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Technischer artikel
März 2015 93
Spannung (proof test) in Verbindungen
stehen können, jedoch wird somit eine
bestimmte Ausfallwahrscheinlichkeit in
derselben Prüfung angenommen.
Dann wurden verschiedene
S p a n n u n g s k o r r o s i o n s p a r a me t e r
berücksichtigt sowie bei 50kpsi und
100kpsi geprüfte Faser, um zu zeigen, dass
deren Approximation eine angemessene,
zurückhaltende Methode war, um die
Langzeitzuverlässigkeit zu sichern.
Dieser Artikel war ein wichtiger Schritt
nach vorne für die Faserindustrie und
unterstützte die Tendenz die Faser
einzusetzen, die entsprechend den
aktuellen Niveaus geprüft wird.
Leider besteht eine Grundsatzannahme
zu der Fehlerverteilung des
Lichtwellenleiters, d. h. die Möglichkeit
eines Faserbruchs während des Proof-
Tests. Diese Wahrscheinlichkeit ist nicht
konstant und kann variieren für Fasern, die
unter verschiedenen Bedienungen oder
mit Einsatz unterschiedlicher Rohstoffe
hergestellt werden. Abbildung 1 zeigt eine
Kurve der Ausfallwahrscheinlichkeit für
Silizium-Fasern, die von einer Einrichtung
des Autors hervorgerufen wurde, mit
Einsatz einer 10m Messlänge, um die
Auswahl an festgestellten Fehlern in den
Lichtwellenleiter darzustellen.
Die Abbildung zeigt zwei Bereiche:
Bereich I (inhärente Festigkeit) und
Bereich II (äußere Festigkeit). Die Kurve
verdeutlicht die Hauptbereiche, die
gekennzeichnet werden müssen, um
die Langzeitzuverlässigkeit der Faser
vorauszusagen.
Bereich I ist der Bereich der hohen
inhärenten Festigkeit. Die erforschte Faser
zeigte die inhärente Festigkeit des Glases
bei ~4,6GPa, die wesentlich über die in
Telcordia GR-20 empfohlene Grenze von
3,1GPa liegt.
Die Festigkeitsprüfung bei kurzer
Messlänge in diesem Bereich kann
eingesetzt werden, um den n-Wert
festzulegen, der größer als 20 für die
erforschte Faser ist.
Die inhärente Festigkeit und die
n-Werte werden in der Regel von den
Endbenutzern spezifiziert, um die
Langzeitzuverlässigkeit des Kabels zu
sichern.
Leider spielt der äußere Teil, der
als Bereich II dargestellt wird, eine
wichtige Rolle bei der Kennzeichnung
der Langzeitzuverlässigkeit eines
Lichtleitkabels. Dieser Bereich enthält die
dem Proof-Test-Niveau näherstehende
Fehler und zwar im Abstand, der mehrere
Kilometer entfernt sein könnte.
Mit der Zeit kann dies zu Faserbrüchen
führen, wenn das Kabel gespannt bleibt.
Zum Verständnis dieses Bereichs werden
Informationen gefordert, die nur durch das
Messen vieler Kilometer Fasern gesammelt
werden können. Höhere Niveaus des
Proof-Tests werden einige der größeren
Fehler in der Faser beseitigen.
Dennoch ist der genaue Einfluss auf die
Zuverlässigkeit der Lichtwellenleiter
in einem verlegten Kabel schwer
zu bestimmen, ohne über weitere
Informationen der gesamten
Fehlerverteilung in der Faser zu verfügen.
Eine Möglichkeit zur entsprechenden
Darstellung könnte darin liegen,
ein Lichtleitkabel dem Proof-Test zu
unterziehen bei einem Niveau knapp bei
der inhärenten Festigkeit der Faser oder
um 3,8GPa (550kpsi).
Würde ein von diesem Versuch erzeugtes
1.000m Fasermuster einer Dauerspannung
von 110kpsi unterzogen, würde die Faser
wahrscheinlich in weniger als einem Tag
brechen, bzw. wesentlich früher als die
erwartete Lebensdauer von 40 Jahren.
Dieses Beispiel ist ein extremer Fall, hebt
aber die Bedeutung des Verständnisses
der komplexen Gleichungen hervor, die
die Zuverlässigkeit bestimmen.
4 Anleitung aus
dem technischen
IEC-Bericht über die
Zuverlässigkeit
Einer der derzeit angenommenen
Zuverlässigkeitsmodelle wurde von IEC
veröffentlicht[4].
Eine der im diesem Bericht angegebenen
Gleichungen wird benutzt, um die
Lebensdauer der Faser vorauszusagen – die
Lebensdauergleichung für Lichtwellenleiter
nach dem sie geprüft wurden (Proof-Test).
Dargestellt wird dies mit nachfolgendem
Ausdruck:
Wo:
tf die Zeit vor dem Fehler (Lebensdauer) ist
tp die Zeit des Proof-Tests ist
σ p die Spannung des Proof-Tests ist
σ a die angelegte Spannung ist
F die Ausfallwahrscheinlichkeit ist
Np die Bruchrate während des Proof-Tests
ist
L die Länge unter Spannung ist
md das Weibull m-Parameter von der
dynamischen Ermüdung ist
n der Spannungskorrosionsparameter ist
Der Ausdruck ist komplex, jedoch können
einige Beobachtungen erwähnt werden.
Abbildung 1 zeigt, je größer die
angelegte Spannung, desto größer die
Ausfallwahrscheinlichkeit. Demzufolge
ist der Term der Ausfallwahrscheinlichkeit
in der Gleichung, F, direkt mit dem Term
der angelegten Spannung, σa, verbunden
Die traditionelle Faustregel, die benutzt
wurde um 20 Prozent der Probespannung
als langzeitige maximale zugelassene
Spannung abzuleiten, nimmt an, dass
diese zwei Variablen unabhängig sind,
was aber nicht mit der Abbildung 1
übereinstimmt.
Hunderte Kilometer Fasern müssen
geprüft werden, um die Beziehung
zwischen der Ausfallrate und der
angelegten Spannung vollkommen zu
ergreifen.
Tabelle 1 liefert die Ergebnisse aus dem
Vergleich von drei Szenarien. Das erste ist
die mit 0,69GPa geprüfte Faser mit einer
Langzeitlast von 20 Prozent der geprüfte
Last (Proof-Test).
Bei der Erzeugung der Daten wurden
nachfolgende in der Gleichung 1
ausgetauschte Werte benutzt:
n d =20
md = 2,5
tp = 0,05/sec
Np = 1 Bruch alle 250km
Die Tabelle zeigt, dass ein Lichtwellenleiter,
der den obengenannten konservativen
Kriterien entspricht, angemessene
mechanische Leistungen für 0,69GPa bei
20 Prozent des Proof-Test-Niveaus zeigen
würde.
Ausfallwahrscheinlichkeit
von 1km
Lichtwellenleiter
Bei 0,69GPa
geprüfte Faser
bei 20 Prozent
Langzeitlast
Bei 0,69GPa
geprüfte Faser
bei 40 Prozent
Langzeitlast
Bei 1,38GPa
geprüfte Faser
bei 20 Prozent
Langzeitlast
1,0ppm pro km 1,600 Jahre 0.0 Jahre 530 Jahre*
1,0ppm pro 100km 16 Jahre 0.0 Jahre 5.3 Jahre*
* Die Ausfallrate variiert stark mit der Änderung der geprüften Werte (Proof-Test),
indem man von 0,69GPa auf 1,38GPa übergeht
▲
▲ Tabelle 1: Vergleich zwischen den Ausfallwahrscheinlichkeiten (1ppm Lebensdauer)