En las torres de alta tensión, ¿por qué se utilizan cables de fibra óptica sin ningún componente metálico?
En las torres de alta tensión y los corredores eléctricos, el uso de cables de fibra óptica sin componentes metálicos (es decir, cables de fibra óptica autoportantes totalmente dieléctricos, abreviados como cables ADSS, All-Dielectric Self-Supporting Cable) o cables de fibra óptica no metálicos, se debe a consideraciones de seguridad, físicas y de diseño de ingeniería extremadamente altas. Las razones principales para esto se manifiestan en los siguientes principios físicos y de ingeniería:
1. Corrosión por rastros eléctricos (inducción electromagnética) en campos electromagnéticos alternos fuertes
Alrededor de líneas de transmisión de alta y extra alta tensión (como sistemas de 110\text{ kV} , 220\text{ kV} o 500\text{ kV} ), existen campos electromagnéticos alternos extremadamente fuertes.
Si el cable de fibra óptica contiene componentes metálicos (por ejemplo, un núcleo de refuerzo de alambre de acero, una cubierta metálica o una cinta de aluminio a prueba de humedad):
- El metal actuaría como un conductor y generaría una fuerza electromotriz inducida en el campo electromagnético espacial, formando un voltaje inducido de cientos de miles de voltios, creando una diferencia de alto potencial entre la capa metálica y la tierra (o la torre).
- Cuando la superficie del cable de fibra óptica se contamina con polvo, aerosoles de sal, agua de lluvia, etc., en el aire, su resistencia superficial disminuye.
- Bajo la influencia del voltaje inducido, se generarían pequeñas corrientes de fuga en la superficie del cable de fibra óptica, produciendo descargas de micro-arco en zonas secas discontinuas (es decir, “arcos en zonas secas”).
- Esta descarga continua de alta temperatura localizada quemaría la cubierta exterior del cable de fibra óptica y gradualmente se carbonizaría formando un canal conductor en forma de árbol, quemando y rompiendo finalmente el cable de fibra óptica. Este fenómeno se conoce físicamente como corrosión por rastros eléctricos (Electrical Tracking).
El uso de cables de fibra óptica totalmente dieléctricos sin ningún componente metálico elimina fundamentalmente la generación de diferencias de potencial inducidas electromagnéticamente, eliminando así el peligro de corrosión por rastros eléctricos.
2. Evitar la ruptura por alto voltaje y la descarga de destellos
Las distancias de aislamiento del espacio de aire y los aisladores en las torres de alta tensión se calculan con precisión.
- Si el cable de fibra óptica contiene material metálico, se introduciría un “cuerpo de potencial diferente” entre el conductor de alta tensión y la torre conectada a tierra, alterando la distribución del campo eléctrico alrededor de la torre.
- En condiciones de tormenta o alta humedad, es muy fácil que se produzcan descargas de destellos (Arcing) o rupturas de aislamiento desde los conductores de alta tensión hacia los componentes metálicos del cable de fibra óptica, lo que no solo quemaría el cable de fibra óptica, sino que también podría causar directamente la interrupción del circuito de las líneas de transmisión de alta tensión, provocando un apagón generalizado.
3. Protección contra rayos (características de protección contra rayos)
Las altas torres de alta tensión son puntos naturales propensos a ser alcanzados por rayos.
- Cualquier cable o cable de fibra óptica con material metálico actuaría como un pararrayos, atrayendo los rayos (captación).
- El calor extremo instantáneo generado por la fuerte corriente de rayo al pasar por el núcleo de refuerzo metálico interno del cable de fibra óptica no solo derretiría instantáneamente la fibra óptica interna, sino que también causaría un contragolpe de potencial extremo y momentáneo en el sistema de puesta a tierra de la torre de soporte, dañando las instalaciones eléctricas circundantes.
- Los materiales puramente no metálicos (compuestos de materiales dieléctricos como fibra de vidrio, aramida, cubierta de PE, etc.) son “invisibles” para los rayos, no atraen la huelga de rayos, mejorando enormemente la seguridad anti-rayos de los enlaces de comunicación y las redes eléctricas.
4. Alta resistencia a la tracción, ligereza y gran vano (aplicación de materiales de aramida)
La distancia entre las torres de alta tensión suele ser de cientos de metros, y en terrenos especiales como las montañas, el vano puede superar los mil metros. El cable de fibra óptica debe soportar su propio peso sin soporte (autoportante).
- El alambre de acero de refuerzo tradicional, aunque tiene alta resistencia a la tracción, es extremadamente pesado (alta densidad). Si se utiliza para cruces de larga distancia, no solo es fácil que se rompa por su propio peso y la carga de hielo, sino que también impone una carga mecánica enorme a las torres de alta tensión, pudiendo provocar incluso el colapso de la torre.
- Los cables de fibra óptica no metálicos utilizan fibra de aramida de alto módulo (Aramid Yarn, como Kevlar) como elemento de refuerzo a la tracción. La densidad de la fibra de aramida es solo una quinta parte de la del alambre de acero, pero su resistencia a la tracción y su módulo son muy superiores a los del alambre de acero. Esto hace que el cable de fibra óptica no solo sea extremadamente ligero, sino que también pueda soportar una tensión, una carga de viento y una carga de hielo extremadamente grandes, adaptándose perfectamente a la instalación de gran vano.
5. Inmunidad a la interferencia electromagnética (EMI)
La fibra óptica utiliza fotones para transmitir señales en vidrio de dióxido de silicio (\text{SiO}_2 ), en lugar de electrones, lo que la hace intrínsecamente resistente a la interferencia electromagnética. Al combinarla con un cuerpo de cable totalmente dieléctrico (no metálico), todo el sistema de comunicación óptica, bajo una fuerte radiación electromagnética de alta frecuencia de hasta cientos de kilovoltios, no produce acoplamiento electromagnético ni ruido de inducción electrostática en la señal de comunicación, logrando un aislamiento de señal absoluto y una transmisión de alta fidelidad.
Soluciones de detección especiales en entornos de alta tensión y fuerte campo electromagnético
En la monitorización del estado interno de la red eléctrica inteligente y equipos eléctricos de alta tensión (como devanados de transformadores, conexiones de barras colectoras de alta tensión, reactores, etc.), existen los mismos problemas de fuerte campo eléctrico y aislamiento eléctrico.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. utiliza principios de diseño de aislamiento similares a los de los cables de fibra óptica totalmente dieléctricos para desarrollar y producir sensores de temperatura de fibra de Bragg (FBG) no metálicos, de alto aislamiento y resistentes a la interferencia electromagnética, que pueden realizar una monitorización de temperatura segura y sin tensión en entornos de fuerte campo eléctrico:
1. Sensor de temperatura de fibra de Bragg con encapsulado cerámico OFSCN®
Este sensor adopta un encapsulado de material cerámico no metálico y de alto aislamiento, que puede soportar altos voltajes y entornos electromagnéticos fuertes, previniendo la ruptura por alto voltaje y la descarga de destellos.
OFSCN® Sensor de temperatura de fibra de Bragg con encapsulado cerámico
2. Sensor de temperatura de fibra de Bragg con aislamiento de bajo voltaje OFSCN® 150°C
Diseñado específicamente para la monitorización de aislamiento en entornos eléctricos de bajo y medio/alto voltaje, utiliza una cubierta y una estructura totalmente dieléctricas, sin metal, lo que garantiza la seguridad del aislamiento eléctrico.
OFSCN® Sensor de temperatura de fibra de Bragg con aislamiento de bajo voltaje 150°C
Estos sensores de fibra totalmente dieléctricos y de aislamiento tienen el mismo propósito físico que los cables de fibra óptica no metálicos utilizados en postes de alta tensión, logrando una detección de parámetros físicos de alta precisión y rapidez, al tiempo que eliminan por completo las amenazas de seguridad como chispas, destellos, cortocircuitos e interferencias electromagnéticas en los sistemas eléctricos.