Warum werden an Hochspannungsleitungen vollständig metallfreie Glasfaserkabel verwendet?
In Hochspannungsleitungen und Stromtrassen werden vollständig nichtmetallische Glasfaserkabel (auch bekannt als All-Dielectric Self-Supporting Cables, kurz ADSS-Kabel) oder nichtmetallische Glasfaserkabel aus wichtigen Sicherheits-, physikalischen und ingenieurtechnischen Überlegungen eingesetzt. Die Hauptgründe dafür liegen in folgenden physikalischen und ingenieurtechnischen Prinzipien:
1. Kriechstromfestigkeit (Elektromagnetische Induktion) unter starken wechselnden elektromagnetischen Feldern
In der Nähe von Hoch- und Höchstspannungsleitungen (z. B. in 110\text{ kV}, 220\text{ kV} oder 500\text{ kV} Systemen) existieren extrem starke wechselnde elektromagnetische Felder.
Wenn Glasfaserkabel Metallkomponenten enthalten (wie z. B. Stahlkernverstärkungen, Metallmäntel oder feuchtigkeitsbeständige Aluminiumbänder):
- Metall wirkt als Leiter und erzeugt eine elektromotorische Induktionsspannung im räumlichen elektromagnetischen Feld, was zu einer Induktionsspannung von Hunderttausenden von Volt führt und ein Hochpotential zwischen der Metallschicht und der Erde (oder dem Strommast) erzeugt.
- Wenn die Oberfläche des Glasfaserkabels durch Staub, Salznebel, Regenwasser usw. in der Luft verschmutzt wird, sinkt sein Oberflächenwiderstand.
- Unter dem Einfluss der Induktionsspannung fließt ein schwacher Ableitstrom über die Kabeloberfläche, und es kommt zu einer Mini-Bogenentladung an diskontinuierlichen Trockenstellen (sogenannte „Trockenband-Bogenentladung“).
- Diese anhaltende, lokale, hochenergetische Entladung versengt den Außenmantel des Glasfaserkabels und verkohlt ihn allmählich zu einem baumartigen leitfähigen Kanal, der das Glasfaserkabel schließlich vollständig verbrennt und durchreißt. Dieses Phänomen wird physikalisch als Kriechstromfestigkeit (Electrical Tracking) bezeichnet.
The use of fully dielectric glass fiber cables, which do not contain any metal components, fundamentally eliminates the generation of induced potential differences and thus removes the hidden danger of tracking.
2. Vermeidung von Hochspannungsdurchschlägen und Überschlägen
Die Luftspalte und Isolationsabstände an Hochspannungsleitungsmaste sind präzise berechnet.
- Wenn Glasfaserkabel metallische Materialien enthalten, wird ein „Gleichpotentialkörper“ zwischen die Hochspannungsleiter und den geerdeten Strommast eingeführt, was die elektrische Feldverteilung um den Strommast herum verändert.
- Bei Gewittern oder hoher Luftfeuchtigkeit kann es leicht zu Überschlägen (Arcing) oder Isolationsdurchschlägen von den Hochspannungsleitern zu den metallischen Komponenten des Glasfaserkabels kommen, was nicht nur das Glasfaserkabel zerstört, sondern auch direkt zu Kurzschlüssen und Stromausfällen bei den Hochspannungsleitungen führen und großflächige Stromausfälle verursachen kann.
3. Blitzschutz (Blitzableitereigenschaften)
Hoch aufragende Hochspannungsmaste sind natürliche Ziele für Blitzeinschläge.
- Jedes Kabel oder Glasfaserkabel mit Metallmaterialien wirkt wie ein Blitzableiter und zieht Blitze an (Fangstelle).
- Die augenblickliche extreme Hitze, die durch den starken Blitzstrom im inneren Metallkern des Glasfaserkabels entsteht, schmilzt nicht nur sofort die internen Glasfasern, sondern verursacht auch eine extreme Rückwirkung auf das Erdungssystem des angebrachten Strommastes und beschädigt die umliegenden Stromanlagen.
- Reine nichtmetallische Materialien (bestehend aus dielektrischen Materialien wie Glasfasern, Aramidfasern, PE-Ummantelungen usw.) sind für Blitze „unsichtbar“, ziehen keine Blitze an und erhöhen die Sicherheit von Kommunikationsverbindungen und Stromnetzen gegen Blitzeinschläge erheblich.
4. Hohe Zugfestigkeit, geringes Gewicht und große Spannweite (Anwendung von Aramidfasern)
Die Abstände zwischen den Hochspannungsmaste betragen in der Regel Hunderte von Metern, und in speziellen Geländeformen wie Bergregionen können die Spannweiten sogar über tausend Meter betragen. Glasfaserkabel müssen ohne zusätzliche Unterstützung selbsttragend sein.
- Traditionelle verstärkte Stahlseile sind zwar zugfest, aber extrem schwer (hohe Dichte). Wenn sie für weite Spannweiten verwendet werden, reißen sie nicht nur leicht aufgrund ihres Eigengewichts und Eislasten, sondern belasten die Hochspannungsmaste auch mit enormen mechanischen Lasten und können sogar zum Einsturz der Maste führen.
- Nichtmetallische Glasfaserkabel verwenden hochmodulare Aramidfasern (Aramid Yarn, z. B. Kevlar) als zugfeste Verstärkung. Die Dichte von Aramidfasern ist nur ein Fünftel der von Stahlseilen, aber ihre Zugfestigkeit und ihr Modul sind weitaus höher als die von Stahlseilen. Dadurch sind die Glasfaserkabel nicht nur extrem leicht, sondern können auch enormen Zugkräften, Windlasten und Eislasten standhalten, was sie perfekt für die selbsttragende Montage über große Spannweiten macht.
5. Immunität gegen elektromagnetische Störungen (EMI)
Glasfasern nutzen Photonen für die Signalübertragung in Siliziumdioxidglas ( \text{SiO}_2 ) anstelle von Elektronen und sind daher von Natur aus resistent gegen elektromagnetische Störungen. In Verbindung mit einem vollständig dielektrischen (nichtmetallischen) Kabeldesign werden die Kommunikationssignale in einem Umfeld mit Hochfrequenz- und Hochfeldstrahlung von bis zu Hunderten von Kilovolt nicht durch elektromagnetische Kopplung oder elektrostatische Induktionsrauschen beeinträchtigt, was eine absolute Signalisolation und hochgetreue Übertragung ermöglicht.
Spezielle Sensorlösungen für starke elektrische und hochfrequente elektromagnetische Umgebungen
Bei der internen Zustandsüberwachung von intelligenten Stromnetzen und Hochspannungs-Elektrogeräten (wie Transformatorwicklungen, Hochstromschienenverbindungen, Drosselspulen usw.) treten die gleichen Probleme der starken elektrischen Felder und der elektrischen Isolierung auf.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. nutzt die gleichen Isolationsdesignprinzipien wie bei vollständig dielektrischen Glasfaserkabeln, um nichtmetallische, hochisolierte und elektromagnetisch störungsresistente faseroptische Bragg-Gitter (FBG)-Temperatursensoren zu entwickeln und zu produzieren, die eine absolute sichere, berührungslose Temperaturüberwachung in starken elektrischen Feldern ermöglichen:
1. OFSCN® Keramikverkapselter faseroptischer Bragg-Gitter-Temperatursensor
Dieser Sensor verwendet eine metallfreie, hochisolierende Keramikverkapselung, die hohen Spannungen und starken elektromagnetischen Umgebungen standhält und Hochspannungsdurchschläge und Überschläge verhindert.
OFSCN® Keramikverkapselter faseroptischer Bragg-Gitter-Temperatursensor
2. OFSCN® 150°C Niederspannungs-Isolations-Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor
Dieser Sensor wurde speziell für die Isolationsüberwachung in Niederspannungs- und Mittel-/Hochspannungs-Stromumgebungen entwickelt. Er verwendet ein vollständig dielektrisches Gehäuse und eine Strukturkapselung, enthält keinerlei Metall und gewährleistet die Sicherheit der elektrischen Isolierung.
OFSCN® 150°C Niederspannungs-Isolations-Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor
Diese vollständig dielektrischen und isolierten Glasfasersensoren haben denselben physikalischen Ursprung wie die nichtmetallischen Glasfaserkabel, die auf Hochspannungsleitungen verwendet werden. Sie bieten hochpräzise und schnelle Sensortechnik für physikalische Parameter und eliminieren gleichzeitig vollständig die Sicherheitsrisiken wie Funken, Überschläge, Kurzschlüsse und elektromagnetische Störungen in elektrischen Systemen.