Оптический присоединенный кабель ( OPAC ) — это тип оптоволоконного кабеля , который устанавливается путем присоединения к основному проводнику вдоль воздушных линий электропередач . Система крепления может быть разной и может включать обмотку, крепление или зажимание оптоволоконного кабеля к основному проводнику. Установка обычно выполняется с использованием специализированного оборудования, которое перемещается по основному проводнику от столба к столбу или от башни к башне, оборачивая, зажимая или зажимая оптоволоконный кабель на месте. У разных производителей разные системы, а монтажное оборудование, конструкции кабелей и аппаратные средства не являются взаимозаменяемыми.
Хотя системы скрепленных кабелей и системы с зажимами исследовались как способ крепления оптоволоконных кабелей к воздушным линиям электропередачи, кабели с обмоткой были первым разработанным типом и являются единственным типом, который широко используется в настоящее время.
Системы обернутых кабелей были разработаны независимо в Великобритании (SkyWrap) и Японии (GWWOP) в 1980-х годах и широко использовались, [1] [2] [3] с установками на всех континентах, кроме Антарктиды. Благодаря лицензированию и независимой разработке системы обернутых кабелей также поставлялись французскими, итальянскими, немецкими и российскими компаниями.
Процесс установки обернутых кабелей включает в себя прохождение барабана кабеля вокруг и вокруг основного проводника, когда несущее устройство перемещается по пролету. Для установки на основных проводниках в пределах 10 м от земли (воздушные линии среднего или низкого напряжения) можно вручную вытащить оберточную машину из земли под линией. Однако, как правило, требуется радиоуправляемый блок питания с использованием батарей или бензинового двигателя, когда основной проводник находится на высоковольтной линии электропередачи. Обернутые кабели могут быть применены к заземляющим проводам (заземляющим проводам, экранирующим проводам) на линиях электропередачи и к фазным проводам на линиях передачи, субпередачи или распределения.
SkyWrap является наиболее успешным примером OPAC и используется вместе с более привычными оптоволоконными кабелями, такими как OPGW и полностью диэлектрический самонесущий кабель (ADSS), для построения сетей связи для предприятий электроэнергетики. [4]
Общее обозначение Международной электротехнической комиссии (МЭК) и IEEE для присоединенного кабеля — «OPAC». [5] OPAC может использоваться в том же смысле, что и номенклатура «OPGW» и «ADSS». OPAC относится конкретно к волоконно-оптическим кабелям и конкретно к установкам, где главный проводник является частью системы электроснабжения. Установки, использующие металлические кабели (коаксиальные или медные телефонные кабели) или несущие провода в качестве главного провода, не охватываются термином OPAC.
Термин "Ground-Wire Wound Optical cable" (GWWOP) иногда используется для описания оптоволоконных кабелей с обмоткой для установки на линиях электропередач. [6] и может быть торговой маркой, принадлежащей Furukawa Electric of Japan. Русскоязычное описание технологии обернутого кабеля - "ОКНН" (оптоволоконного кабеля неметаллического навивной) [7] ( на английском: OCNN = Optical Cable, Non-metallic, coiling or wrapping ( Navivnoj )). Французскоязычный термин - "Câble Optique Enroulé" (COE)
Название «SkyWrap» является одним из трех связанных брендов, введенных FOCAS в 1990 году для описания своей волоконно-оптической кабельной продукции, используемой при строительстве сетей связи электростанций, другие — SkyLite OPGW и SkySpan ADSS. [8] Когда AFL приобрела FOCAS в 2000 году, бренды SkyLite и SkySpan были упразднены, но SkyWrap продолжал использоваться. До 1992 года бренд был Rayfos . Название Rayfos принадлежит Raychem Corporation, [9] которая разработала технологию перед продажей ее FOCAS. Rayfos — это название- гибрид, образованное от «Raychem» и «fibre optic system».
Технология обернутого оптоволоконного кабеля была разработана независимо в Великобритании и Японии в начале 1980-х годов. В Великобритании компания Raychem Ltd имела опыт работы с полимерными материалами , устойчивыми к воздействию высокого напряжения ; например, они использовались в термоусаживаемых кабельных концевых муфтах на 33 кВ и в полимерных изоляторах . [10] Первоначальная разработка включала полностью диэлектрический оптоволоконный кабель с оболочкой из материала, устойчивого к трекингу. [11] Первая установка была выполнена на воздушной распределительной линии на 33 кВ между подстанциями в Хартли и Гоудхерсте в Кенте , Великобритания, в декабре 1982 года. Выбор линии на 33 кВ указывает на ожидаемый рынок для этой технологии — строительство сетей связи по местным распределительным линиям, когда линии передачи и субпередачи должны были быть оснащены OPGW . В течение следующих пяти лет установки были выполнены в Норвегии, Новой Зеландии, США, Индии, Германии, Франции и Финляндии общей протяженностью около 180 км как в установках заземляющих проводов , так и в установках фазных проводов , а также на распределительных и передающих линиях. Raychem продала технологию обернутого оптоволоконного кабеля Cookson Group plc в 1987 году. Дочерней компанией Cookson Group была FOCAS Limited, которая завершила разработку и коммерциализировала продукт как SkyWrap, поставив более 16 000 км клиентам в более чем 30 странах. FOCAS была приобретена AFL в 2000 году [8]
В Японии компания Furukawa Electric Company разработала продукт, специально предназначенный для установки на заземляющий провод линий электропередачи, и это было отражено в названии: оптический кабель с обмоткой заземления. Первая установка была выполнена в 1985 году на линии электропередачи 275 кВ, принадлежащей Chubu Electric Power , и включала в себя дистанционно управляемое тяговое устройство и самокомпенсирующийся противовес на оберточной машине. [12] Обе эти технологии необходимы для успешной установки обернутого кабеля на заземляющий провод длиннопролетных высоковольтных линий электропередачи.
К 1995 году на рынок обернутых кабелей вышли несколько других компаний: [13] в Европе British Insulated Callender's Cables (BICC) (в Великобритании) представила продукт под названием Fibwrap, а дочерняя компания Alcatel IKO Kabel из Швеции продавала GWWOP по лицензии Furukawa. В Японии разработка GWWOP стала совместным усилием Sumitomo Electric Industries , Hitachi Cables , [14] Furukawa Electric и Fujikura , [6] и каждая из 4 компаний поставляла свои собственные немного отличающиеся системы обернутых кабелей для энергоснабжающих организаций на внутреннем японском рынке. BICC также имела технологическую лицензию от Furukawa, но провела обширную работу по разработке, чтобы сделать продукт подходящим для европейского рынка: BICC перепроектировала кабель для использования технологии свободной трубки и, таким образом, обеспечила среду нулевой деформации для оптических волокон при всех рабочих условиях воздушной линии; тяговая и оберточная машина были перепроектированы для снижения общей нагрузки на проводник в процессе установки. Это включало использование легкого (но очень дорогого) кабельного барабана из углеродного волокна для максимизации длины кабеля при фиксированном весе полезной нагрузки. Будучи производными от GWWOP, обе системы BICC и Alcatel были ограничены установками заземляющего провода , а установки фазного провода не проводились.
Новая технология обмотки была разработана российской компанией Teralink [15] в начале 2000-х годов. Машина для обмотки является самобалансирующейся, при этом полезная нагрузка в виде оптоволоконного кабеля удерживается на паре барабанов, расположенных по обе стороны от основного проводника и, следовательно, по обе стороны от оси машины. Кабель окупается с одного барабана на протяжении 100-150 м, затем с другого барабана и т. д., попеременно переключаясь между барабанами. Барабаны никогда не выходят из равновесия более чем на 2 кг, и машина не требует внешней системы противовеса. Это делает машину меньше, чем другие конструкции оборудования для обмотки, а полезная нагрузка составляет большую долю от общего веса. Два конструктора могут вручную разместить машину с полным барабаном кабеля на проводе.
Вторая российская компания, Scientific Innovations, в середине 2000-х годов представила более традиционную конструкцию упаковочной машины с одним барабаном оптоволоконного кабеля и противовесом. Есть несколько записей об успешных установках с использованием этого оборудования.
Окончательные коммерческие разработки систем обернутых кабелей произошли во Франции примерно в 2005 году, когда RTE, национальная компания по передаче электроэнергии, начала устанавливать значительное количество оптоволоконных кабелей, включая OPGW и обернутые кабели. Два французских подрядчика, Transel (часть группы Bouygues ) и Omexom ( компания Vinci SA ), независимо друг от друга разработали свои собственные системы обернутых кабелей (известные как câble optique enroulé (COE) на французском языке) для участия в этой программе. Ни одна из систем не имела названия продукта, отличного от COE , и не продавалась за пределами Франции. Обе системы были сняты с производства примерно в 2010 году после установки в общей сложности около 1000 км обернутых кабелей для RTE.
Существуют три основных технологических требования к системе обернутого кабеля: волоконно-оптический кабель с характеристиками, подходящими для установки на воздушной линии электропередачи; устройство для выполнения операции обертывания ( оборудование для обертывания ) и соответствующее оборудование для стабилизации и завершения установки.
Оптоволоконный кабель в оболочке должен обладать следующими характеристиками:
Эти характеристики уникальны для OPAC и означают, что кабели с обмоткой проектируются и производятся специально для данного применения: обычные волоконно-оптические кабели не могут использоваться для монтажа кабелей с обмоткой.
Требования к запасу по деформации, как правило, благоприятствуют конструкциям кабелей с использованием нескольких свободных трубок. Конструкции кабелей с плотным буфером не обеспечивают достаточного запаса по деформации, а производительность передачи оптического волокна ухудшается при сильном ветре, обильном обледенении и при высоких температурах. В кабелях, основанных на конструкции с одной свободной трубкой, оптические волокна имеют слишком большую свободу движения вдоль оси кабеля. Следовательно, механическая энергия в виде вызванной ветром вибрации основного проводника заставляет оптические волокна постепенно двигаться «вниз по склону», позволяя избыточной длине волокна собираться в нижней точке пролета. Это неравномерное распределение избыточной длины волокна ухудшает оптические характеристики кабеля с увеличением оптического затухания при низких температурах в относительно переполненных секциях трубки в середине пролета и при высоких температурах, где волокна находятся под напряжением на высоких секциях вблизи опор. Эти проблемы усугубляются на более длинных пролетах.
Теплостойкость является важной частью конструкции обернутого кабеля. Проводники на воздушных линиях подвержены двум различным источникам сильных температурных скачков: удару молнии и току короткого замыкания . Удары молнии вызывают большое и внезапное повышение температуры проводника (от температуры окружающей среды до более 200 °C менее чем за 40 мкс ), за которым следует экспоненциальное падение в течение десятков секунд обратно до температуры окружающей среды. Количество энергии, преобразованной в тепло при ударе молнии, может быть достаточным для расплавления нескольких жил в многожильном проводнике. Токи короткого замыкания, как правило, создают более длительное время нарастания ( мс , а не мкс) до несколько более низких температур (обычно ниже 200 °C) и с более длительным временем затухания. Чтобы справиться с этими температурами, оболочка обернутого волоконно-оптического кабеля должна быть изготовлена из высокотемпературного материала или должна быть сшита для предотвращения плавления. Поставщики будут проводить испытания своего кабеля, чтобы продемонстрировать, что он может выдержать ряд ударов молнии или эпизодов тока короткого замыкания.
Монтажная машина переносит барабан с оптоволоконным кабелем вдоль основного проводника на воздушной линии, пропуская барабан вокруг и вокруг проводника. Машина разматывает кабель с контролируемым натяжением и обматывает кабель вокруг основного проводника с шагом спирали около 1 метра. Обмоточная машина может тянуться вручную с помощью троса с земли или может быть самоходной и радиоуправляемой. Движущая сила может обеспечиваться бензиновым двигателем или аккумуляторной батареей. Движущая сила может быть встроена в обмоточную машину или может быть отдельным блоком. Отдельные блоки часто называют «буксир» или «вытягиватель», и они имеют то преимущество, что два небольших блока оборудования легче перемещать на вершине башни или столба, чем один большой блок.
Конструкция упаковочного оборудования варьируется от поставщика к поставщику, и нет единого мнения относительно идеальной конструкции. Некоторые поставщики имеют более одного типа упаковочной машины, причем различные типы машин подходят для различных классов воздушных линий. [16] [17] [18] [19]
Самым важным ограничением для конструкции оборудования для обмотки является общий совокупный вес оборудования и полезная нагрузка кабеля. Этот вес прикладывается к воздушной линии во время установки обмотки, поэтому основной проводник и его опоры должны быть способны выдерживать дополнительную нагрузку во время процесса установки. Типичным ограничением является то, что натяжение основного проводника не должно увеличиваться более чем на 50% от его номинальной прочности на разрыв во время установки обмотки. Могут применяться и другие ограничения, такие как изгибающие нагрузки на траверсе или консольная нагрузка на опорном изоляторе. Обычно, когда установки выполняются в благоприятных погодных условиях, нагрузки на воздушной линии находятся в пределах, установленных допусками для экстремальных погодных явлений.
Этот порог веса брутто является существенным ограничением для конструкции систем обернутого кабеля, поскольку он фактически ограничивает длину оптического кабеля, который может быть установлен в виде одного куска. Более длинные кабели добавляют вес тремя способами: барабан с кабелем тяжелее, поскольку он содержит больше кабеля; противовес тяжелее, чтобы уравновесить более тяжелый барабан; машина должна быть больше и прочнее, чтобы выдерживать возросшие нагрузки и противостоять возросшим силам, возникающим при обертывании более тяжелого барабана. Небольшие увеличения длины кабеля становятся значительными из-за этого эффекта «тройного удара».
Общий вес (общий вес) монтажной машины состоит из: кабельного барабана и кабеля; механизма обмотки; движущей силовой установки; механизма управления натяжением и системы противовеса. Все эти отдельные компоненты необходимы, но некоторые компоненты могут быть объединены для повышения эффективности конструкции. Например, конструкции, использующие электродвигатели, как правило, используют аккумуляторную батарею как часть системы противовеса. Противовесы требуются для двух отдельных целей: для противодействия вращающему моменту упаковочной машины и для балансировки полезной нагрузки кабельного барабана.
Поворотный момент возникает из-за того, что обмоточная машина пропускает тяжелый барабан с кабелем вокруг оси машины, чтобы обмотать волоконно-оптический кабель вокруг основного проводника. Это движение достигается с помощью редуктора, который преобразует линейное перемещение обмоточной машины вдоль проводника во вращательное движение держателя барабана. Сила перемещения барабана в одном направлении (например, по часовой стрелке вокруг проводника) вызывает результирующую силу, действующую на машину в противоположном направлении, заставляя обмоточную машину вращаться вокруг своей собственной оси (в данном примере против часовой стрелки). Эффект трения от захвата машиной проводника может использоваться для противодействия этому в некоторой степени, но на практике этого недостаточно, и требуемая устойчивость может быть достигнута только за счет наличия относительно большого груза, жестко подвешенного под проводником из невращающейся части обмоточной машины. Двигательный блок тяжелый, имеет хорошее сцепление с проводником и поэтому часто используется для обеспечения необходимой устойчивости. Для канатных машин без двигательного блока для достижения того же эффекта используется отдельный «килевой груз».
Во время операции обмотки центр вращения оборудования лежит вдоль оси основного проводника.
Большинство конструкций упаковочных машин несут один барабан кабеля на одной стороне машины и поэтому требуют противовеса на противоположной стороне для обеспечения боковой устойчивости. Как минимум, противовес регулируется на каждом столбе или башне, чтобы отразить уменьшенный вес полезной нагрузки в конце каждого пролета. Более сложные конструкции упаковочных машин имеют автоматически регулируемые противовесы, которые поддерживают равновесие на протяжении всего пролета, поскольку кабельный барабан становится все легче. Обычно это достигается путем организации перемещения противовеса внутрь к оси машины по мере ее движения вперед. Такие устройства необходимы для пролетов длиной более 250–300 м. В идеале центр тяжести вращающейся части упаковочной машины должен всегда лежать на оси основного проводника. Центр тяжести всей упаковочной машины всегда будет находиться ниже оси основного проводника.
Существуют конструкции самобалансирующихся упаковочных машин, использующих два барабана с кабелем, расположенных по одному с каждой стороны оси машины: устройство Teralink (Россия) подает один кабель, предварительно намотанный на 2 барабана. [15] Машина AFL (Великобритания/США) может быть настроена на одновременную обмотку 2 кабелей с пары барабанов, чтобы достичь удвоения обычного количества волокон.
Системы обернутых кабелей включают несколько уникальных элементов оборудования, которые требуются для крепления оптоволоконного кабеля к проводнику, для защиты кабеля при прохождении над или вокруг опорных столбов и башен воздушной линии, а также для контроля эффектов электрического поля в установках на фазных проводах. Каждый поставщик имеет собственные конструкции для этих элементов, и нет никакой общности или взаимозаменяемости оборудования между системами.
Существует два варианта систем обернутых оптоволоконных кабелей для установки на воздушных линиях электропередач: они различаются по природе основного проводника . Когда основным проводником является фазный провод , один из проводников, по которому проходит электрический ток в электросети, изолятор фаза-земля требуется в каждом месте, где обернутый кабель выходит из проводника. Изолятор фаза-земля (PTG) представляет собой устройство, которое обеспечивает электрическую изоляцию, одновременно обеспечивая оптическую непрерывность. Это означает, что к оптоволоконному кабелю и соединительным муфтам на заземленной стороне PTG можно получить доступ и безопасно работать, даже если воздушная линия находится под напряжением до полного напряжения системы. Более простая система предназначена для установки на заземляющем проводе (также известном как заземляющий провод или экранированный провод) воздушной линии. Поскольку заземляющие провода не находятся под напряжением во время эксплуатации, этот тип установки не требует изолятора фаза-земля.
Крепление использовалось как средство установки кабелей связи с тех пор, как этот процесс был разработан Bell Telephone Laboratories в конце 1940-х годов. Этот процесс обычно включает в себя крепление одного или нескольких медных телефонных кабелей, коаксиальных телевизионных кабелей или волоконно-оптических кабелей к предварительно установленному стальному несущему тросу с помощью стальной крепежной проволоки и устройства, называемого «спиннер» или «установщик». [20] Он используется для крепления этих типов кабелей к придорожным опорным линиям электропередач , и этот тип установки не охватывается термином OPAC. OPAC конкретно относится к волоконно-оптическим кабелям, прикрепленным к воздушным линиям электропередач, где главный проводник является частью воздушной системы электропередач. Привязанные кабели связи на заземляющем проводе или вспомогательном заземленном проводе устанавливались до середины 1980-х годов на нескольких линиях электропередач бывшей EVS (теперь EnBW) в Баден-Вюртемберге, Германия, и до сих пор используются на некоторых линиях.
Системы обернутых кабелей используются при построении телекоммуникационных сетей поверх прав прохода электростанций . Это привлекательная концепция для многих электростанций, поскольку это означает, что сеть связи находится под их собственным контролем и может быть адаптирована для удовлетворения их конкретных требований с подходящими характеристиками, такими как избыточность , задержка и пропускная способность . После создания сеть относительно недорога в эксплуатации по сравнению с арендной платой, ранее выплачиваемой телефонным компаниям. Сеть напрямую соединяется между эксплуатационными площадками электростанций, такими как электростанции , подстанции и трансформаторные площадки. Трафик связи обычно представляет собой смесь SCADA , другого эксплуатационного трафика, такого как телезащитная сигнализация , видеонаблюдение и мониторинг, и другого делового трафика, такого как голосовые каналы, межофисная связь и так далее. Поскольку оптоволоконные кабели обеспечивают очень высокую пропускную способность — гораздо больше, чем обычно требуется электростанциям, — многие электростанции могут получать доход от своих сетей связи, сдавая в аренду пропускную способность или запасные оптические волокна другим операторам, таким как компании мобильной связи или интернет-провайдеры .
Для установки на воздушных линиях электропередач были разработаны три различных типа волоконно-оптического кабеля: оптический заземляющий провод (OPGW), полностью диэлектрический самонесущий кабель (ADSS) и оптический прикрепленный кабель (OPAC). Каждый тип имеет разный набор свойств и поэтому лучше подходит для определенных обстоятельств. Кабели OPAC чаще всего используются, когда доступ к воздушной линии затруднен (например, в отдаленных районах или, наоборот, в густонаселенных городских районах ) или когда воздушная линия структурно слишком слаба, чтобы выдержать дополнительный вес кабеля ADSS.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )