Строительство ВОЛС на опорах ВЛ 220 КВ

Третья группа кабелей – подвесные неметаллические  оптические кабели, силовыми элементами которых являются арамидные нити и стеклопластик, который в свою очередь, может быть стержнем, а может  быть выполнен в виде центрального профилированного элемента. Такой вариант кабеля изображен на рисунке 3.7, б [6]. Оптический кабель с силовыми элементами из арамидных нитей стеклопластиковых стержней предлагается АО ВНИИКП и показан на рисунке 3.7, в [6].

Расчет подвесных оптических кабелей на максимально допустимую растягивающую нагрузку проводят на основе допустимой нагрузки на волокно (максимально допустимого удлинения волокна), которая выбирается каждым разработчиком кабеля, исходя из избыточной длины волокна в оптическом модуле и в некоторых случаях при использовании специально подобранных волокон дополнительно допустимой нагрузки на волокно. Так, фирма АТ&Т предлагает конструкцию кабеля, в котором волокно не удлиняется при удлинении кабеля до 1%. АО ВНИИКП допускает растягивающую нагрузку на кабель при его удлинении до 0,5% без удлинения волокна. При этом число арамидных нитей или сечение стеклопластиковых элементов выбирается из расчета допустимой нагрузки при заданном удлинении кабеля.

Недостатками  оптических кабелей 1-ой группы по сравнению с кабелями 2-ой группы являются их больший наружный диаметр из-за низкой степени заполнения стеклопластиковых элементов, меньшая гибкость, большая масса.

Защита оптического  сердечника кабеля и армирующих элементов  от влаги обеспечивается полимерными оболочками кабеля. Поэтому особенно актуальной является задача сохранения целостности наружной полиэтиленовой оболочки в течении всего срока службы кабеля. Известно, что под воздействием электрического поля и влаги происходит деградация полиэтиленовой оболочки кабеля [6], поэтому при условии выбора точки подвеса с минимальной напряженностью электрического поля подвесные неметаллические оптические кабели с оболочкой из обычного шлангового полиэтилена (в российском варианте ПЭ 153-10К) рекомендованы для подвески на линиях электропередачи напряжением до 110 кВ (для зарубежных линий 132кВ).

Таким образом, подвесные неметаллические оптические кабели имеют ограниченную область  применения. В последнее время  проведены работы по созданию материала для оболочки таких кабелей на основе полиэтилена, который имеет повышенную трекингостойкость (трекинг-образование на поверхности диэлектрика следов пробоя при воздействии электрического поля). Так фирмы Alcoa Fujikura и Siemens предлагают оптический кабель для подвески на линиях электропередачи напряжением 230 кВ при выборе точки подвеса с напряженностью не более 12 кВ. Фирма АТ&Т предлагает оптические кабели для подвески на линиях электропередачи напряжением 230 и 500 кВ с ограничением точек подвеса по напряжению не более 12 и 25 кВ соответственно. Следовательно, в настоящее время область применения подвесных неметаллических кабелей расширяется. Но при этом требуется проведение тщательных расчетов возможных воздействий на оболочку кабеля, а, возможно, и его дополнительных испытаний. Работы, проведённые в АО ВНИИКП по влиянию электрического поля на полиэтиленовую оболочку кабеля, показали, что наблюдается изменение надмолекулярной структуры полиэтилена при 1,75 кВ/cм. Вероятной причиной этих изменений может быть разогрев образца в ходе электрических испытаний до температуры примерно 60°С, вследствии чего вероятно ускоренное старение полиэтилена.

3.4 Оптические  кабели, предназначенные

для навивки  на провода и грозозащитные тросы

            Одним из наиболее дешевых видов передачи информации по ВЛ является передача сигнала по оптическому кабелю связи, навитому на фазовый провод или грозозащитный трос линии. Технологией навивки оптических кабелей на провода или тросы до настоящего времени занимались всего две фирмы в мире Furukawa Elektric CO LTD (Япония) и Focas Limited (США). И это объяснимо, так как фирмы владели устройством для навивки оптического кабеля на провода линий электропередачи. Этими фирмами предложены оптические кабели для навивки, как на грозозащитный трос, так и на фазовые провода.

Российская  фирма ОРГРЭС разработала и изготовила устройство для навивки оптического  кабеля на провода линий электропередачи (патентная заявка 93-017667/07) и в  настоящее время занимается отработкой технологии навивки оптического кабеля на грозозащитный трос ВЛ. Фирма Alcoa Fujikura LTD предложила оптический кабель для навивки с помощью устройства, разработанного фирмой ОРГРЭС.

Понятно, что  по техническим параметрам оптические кабели, предназначенные для навивки на трос, отличаются от кабелей, предназначенных для навивки на фазовые провода. При навивке кабеля на фазовый провод следует учитывать максимально допустимую температуру проводника, которая определяется максимальной температурой нагрева фазового провода или троса. Так по российским стандартам для стального троса допустимая температура нагрева при токе короткого замыкания 400°С, рабочая температура определяется температурой окружающей среды как максимально, так и минимально возможной для конкретного района подвески. Для сталеалюминиевого троса и фазовых проводов допустимая температура нагрева при токе короткого замыкания 200°С. Таким образом, по температурному режиму навивка оптического кабеля на фазовые провода или сталеалюминиевые тросы более предпочтительна. При этом следует учитывать, что при навивке на трос возможны удары грозовых разрядов, которые также могут приводить к повреждению оптического кабеля.

Однако, как  и в случае подвески неметаллических  оптических кабелей на линиях электропередачи, при навивке на фазовый провод необходимо учитывать влияние электрического поля на оболочку кабеля, которая может быть подвержена эрозии в результате действия градиента поля и влаги. Кроме того, при навивке оптического кабеля на фазовый провод необходимо применять такой способ крепления кабеля на опоре, при котором будет невозможна утечка тока на землю.

По конструктивному  решению навивные оптические кабели принципиально не отличаются от неметаллических  подвесных оптических кабелей и  соответственно к ним должны предъявлятся те же требования по надёжности их механических и оптических параметров. При этом кабели данного типа должны иметь минимальный диаметр и массу.

На рисунке 3.8,а представлена типовая конструкция  оптического кабеля навивного типа, предлагаемого фирмой Fokas Limited [6]. В конструкции кабелей этой фирмы предусмотрена свободная укладка волокна в полимерной трубке (loose tube), в качестве силовых элементов используются стеклопластиковые стержни. Расчётная разрывная нагрузка кабелей составляет

30 – 45 кгс, при этом масса кабелей колеблется от 20 – 59 кг/км, диаметр кабелей изменяется от 5,3 до 8,1мм. По стойкости к температуре кабели различаются: при навивке на фазовый провод кабель должен выдерживать максимальную температуру 300⁰С, при навивке на грозозащитный трос – 200⁰С.

На рисунке 3.8,б представлена типовая конструкция  кабеля, предложенная фирмой Furucawa Electric CO LTD для навивки на трос [6]. Растягивающая нагрузка кабелей этой фирмы колеблется от 100 до 200кгс при диаметре кабелей 3 – 4мм, диапазон рабочих температур от –20⁰С до 150⁰С. кабель выдерживает воздействие электрического поля при сырой погоде до 150 кВ/м.

Конструкция кабеля для навивки на трос и фазные провода, предложенная фирмой Alcoa Fujikura LTD, показана на рисунке 3.8,б [6]. Длительно приложенная растягивающая нагрузка для кабелей этой фирмы лежит в пределах от 45 до 60кгс, допустимая кратковременная растягивающая нагрузка для составляет 90 – 120кгс, масса кабелей соответственно изменяется от 28 до 59кг/км, диаметр кабелей составляет 4,6 – 6,6мм. материал оболочки кабеля этой фирмы способен выдерживать температуру до 220⁰С, а также устойчив к образованию трекинга. Фирма Alcoa Fujikura LTD готова поставлять кабель для навивки на стальной грозозащитный трос, который соответственно будет выдерживать температуру нагрева до 400⁰С.

Таким образом, в настоящее время представляется возможным в России проводить  работы по строительству оптических линий связи с помощью навивки  оптического кабеля на провода ВЛ.

 

3.5. Обоснование выбора типа оптического кабеля.

 

С позиции  технических требований, предъявляемых  к магистральным и внутризоновым  линиям передачи ВСС РФ, сегодня  наилучшими потребительскими свойствами обладают оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос [7]. Можно  отметить следующие преимущества ОКГТ:

• Высокая надежность (обрывы ОКГТ не превышают 0,05 – 0,1 случая на 100 км в год [8]);
• Защищенность оптических волокон от внешних электромагнитных влияний, так как ОКГТ экранирован одним или двумя слоями проволок;
• Большой срок службы (до 25 лет);
• Использование ОКГТ для создания ВОЛС на ВЛ 110– 500кВ.

В данном проекте  предусмотрена подвеска оптического  кабеля, встроенного в грозозащитный  трос, марки ОКГТ – МТ – 4 – 10/125 – 0,36/0,22 – 13,1 – 81/72 производства АОЗТ «Самарская оптическая кабельная компания», на существующих опорах действующей ВЛ 220кВ ПС Восточная – Заря.

В таблице 3.1 приведены основные параметры ОКГТ – МТ – 4 – 10/125 – 0,36/0,22 – 13,1 – 81/72.

Параметры	Значения
1	2
Количество  одномодовых оптических волокон	4
Коэффициент затухания, дБ/км, не более на длине  волны 1,31 мкм на длине  волны 1,55 мкм	0,36 0,22
Хроматическая дисперсия, пс/нм*км, не более на длине  волны 1,31 мкм на длине  волны 1,55 мкм	3,5 18
Разрывная нагрузка, кг, не менее	7200
Кратковременная максимально допустимая растягивающая нагрузка ( в течении 200ч за весь срок службы), кг, не менее	36500
Среднеэксплуатационная  растягивающая  Нагрузка, кг, не менее	1470
Модуль упругости  кабеля, кг/мм2, не менее	13214
Коэффициент термического удлинения кабеля, 1/0С, не более	16,0*10-6
1	2
Импульс тока короткого замыкания в течении  1 сек, кА, не  менее	9,1
Термическая стойкость к КЗ, кА2*0С	81
Номинальный наружный диаметр, мм	13,1
Номинальный вес, кг/км	540
Минимальный радиус изгиба, мм Во время прокладки После прокладки	340 250
Температурный диапазон, 0С	От –60 до +60

 

Конструкция ОКГТ – МТ – 4 – 10/125 – 0,36/0,22 – 13,1 – 81/72 представлена на рисунке 3.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет параметров оптического кабеля.

 

Основными параметрами  оптического кабеля являются:

    числовая апертура (NA), характеризующая эффективность ввода (вывода) световой энергии в оптическое волокно и процессы её распространения в оптическом кабеле;

     затухание  (a), определяющее дальность передачи по оптическому кабелю и его эффективность;

      дисперсия  (t), характеризующая уширение импульсов и пропускную способность оптического кабеля.

 

4.1 Расчёт числовой  апертуры и определения

режима работы оптического кабеля.

 

 Важнейшей характеристикой  световода является апертура NA, представляющая собой синус максимального угла падения лучей на торец световода, при котором в световоде луч на границу

“сердцевина – оболочка” падает под критическим углом q_кр. Числовая апертура характеризует эффективность ввода излучения в световод и рассчитывается по формуле:

NA= n_0*sinq_кр= n₀Ön²- n²,            (4.1)

 

где    NA – числовая апертура;

          n₀^_ показатель преломления окружающей среды (воздуха);

           q_кр- критический угол падения.

 

Если торец световода граничит с воздухом, то n₀=1. Для заданных показателей преломления n₁=1,4616 и n₂=1,46 найдём числовую апертуру по формуле 4.1

NA=Ö1,4616²-1,46²   = 0,068

 

  Режим работы оптического  волокна оценивается значением  обобщённого параметра, называемого  нормированной (безразмерной) частотой.

   Расчет нормированной частоты  производится по формуле: 

     n= 2Па/l*NA,        (4.2)

где  а - радиус сердцевины оптического  волокна, а=25 мкм;

       l- длина волны, l=1,31 мкм;

       NA-числовая апертура,   NA=0,068.

 

   n=2*3,14*5*10^-6/1,31*10^-6  *0,068=1,62

n=1,62>2,405- это означает, что режим работы оптического волокна одномодовый.

 

2. Расчет затухания оптического кабеля.

    Важнейшим параметром световода является затухание. Затухание сигналов в волоконном световоде ОК является одним из основных факторов, определяющих максимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без промежуточных регенераторов.

   Затухание световодных трактов  волоконно- оптических кабелей a обусловлено собственными потерями в волоконных световодах и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля, и определяется по формуле:

 

   a = a_с+ a_к                                     (4.3)