Em torres de alta tensão, por que usar cabos de fibra óptica sem nenhum componente metálico?
Em torres de alta tensão e corredores de energia, o uso de cabos de fibra óptica sem qualquer componente metálico (ou seja, Cabos de Fibra Óptica Autossustentáveis Totalmente Dielétricos, abreviados como Cabos ADSS, All-Dielectric Self-Supporting Cable) ou cabos de fibra óptica não metálicos é motivado por considerações de segurança, físicas e de projeto de engenharia extremamente elevadas. As principais razões para isso são principalmente refletidas nos seguintes princípios físicos e de engenharia:
1. Corrosão por Rasto Elétrico (Indução Eletromagnética) sob Forte Campo Eletromagnético Alternado
Ao redor de linhas de transmissão de alta e extra-alta tensão (como sistemas de 110\text{ kV}, 220\text{ kV} ou 500\text{ kV}), existe um campo eletromagnético alternado extremamente forte.
Se o cabo de fibra óptica contiver componentes metálicos (como núcleo de reforço de aço, revestimento metálico ou fita de alumínio à prova de umidade):
- O metal atuará como um condutor e gerará uma força eletromotriz induzida no campo eletromagnético espacial, formando uma tensão induzida de centenas de milhares de volts, criando uma alta diferença de potencial entre a camada metálica e o terra (ou a torre).
- Quando a superfície do cabo de fibra óptica for contaminada por poeira, névoa salina, água da chuva, etc., a resistência superficial diminuirá.
- Sob a ação da tensão induzida, uma fraca corrente de fuga fluirá na superfície do cabo de fibra óptica, e arcos elétricos microscópicos (conhecidos como “arcos em zonas secas”) ocorrerão em zonas secas descontínuas.
- Essa descarga contínua de alta temperatura localizada queimará a jaqueta externa do cabo de fibra óptica, carbonizando-a gradualmente para formar um canal condutor em forma de ramo, eventualmente queimando e rompendo o cabo de fibra óptica. Esse fenômeno é fisicamente conhecido como corrosão por rasto elétrico (Electrical Tracking).
O uso de cabos de fibra óptica totalmente dielétricos, que não contêm componentes metálicos, elimina fundamentalmente a geração de diferenças de potencial de indução eletromagnética, eliminando assim o risco de corrosão por rasto elétrico.
2. Evitar Ruptura por Alta Tensão e Descarga por Arco Elétrico
A distância de isolamento do ar e dos isoladores nas torres de transmissão de alta tensão é calculada com precisão.
- Se o cabo de fibra óptica contiver material metálico, ele introduzirá um “corpo de potencial diferente” entre o condutor de alta tensão e a torre aterrada, alterando a distribuição do campo elétrico ao redor da torre.
- Em tempo de tempestade ou com alta umidade do ar, é fácil causar descarga por arco elétrico (Arcing) ou ruptura de isolamento do condutor de alta tensão para o componente metálico do cabo de fibra óptica, o que não só queimará o cabo de fibra óptica, mas também pode causar diretamente o desarme por curto-circuito da linha de transmissão de alta tensão, resultando em um apagão generalizado.
3. Proteção contra Raios (Características de Para-raios)
As torres altas de alta tensão são pontos naturais de alta ocorrência de raios.
- Qualquer cabo ou cabo de fibra óptica com material metálico atuará como um para-raios, atraindo raios (recepção de descarga).
- O calor extremo instantâneo gerado pela corrente de raio intensa que flui através do núcleo de reforço metálico interno do cabo de fibra óptica não só derreterá instantaneamente as fibras ópticas internas, mas também causará um retorno de potencial extremo e instantâneo para o sistema de aterramento da torre de fixação, danificando as instalações elétricas circundantes.
- Materiais puramente não metálicos (compostos por materiais dielétricos, como fibra de vidro, aramida, revestimento de PE, etc.) são “invisíveis” para os raios, não atraem raios e aumentam significativamente a segurança de segurança das linhas de comunicação e das redes elétricas contra raios.
4. Alta Resistência à Tração, Leveza e Grande Vão (Aplicação de Material de Aramida)
A distância entre as torres de alta tensão é geralmente de centenas de metros, e em terrenos especiais como áreas montanhosas, o vão pode exceder mil metros. O cabo de fibra óptica deve ser autossustentado sem suporte (autossustentado).
- Embora o fio de aço de reforço metálico tradicional tenha alta resistência à tração, ele é extremamente pesado (alta densidade). Se for usado para travessias de longa distância, não só pode ser quebrado pelo peso e pelo acúmulo de gelo, mas também trará uma carga mecânica enorme para as torres de alta tensão, podendo até causar o tombamento da torre.
- Cabos de fibra óptica não metálicos usam fibra de aramida de alto módulo (Aramid Yarn, como Kevlar) como elemento de reforço de tração. A densidade da fibra de aramida é apenas um quinto da do fio de aço, mas sua resistência à tração e módulo são muito maiores que os do fio de aço. Isso torna o cabo de fibra óptica não apenas extremamente leve, mas também capaz de suportar tensão, carga de vento e carga de gelo extremamente grandes, adaptando-se perfeitamente à instalação de grande vão.
5. Imunidade à Interferência Eletromagnética (EMI)
A fibra óptica utiliza fótons para transmitir sinais em vidro de dióxido de silício (\text{SiO}_2), em vez de elétrons, o que inerentemente a torna resistente à interferência eletromagnética. Combinado com o design de corpo de cabo totalmente dielétrico (não metálico), todo o sistema de comunicação óptica, sob radiação eletromagnética forte de alta frequência de até centenas de quilovolts, não produzirá acoplamento eletromagnético ou ruído de indução eletrostática nos sinais de comunicação, alcançando isolamento absoluto do sinal e transmissão de alta fidelidade.
Soluções Especiais de Sensoriamento em Ambientes de Alta Tensão e Forte Campo Eletromagnético
No monitoramento do estado interno de redes elétricas inteligentes e equipamentos elétricos de alta tensão (como enrolamentos de transformadores, juntas de barramentos de alta tensão, reatores, etc.), os mesmos problemas de campo elétrico forte e isolamento elétrico são enfrentados.
A Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. utiliza princípios de design de isolamento semelhantes aos de cabos de fibra óptica totalmente dielétricos para desenvolver e produzir sensores de temperatura de fibra óptica de grade (FBG) não metálicos, de alto isolamento e resistentes à interferência eletromagnética, que podem realizar monitoramento de temperatura absoluto, seguro e sem eletricidade em ambientes de campo elétrico forte:
1. Sensor de Temperatura de Fibra Óptica de Grade com Encapsulamento Cerâmico OFSCN®
Este sensor utiliza material cerâmico de alto isolamento sem metal para encapsulamento, capaz de suportar alta tensão e ambientes de forte campo eletromagnético, prevenindo ruptura por alta tensão e descarga por arco elétrico.
Sensor de Temperatura de Fibra Óptica de Grade com Encapsulamento Cerâmico OFSCN®
2. Sensor de Temperatura de Fibra Óptica de Grade de Isolamento de Baixa Tensão OFSCN® 150°C
Projetado especificamente para monitoramento de isolamento em ambientes elétricos de baixa, média e alta tensão, adota um revestimento e estrutura de encapsulamento totalmente dielétricos, sem metal, garantindo a segurança do isolamento elétrico.
Sensor de Temperatura de Fibra Óptica de Grade de Isolamento de Baixa Tensão OFSCN® 150°C
Esses sensores de fibra totalmente dielétricos e isolados compartilham o mesmo propósito físico que os cabos de fibra óptica não metálicos usados em postes de alta tensão, eliminando completamente as ameaças de segurança, como faíscas, arcos elétricos, curtos-circuitos e interferência eletromagnética em sistemas elétricos, ao mesmo tempo em que alcançam sensoriamento de parâmetros físicos de alta precisão e velocidade.