Объединенная система передачи электроэнергии и оптических сигналов

 

Объединенная надземная система передачи электроэнергии и оптических сигналов содержит верхние электрические фазовые провода, протягивающиеся между башнями и поддерживаемые ими, и по крайней мере один оптический кабель, который протягивается между башнями и поддерживается ими. Каждый оптический кабель имеет резистивный элемент, который подвижно поддерживается кабелем и протягивается от башни, где он заземлен, на части пути вдоль пролета оптического кабеля. Резистивный элемент имеет длину и проводимость такие, что если возникает сухая зона на кабеле в конце элемента, то разность потенциалов через эту зону является недостаточной, чтобы сформировать дуговой разряд, и/или такие, что наведенный ток является недостаточным, чтобы поддерживать любой дуговой разряд, который может возникнуть через сухую зону. Обеспечена устройчивость к дуговому разряду. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к оптическим кабелям, которые поддерживаются на протяжении системы посредством башен (вышек), столбов или других вертикальных опор, которые также применяются, чтобы поддерживать электрические силовые кабели.

В системах такого вида общепринятой практикой является заземлять оптический кабель или кабели на башнях, столбах или других опорах (в дальнейшем упоминаемых просто как башни). Когда линии электроэнергии находятся под нагрузкой, на оптическом кабеле могут наводиться емкостным способом электрические токи, обусловленные распределенной емкостью между кабелем и силовыми линиями. Напряжение, наведенное (индуцированное) на оптическом кабеле, будет достигать максимума в середине пролета между башнями, в то время как ток, текущий по кабелю, будет самым большим в области башен. При сухих условиях наведенные токи будут относительно маленькими из-за относительно высокого продольного сопротивления кабеля, например, порядка 10¹² Ом·м^-1, но при влажных (сырых) условиях, когда поверхностное сопротивление кабеля намного ниже, например, порядка 10 МОм·м^-1, будут наводиться (индуцироваться) намного более высокие токи. Нагрев джоулевым теплом (омический нагрев) поверхности кабеля наведенными токами может стать причиной высыхания короткого участка поверхности кабеля, обычно в области башни, где ток самый высокий. Когда это случается, основная часть наведенного на кабеле напряжения падает на короткой сухой зоне (полосе) из-за ее высокого продольного сопротивления, и может возникать так называемый "дуговой разряд сухой зоны", который может вызывать серьезное повреждение кабеля.

Можно преодолеть проблему дугового разряда по сухой зоне на оптическом кабеле, обеспечивая кабель продольно протягивающейся электропроводящей дорожкой (чертой). Однако оптический кабель, имеющий такую электропроводящую дорожку, имеет тот недостаток, что существуют значительные проблемы безопасности, которые следует учитывать при монтировании между башнями надземной (высотной) линии передачи электроэнергии, находящейся под нагрузкой, ввиду опасности касания с одной из линий передачи; кроме того, не всегда возможно или желательно прерывать передачу электроэнергии, осуществляемую посредством надземной линии передачи электроэнергии (линии электропередачи) в течение времени, достаточного чтобы позволить смонтировать такой оптический кабель.

Предлагалось, например, в описании европейского патента N 214,480 применять кабель, имеющий резистивный элемент и линейное сопротивление от 10⁷ Ом·м^-1 до 10¹² Ом·м^-1. Однако такие системы имеют (среди прочих) те недостатки что электрические свойства резистивного элемента могут изменяться со временем из-за старения, загрязнения, натяжения кабеля и т.п. и в результате терять эффективность.

Также предлагалось, например, в описании европейского патента N 403.285 включить резистивную насадку на оптическом кабеле, примыкающую к башне, для того, чтобы уменьшить дуговой разряд на кабеле и нагрев джоулевым теплом. Однако такие насадки не устраняют появление устойчивого дугового разряда сухой зоны.

В упомянутом выше патенте также предлагались объединенная система передачи электроэнергии и оптических сигналов, содержащая фазовые провода и по крайней мере один оптический кабель, протянутые между башнями и поддерживаемые ими, при этом на каждом оптическом кабеле на части его длины вдоль пролета от башни установлен резистивный элемент и резистивный элемент, выполненный с возможностью установки на оптическом кабеле, свободно протянутом между башнями объединенной системы передачи электроэнергии воздушной линии и оптических сигналов и поддерживаемом ими.

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается объединенная надземная система передачи электроэнергии и оптических сигналов, включающая верхние электрические фазовые провода, протягивающиеся (простирающиеся) между башнями и поддерживаемые ими и, по крайней мере, один оптический кабель, который протягивается между башнями и поддерживается ими, или каждый оптический кабель, имеющий резистивный элемент, который подвижно поддерживается кабелем и который протягивается от башни на части пути вдоль пролета оптического кабеля; резистивный элемент, который заземляется на башне и имеет линейную проводимость, которая значительно больше, чем продольная проводимость кабеля при сухих условиях, так, чтобы любой наведенный емкостным способом ток отводился в землю резистивным элементом; резистивный элемент, который имеет длину и проводимость такие, что если возникает сухая зона на кабеле на конце элемента, то разность потенциалов (V_b', V_зоны') на этой зоне недостаточная, чтобы сформировать дуговой разряд, и/или такие, что наведенный ток является недостаточным, чтобы поддерживать любой дуговой разряд, который может возникнуть через сухую зону.

Система в соответствии с изобретением имеет то преимущество, что можно в значительной степени устранить явление устойчивого дугового разряда сухой зоны. Это достигается частично на основании того факта, что элемент сдвигает точку, в которой мог бы быть сформирован любой дуговой разряд сухой зоны вдали от башни, в положение, в котором наведенные емкостным способом токи являются относительно низкими. Кроме того, напряжение на конце резистивного элемента может быть достаточно увеличено (емкостной связью с фазовыми проводами и вследствие наведенных токов, текущих через него) для того, чтобы предотвратить дуговой разряд, сформированный на любой сухой зоне, которая может возникнуть, и резистивный элемент будет действовать как сопротивление (резистор) между дуговым разрядом и землей, и таким образом ограничивать ток любого дугового разряда до значения, которое не может поддерживать дуговой разряд. Кроме того, при необходимости резистивный элемент может быть удален, например, когда его электрические свойства изменились из-за старения и/или загрязнения, и может быть заменен.

Преимущественно резистивный элемент может быть смонтирован на оптическом кабеле путем размещения одного его конца на кабеле и вдвигая элемент вдоль кабеля с башни. Такой элемент и такой способ монтажа дает возможность выполнять работы с элементом во время его удаления и замены относительно безопасности с башни даже тогда, когда линии передачи электроэнергии находятся под нагрузкой. Таким образом элемент, например, может быть достаточно гибким, чтобы его сматывать при транспортировке на башню, но быть достаточно жестким для того, чтобы его просто можно было полностью протолкнуть по кабелю, как только его конец и любое промежуточное место на нем вкладываются в кабель.

В качестве примера мог бы подойти прут диаметром от 2 до 10 мм, предпочтительно диаметром от 4 до 6 мм, и главным образом диаметром 5 мм (стеклопласт) с модулем гибкости (упругости) от 20 до 50 ГПа, предпочтительно от 30 до 45 ГПа, и главным образом приблизительно 40 ГПа.

Предпочтительно резистивный элемент имеет достаточную длину, такую, что когда на кабеле в конце элемента образуется сухая зона, напряжение в конце элемента растет (благодаря емкостной связи элемента с фазовыми проводами и благодаря току, текущему через элемент) достаточно для того, чтобы предотвратить формирование устойчивого дугового разряда через сухую зону. Таким образом, соответствующим выбором проводимости резистивного элемента и его длины можно уменьшить напряжение, возникающее в любой сухой зоне, до значения, которое недостаточно для формирования устойчивого дугового разряда, и уменьшить ток, который может течь через любой дуговой разряд, до значения, которое недостаточно для поддержания дугового разряда. На практике элемент будет иметь длину по крайней мере 20 м, предпочтительно по крайней мере 40 м, но не более 100 м, и главным образом не более 60 м.

Когда резистивные элементы имеют длину такого порядка величины, каждый из них будет протягиваться вдоль кабеля по значительной части пролета кабеля, например, от 10 до 30% пролета, но не будет протягиваться по средней части пролета кабеля.

Из-за того, что оптические кабели склонны к тому, чтобы иметь более низкий модуль (гибкость) и вес, чем у фазового провода, они склонны смещаться поперечно в большей степени, чем фазовые провода при сильном ветре, и таким образом, могут передвинуться в область высоких электрических полей. Если кабель обеспечивается проводником или полупроводником по всей его длине, его потенциал будет существенно отличаться от потенциала фазового провода на протяжении всего пролета между башнями, так что в результате при сильном ветре может возникать коронный разряд. Существует даже возможность того, что кабель может приблизиться к фазовому проводу настолько, что может возникнуть короткое замыкание (пробой) между фазовым проводом и кабелем, которое может автоматически отключить энергоснабжение.

Однако благодаря тому, что в системе в соответствии с настоящим изобретением, область середины пролета кабеля является диэлектрической (изолирующей), и таким образом, допускается повышение его наведенного напряжения до напряжения фазовых проводов, возможность возникновения коронного разряда в области середины пролета кабеля уменьшается. К тому же любое столкновение кабеля с любыми фазовыми проводами в области середины пролета не будет производить повреждающих (разрушающих) токов.

Резистивный элемент должен иметь линейную проводимость, которая значительно больше, чем продольная проводимость оптического кабеля при сухих условиях, предпочтительно, чтобы проводимость была по крайней мере в 100 раз выше, чем у кабеля, так, чтобы любой наведенный емкостным способом ток отводился бы в землю резистивным элементом, а не оболочкой кабеля. Обычно элемент должен иметь линейное сопротивление не более 2 МОм·м^-1 и более предпочтительно не более чем 500 КОм·м^-1, но линейное сопротивление по крайней мере 200, и главным образом по крайней мере 300 КОм·м^-1.

Резистивный элемент может быть сформирован из любых материалов, которые традиционно применяются для изготовления таких полупроводниковых изделий, например, из пластмасс, насыщенных углеродом, или нетканых лент, насыщенных углеродом. Преимущественно элемент формируется из пластмассового материала, который включает электропроводные волокна, содержащие углерод. Такие волокна могут быть сформированы частичным пиролизом полимера, например, сополимеров полиакрилонитрила или акрилонитрила, имеющих содержание - акрилонитрила по крайней мере 85 молярных процентов и сополимеров (PAN - полиакрилонитрил) до 15 молярных процентов. Такие волокна могут иметь содержание углерода от 65% до 92%, предпочтительно менее 85%, и содержание азота в диапазоне от 5 до 20%, предпочтительно от 16 до 20%. Тросы из углеродсодержащего волокна, подходящие для использования в настоящем изобретении, коммерчески доступны, например, от фирмы R.K.Technololgies Ltd Heaton Morris, Stockport, Chesire, Соединенное Королевство Великобритания.

С другой стороны, изобретение обеспечивает резистивный элемент, который может быть монтирован съемным образом на оптическом кабеле, который протягивается свободно между башнями объединенной системы передачи электроэнергии и оптических сигналов и поддерживается ими, упомянутый элемент включает совокупность средств для поддержания элемента на оптическом кабеле, которые делают возможным скольжение элемента по кабелю, и имеет длину и проводимость такие, что при употреблении, если на кабеле возникает сухая зона в конце элемента, то разность потенциалов через зону является недостаточной, чтобы сформировать дуговой разряд, и/или такие, что наведенный ток является недостаточным, чтобы поддерживать любой дуговой разряд, который может возникнуть через сухую зону.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых: фиг. 1 изображает принципиальную схему известного полностью диэлектрического оптического кабеля и линии передачи электроэнергии, показывающую распределенные емкости; фиг. 2 изображает графическое представление наведенного на оптическом кабеле напряжения и тока при сухих условиях; фиг. 3 изображает графическое представление наведенного на оптическом кабеле напряжения и тока при влажных условиях без сухой зоны; фиг. 4 изображает схематический вид известного оптического кабеля, на котором образовалась сухая зона; фиг. 5 изображает схематический вид части оптического кабеля с действующим совместно резистивным элементом в соответствии с настоящим изобретением; и фиг. 6 показывает наведенные токи и напряжения в системе в соответствии с изобретением.

Фиг. 1 иллюстрирует известный "полностью диэлектрический самоподдерживающийся (независимый)" (ADSS) оптический кабель 1, который поддерживается между парой башен, которые применяются также и для того, чтобы поддерживать электрический силовой кабель 2. Кабель ADSS 1 поддерживается на башне посредством металлического зажима или насадки 4, которая заземляется посредством башни. В этой системе распределенная емкость между оптическим кабелем 1 и фазовыми проводами, из которых показан один провод 2, обозначена эквивалентными (приведенными) емкостями С₁, а распределенная емкость между оптическим кабелем 1 и землей обозначена эквивалентными емкостями С₂. Кроме того, кабель имеет большое, но конечное продольное сопротивление, обозначенное эквивалентным сопротивлением R.

При сухих условиях на кабеле возникают наведенные напряжения (V_d, V_сух) и токи (I_d, I_сух), как изображено на фиг. 2. Наведенное напряжение является наивысшим в середине пролета, обычно достигая значения до 30 кВ на линии с 400 кВ, и опускается до потенциала земли на башне, в то время как ток будет максимальным на башне, например, имея значение до 100 микроампер (0,1 миллиампер). При влажных условиях продольное сопротивление оптического кабеля значительно ниже, так что в итоге максимальное напряжение (V_w, V_влаж на оптическом кабеле ниже, но наведенный ток (I_w, I_влаж) значительно повышается до типичного значения - от 0,1 мА до 10 мА, как изображено на фиг. 3.

При этих условиях, как изображено на фиг. 4, на кабеле 1 может образоваться сухая зона 6 типичной длины 50 мм в области зажима 4 на башне вследствие нагрева джоулевым теплом поверхностной воды на кабеле. В результате почти все наведенное напряжение падает на этом участке кабеля, и в этой точке может возникнуть дуговой разряд с последующим повреждением оболочки кабеля. Если существует достаточная разность потенциалов, чтобы запустить дуговой разряд, то он будет устойчивым только если имеется достаточный ток, чтобы поддерживать дуговой разряд (порядка 0,5 мА).

Фиг. 5 схематически изображает часть башни 10 объединенной системы передачи оптических сигналов и электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением, которая включает полностью диэлектрический оптический кабель 1, протягивающийся от кабельного зажима 4 на башне. Резистивный элемент 12 в виде полужесткого прута, который имеет ряд хомутиков 14, распределяющихся по его длине приблизительно через каждые 400 мм. Прут поднимается на верх башни 10 в вертикальном направлении, изгибается на башне в направлении, параллельном оптическому кабелю 1, и укрепляется на кабеле посредством концевого хомутика 14. Прут достаточно гибкий, чтобы его можно было изогнуть на башне, но достаточно жесткий, для того, чтобы его можно было протолкнуть по кабелю от башни в направлении стрелки, чтобы полностью развернуть его по кабелю. По мере того как (как только) каждый из хомутиков 14 приближается вплотную к кабелю, он зажимается на кабеле, и элемент проталкивается далее по нему. Хомутики могут быть электропроводными или полупроводящими, или даже электрически изолирующими, так как элемент 12 будет связан емкостным способом с оптическим кабелем 1 гораздо в большей степени, чем с фазовыми проводами, ввиду близости элемента и оптического кабеля. Когда элемент 12 полностью разворачивается, его присоединяют к кабельному зажиму 4 для того, чтобы заземлить ближайший конец элемента. Чтобы удалить резистивный элемент, шаги его монтажа просто выполняются в обратном порядке.

Поскольку элемент подается в пролет, ток будет течь к земле по его длине. По этой причине желательно обеспечить наземный путь между элементом и заземлением, расположенным в точке на элементе в области башни, но на расстоянии от которого находятся на башне монтажники, чтобы его не касаться.

Фиг. 6 схематически изображает башню 10 системы и ту часть оптического кабеля 1, которая протягивается от башни до середины пролета. Другие элементы системы, такие как ее фазовые провода, опущены ради ясности. Кроме того, наведенные емкостным способом напряжения и токи изображены графически в том же самом горизонтальном масштабе как для системы в соответствии с настоящим изобретением, так и для известной системы.

Во влажных условиях наведенное напряжение V_w падает, и наведенный ток I_w увеличивается по направлению к башне так же, как изображено на фиг. 3, что вызывает нагрев джоулевым теплом и образование сухой зоны в части кабеля, смежной с башней в известной системе (точка А). Как только образуется сухая зона, все наведенное напряжение V_b (V_зоны) падает на сухой зоне так, что наведенное напряжение имеет форму V_Wband, в результате может сформироваться дуговой разряд. Как только дуговой разряд сформируется, распределение напряжения возвращается к кривой V_w (наведенное напряжение во влажных условиях), и дуговой разряд поддерживается относительно высоким значением наведенного тока (кривая I_w) в точке A.

В системе в соответствии с настоящим изобретением при влажных условиях наведенные напряжение и ток будут иметь ту же самую форму (V_w и I_w). Если сухая зона образуется на части кабеля, смежной с башней, то резистивный элемент ограничит падение напряжения через сухую зону до значения, значительно меньшего, чем требуется для формирования дугового разряда (ток 1 мА, протекающий через 500 КОм·м^-1, дает только 25 В на 50 мм). Однако сухая зона все еще может формироваться дальше конца резистивного элемента (точка B), после чего распределение наведенного напряжения изменится на то, которое изображено кривой V'_Wband. В этом случае напряжение V'_b, которое падает на той части зоны, которая находится дальше конца резистивного элемента, значительно меньше, чем V_b вследствие того, что напряжение на конце резистивного элемента V_SE' значительно повышается (например, на 10 кВ), частично благодаря емкостной связи между резистивным элементом и фазовыми проводами, и частично благодаря наведенному току, текущему по резистивному элементу. Не только уменьшается падение напряжения через упомянутую часть сухой зоны, дальше конца резистивного элемента, но также наведенный ток в точке В значительно меньше, чем в точке A, так что в результате дуговой разряд не может поддерживаться. Если сопротивление на единицу длины элемента выбрано подходящим образом, тогда можно избежать нагрева джоулевым теплом. Например, сопротивление = 500 КОМ·м^-1 и ток = 1 мА дают мощность 0,5 Вт·м^-1, которая недостаточна для нагрева элемента или влаги на кабеле. Таким образом, образование одиночной (отдельной) сухой зоны посредством положительной обратной связи путем увеличения сопротивления по мере высыхания снаружи также исключается. Это является дополнительным достоинством изобретения.

Тот факт, что элемент отделен от кабеля, и находится не под оболочкой (покрытием) кабеля, увеличивает его способность рассеивать тепло. Это снижает эффект нагрева джоулевым теплом и позволяет проводить более высокие токи без вредных эффектов нагрева.

В типичной системе распределения энергии, действующей на 400 KB, использующей башню типа L6 со схемами с симметрично расположенными фазами ABCABC в том месте, которое обычно предпочитается для подвешивания полностью диэлектрических самоподдерживающихся кабелей ADSS, т.е. посередине между четырьмя фазовыми проводами нижней части кабель ADSS может иметь напряжение 35 KB, приложенное в середине пролета, которое является достаточным для формирования дугового разряда сухой зоны. В условиях, где загрязнение является таким, что поверхностное сопротивление кабеля составляет 500 КОм·м^-1, может течь наведенный ток около 2.5 мА, достаточный, чтобы сделать возможным формирование устойчивого дугового разряда в сухой зоне и вызвать постепенное разрушение кабеля. Однако, если система в соответствии с изобретением включает резистивный элемент длиной 50 метров с линейным сопротивлением 300 КОм·м^-1, то напряжение (V'_b), имеющееся на конце элемента, подходящее для образования дугового разряда в сухой зоне, снижается до 19 KB, а ток до 0.8 мА. Если линейное сопротивление элемента составляет 400 КОм·м^-1, то падение напряжения V'_b становится равным 16 KB, а наведенный ток - 0.6 мА, в то время как если линейное сопротивление элемента составляет 500 КОМ·м^-1, падение напряжения V'_b становится равным 13 KB, и наведенный ток - 0.5 мА.

Формула изобретения

1. Объединенная система передачи электроэнергии и оптических сигналов, содержащая фазовые провода и по крайней мере один оптический кабель, протянутые между башнями и поддерживаемые ими, при этом на каждом оптическом кабеле на части его длины вдоль пролета от башни установлен резистивный элемент, отличающаяся тем, что резистивный элемент заземлен на башне, подвижно установлен на оптическом кабеле и имеет линейную проводимость, которая больше, чем продольная проводимость оптического кабеля при сухих условиях для обеспечения отвода в землю любого наведенного емкостным путем тока, при этом длина и проводимость резистивного элемента обеспечивают при возникновении сухой зоны на оптическом кабеле на конце резистивного элемента недостаточную для формирования дугового разряда разность потенциалов и/или недостаточный для поддержания любого дугового разряда через сухую зону наведенный ток.

2. Объединенная система по п.1, отличающаяся тем, что резистивный элемент имеет достаточную длину для предотвращения формирования дугового разряда при формировании сухой зоны на оптическом кабеле за концом резистивного элемента.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что резистивный элемент имеет длину по крайней мере 20 м.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что резистивный элемент имеет длину по крайней мере 30 м.

5. Система по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что резистивный элемент имеет длину не больше 60 м.

6. Объединенная система по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что резистивный элемент установлен на оптическом кабеле посредством множества поддерживающих элементов для обеспечения скольжения резистивного элемента вдоль кабеля с башни, при этом один конец резистивного элемента размещен на кабеле.

7. Система по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что резистивный элемент имеет линейное сопротивление, которое меньше, чем линейное сопротивление оптического кабеля во влажных условиях.

8. Система по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что резистивный элемент имеет линейное сопротивление в диапазоне от 200 КОм · м^-1 до 10 МОм · м^-1.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что линейное сопротивление резистивного элемента находится в диапазоне от 300 до 500 КОм · м^-1.

10. Резистивный элемент, выполненный с возможностью установки на оптическом кабеле, свободно протянутом между башнями объединенной системы передачи электроэнергии и оптических сигналов и поддерживаемом ими, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью съемной установки на оптическом кабеле и содержит поддерживающие средства для обеспечения его скольжения вдоль оптического кабеля, причем имеет длину и проводимость, обеспечивающие при возникновении сухой зоны на оптическом кабеле на конце резистивного элемента недостаточную для формирования дугового разряда разность потенциалов и/или недостаточный для поддержания любого дугового разряда через сухую зону наведенный ток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6