На высоковольтных опорах, зачем использовать оптический кабель, в котором нет никаких металлических компонентов?
В высоковольтных опорах и энергетических коридорах использование полностью неметаллических оптических кабелей (т. е. самонесущих оптических кабелей, полностью изготовленных из диэлектрических материалов, сокращенно ADSS, All-Dielectric Self-Supporting Cable) или неметаллических оптических кабелей обусловлено высочайшими соображениями безопасности, физическими и инженерными расчетами. Основные причины этого заключаются в следующих физических и инженерных принципах:
1. Электроэрозия (электромагнитная индукция) в сильных переменных электромагнитных полях
Вокруг линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения (таких как системы 110\text{ kV} , 220\text{ kV} или 500\text{ kV} ) существуют очень сильные переменные электромагнитные поля.
Если оптический кабель содержит металлические компоненты (например, стальной сердечник, металлическую оболочку или алюминиевую ленту для защиты от влаги):
- Металл действует как проводник и генерирует электродвижущую силу индукции в пространственном электромагнитном поле, создавая индуцированное напряжение в сотни тысяч вольт, что приводит к разности потенциалов между металлическим слоем и землей (или опорой).
- Когда поверхность оптического кабеля загрязняется песком, пылью, солевым туманом, дождем и т. д. из воздуха, его поверхностное сопротивление снижается.
- Под действием индуцированного напряжения на поверхности оптического кабеля возникают слабые токи утечки, а в прерывистых сухих участках происходят микродуговые разряды (так называемые «сухие дуговые разряды»).
- Этот постоянный локальный высокотемпературный разряд обжигает внешнюю оболочку оптического кабеля, постепенно карбонизируется, образуя древовидные проводящие каналы, что в конечном итоге приводит к полному сгоранию и обрыву кабеля. Это явление известно физически как электроэрозия (Electrical Tracking).
Использование диэлектрического оптического кабеля, не содержащего металлических компонентов, фундаментально исключает возникновение разности потенциалов от электромагнитной индукции, тем самым устраняя угрозу электроэрозии.
2. Предотвращение пробоя высоким напряжением и искровых разрядов
Воздушные промежутки и расстояния изоляции на высоковольтных опорах точно рассчитаны.
- Если оптический кабель содержит металлические материалы, он вводит «потенциал, отличный от потенциала земли» между высоковольтным проводником и заземленной опорой, изменяя распределение электрического поля вокруг опоры.
- В грозу или в условиях высокой влажности воздуха легко возникают искровые разряды (Arcing) или пробой изоляции от высоковольтных проводников к металлическим частям оптического кабеля, что не только сжигает оптический кабель, но и может привести к прямому короткому замыканию высоковольтной линии электропередачи, вызывая масштабные отключения электроэнергии.
3. Защита от молнии (молниезащита)
Высокие, возвышающиеся опоры ЛЭП являются естественными точками частых ударов молнии.
- Любой кабель или оптический кабель с металлическими элементами будет притягивать молнию, как громоотвод (захват молнии).
- Мгновенный экстремальный нагрев, вызванный мгновенным прохождением огромного тока молнии через внутренние металлические армирующие элементы оптического кабеля, не только мгновенно расплавит внутренние оптические волокна, но и вызовет мгновенный обратный удар по заземляющей системе опоры, повреждая соседние энергетические объекты.
- Чисто неметаллические материалы (состоящие из диэлектрических материалов, таких как стекловолокно, арамидное волокно, полиэтиленовая оболочка и т. д.) являются «невидимыми» для молнии, не притягивают ее, что значительно повышает безопасность связи и электросетей от ударов молнии.
4. Высокая прочность на растяжение, малый вес и большой пролет (применение арамидных материалов)
Расстояние между высоковольтными опорами обычно составляет сотни метров, а в горных районах и на других сложных участках пролеты могут превышать тысячу метров. Оптический кабель должен быть самонесущим, без опор.
- Традиционная стальная проволока, хотя и обладает высокой прочностью на растяжение, сама по себе очень тяжелая (высокая плотность). При использовании для больших пролетов она не только легко рвется под действием собственной тяжести и обледенения, но и создает огромную механическую нагрузку на высоковольтные опоры, что может даже привести к их падению.
- В неметаллических оптических кабелях используются высокомодульные арамидные волокна (Aramid Yarn, например, Kevlar) в качестве элементов, повышающих прочность на растяжение. Плотность арамидного волокна в пять раз меньше, чем у стальной проволоки, но его прочность на растяжение и модуль значительно превосходят стальную проволоку. Это делает оптический кабель не только очень легким, но и способным выдерживать чрезвычайно высокое натяжение, ветровые и ледовые нагрузки, идеально подходя для монтажа на больших пролетах.
5. Иммунитет к электромагнитным помехам (EMI)
Оптические волокна, использующие фотоны для передачи сигналов в диоксиде кремния ( \text{SiO}_2 ), а не электроны, сами по себе обладают физической устойчивостью к электромагнитным помехам. В сочетании с полностью диэлектрической (неметаллической) конструкцией кабеля вся оптоволоконная система полностью изолирована от электромагнитных наводок и электростатических помех при мощном высокочастотном электромагнитном излучении до сотен киловольт, обеспечивая абсолютную изоляцию сигналов и высококачественную передачу.
Специализированные сенсорные решения для сильноточных и высокочастотных электромагнитных сред
При мониторинге внутреннего состояния интеллектуальных электросетей и высоковольтного электрооборудования (такого как обмотки трансформаторов, соединения высоковольтных шин, реакторы и т. д.) возникают те же проблемы сильного электрического поля и электроизоляции.
Компания Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (大成永盛) использует аналогичные принципы изоляции, что и в полностью диэлектрических оптических кабелях, для разработки и производства неметаллических, высоковольтных, устойчивых к электромагнитным помехам волоконно-оптических датчиков Брэгга (FBG) для абсолютного безопасного, бесконтактного мониторинга температуры в условиях сильных электрических полей:
1. OFSCN® Керамический волоконно-оптический датчик Брэгга
Этот датчик имеет неметаллическую, высоковольтную керамическую изоляционную оболочку, которая выдерживает высокое напряжение и сильные электромагнитные поля, предотвращая пробой высоким напряжением и искровые разряды.
OFSCN® Керамический волоконно-оптический датчик Брэгга
2. OFSCN® 150°C Низковольтный изоляционный волоконно-оптический датчик Брэгга
Разработан для изоляционного мониторинга в низковольтных и средне-высоковольтных электрических средах. Он имеет полностью диэлектрическую оболочку и конструкцию, полностью лишенную металла, что обеспечивает безопасность электрической изоляции.
OFSCN® 150°C Низковольтный изоляционный волоконно-оптический датчик Брэгга
Эти полностью диэлектрические и изолированные оптические датчики, как и неметаллические оптические кабели, используемые на высоковольтных опорах, соответствуют той же физической концепции. Они обеспечивают высокоточное, быстрое зондирование физических параметров, полностью устраняя угрозы безопасности, такие как искры, пробои, короткие замыкания и электромагнитные помехи в электрических системах.