CH705337B1 - Elektrooptisches Kommunikations- und Energiekabel. - Google Patents

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Abstract

Ein elektrooptisches Kommunikations- und Energiekabel (24) umfasst in einer zentralen Bündelader (20) aus einem glatten, flexiblen Metallrohr (18) wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit einer primären Ummantelung (16). Zwei Schichten (26, 32) aus verseilten Metalldrähten verlaufen koaxial zur Bündelader (20). Die Metalldrähte dienen auch als Zug- und/oder Querentlastung. Die innere Drahtschicht (26) besteht aus elektrisch gut leitenden Metalldrähten (28). Die äussere Drahtschicht (32) umfasst einzeln- und/oder gruppenweise alternierend angeordnete Metalldrähte (28) hoher elektrischer Leitfähigkeit einerseits und Metalldrähte (34) hoher Zugfestigkeit andererseits. Die beiden Drahtschichten (36, 32) sind mittels einer Isolationsschicht (30) in Abstand gehalten. Das Kommunikations- und Energiekabel (24) dient in erster Linie als elektrooptische Power-Verbindung zwischen zwei Spannungswandlern (44, 46).

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrooptisches Kommunikations- und Energiekabel, welches in einer zentralen Bündelader aus einem glatten, flexiblen Metallrohr wenigstens einen Lichtwellenleiter mit einer primären Ummantelung, zwei koaxial zur Bündelader verlaufenden Schichten aus verseilten Metalldrähten, welche auch als Zug- und Querkraftentlastung dienen, und einen Aussenmantel umfasst. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung des elektrooptischen Kommunikations- und Energiekabels.
[0002] Optische Kabel mit Lichtwellenleitern, insbesondere Glasfasern, sind seit mehreren Jahrzehnten bekannt. Die Daten werden statt in Form von elektrischen Impulsen durch Metallleiter als Lichtquanten in Lichtwellenleitern übermittelt. Schnittstellen sind elektrooptische Kupplungen, welche elektrische Impulse in Lichtquanten umwandeln und umgekehrt.
[0003] Moderne Lichtwellenleiter und optische Kommunikations- und Energiekabel mit wenigstens einem Lichtwellenleiter sind beispielsweise aus der Firmenschrift «Kommunikationskabel/Communication Cables» der Firma Brugg Kabel AG, CH-5201 Brugg, revidierte Ausgabe 2004, bekannt.
[0004] Ein Lichtwellenleiter bekannter Bauart umfasst einen optischen Kern und einen optischen Mantel, in der Praxis eine Glasfaser mit einem Aussenmantel von insgesamt etwa 125 µm Durchmesser. Eine primäre Ummantelung der Glasfaser aus einem Kunststoff hat einen Aussendurchmesser von beispielsweise 250 µm. Je nach Verwendung werden Kabel mit Singlemode-Fasern oder Multimode-Fasern eingesetzt, nähere Angaben sind der vorerwähnten Firmenschrift, Seiten 6–9, zu entnehmen.
[0005] Elektrooptische Kabel umfassen neben wenigstens einem Lichtellenleiter elektrische Leiter, die beispielsweise zur Spannungsversorgung oder zur Übertragung von elektrischen Signalen dienen. Die elektrischen Leiter sind am optischen Kabel angeordnet oder damit verbunden. Elektrooptische Kommunikations- und Energiekabel werden auch Hybridkabel genannt.
[0006] Falls die Bündelader ein Metallrohr von hoher elektrischer Leitfähigkeit umfasst, kann dieses selbst als elektrischen Leiter verwendet werden. Die üblichen Stahlrohre sind jedoch dazu wegen der zu niedrigen elektrischen Leitfähigkeit wenig oder nicht geeignet.
[0007] Aus der EP 0 816 885 B1 und der DE 4 236 608 A1 ist es bekannt, eine Bündelader mit optischen Leitern mit wenigstens einer metallischen Armierungsschicht zu verseilen. Dadurch wird einerseits die Zugkraft erhöht und andererseits die Bündelader gegen Querkräfte besser geschützt.
[0008] In der EP 0 371 660 A1 wird ein elektrooptisches Kabel beschrieben, welches eine zentrale Bündelader mit einem dünnen Stahlrohr umfasst. Dieses ist von einer dielektrischen Schicht umgeben, in welcher Kupferlitzen von hoher elektrischer Leitfähigkeit eingebettet sind. Ausserhalb der dielektrischen Schicht ist eine zweilagige Bewehrung aus Stahldrähten angeordnet. Diese sind ihrerseits in die schützende Ummantelung eingebettet.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrooptisches Kabel der eingangs genannten Art weiter zu verbessern und sein Einsatzgebiet zu verbreitern.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die innere Schicht aus Metalldrähten mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 5×10<–5> Ω.mm und die äussere Schicht aus einzel- und/oder gruppenweise alternierend angeordneten Metalldrähten mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 5×10<–5> Ω.mm einerseits und Metalldrähten mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 700 N/mm andererseits besteht, und die beiden Schichten mittels einer Isolationsschicht in Abstand gehalten sind. Spezielle und weiterführende Ausführungsformen des elektrischen Kommunikations- und Energiekabels sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
[0011] Hier und im Folgenden umfasst der Ausdruck «Metalldrähte» auch Metalllitzen mit vergleichbaren elektrischen und mechanischen Eigenschaften. In elektrooptischen Kommunikations- und Energiekabeln werden die Signale optisch, notfalls eventuell auch elektrisch, die Energie ausschliesslich elektrisch übertragen.
[0012] Als elektrisch gut leitende Metalldrähte werden vorzugsweise Metalle mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 5×10<–><5> Ω.mm, insbesondere (1–3) × 10<–5> Ω.mm, eingesetzt. Unter Berücksichtigung der Materialkosten fallen insbesondere Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen in diese Gruppe. Selbstverständlich können auch mit einem dieser elektrisch gut leitenden Metalle beschichtete Verbunddrähte, insbesondere mit einem Stahlkern, eingesetzt werden.
[0013] Die elektrisch weniger gut leitenden, äusseren Metalldrähte haben eine hohe Zugfestigkeit von wenigstens etwa 700 N/mm, besonders gut geeignet sind Drähte aus einem rostfreien Edelstahl.
[0014] Die alternierende Anordnung der beiden verschiedenen Metalldrähte der äusseren Drahtschicht kann auf verschiedenste Arten erfolgen, einfachheitshalber werden die elektrisch gut leitenden Drähte mit Cu, die zugfesten Drähte mit Fe bezeichnet, beispielsweise ...Fe.Cu.Fe.Cu.Fe.Cu... ...Fe.Fe.Cu.Cu.Fe.Fe.Cu.Cu... ...Fe.Fe.Cu.Fe.Cu.Fe.Fe.Cu... ...Cu.Cu.Fe.Cu.Cu.Fe.Cu.Cu.Fe... ...Fe.Fe.Cu.Fe.Cu.Fe.Cu.Fe... ...Fe.Fe.Fe.Cu.Fe.Cu.Fe.Cu.Fe.Cu.Fe.Fe.Fe.Fe.Cu.Fe...
[0015] Die innere und die äussere Drahtschicht weisen vorzugsweise denselben ohmschen Widerstand auf.
[0016] Das einzelne- und/oder gruppenweise Alternieren der Metalldrähte kann also regelmässig oder unregelmässig sein. Je höher der Anteil an Fe-Drähten ist, desto geringer ist die elektrische Transportleistung der äusseren Drahtschicht. Bei höherem Anteil der Fe-Drähte in der äusseren Drahtschicht ist dafür die Zug- und Querkraftentlastung deutlich besser.
[0017] Die Metalldrähte hoher Zugfestigkeit der Aussenschicht (Fe-Drähte) und das Metallrohr der Bündelader bestehen zweckmässig aus dem gleichen Material, nämlich einem rostfreien Edelstahl.
[0018] Die elektrisch gut leitenden Metalldrähte (Cu-Drähte) der Innenschicht liegen bevorzugt direkt auf dem Metallrohr der Bündelader auf.
[0019] Insbesondere aus fabrikationstechnischen Gründen haben in der Regel alle Metalldrähte den gleichen Durchmesser. Je nach Verwendung kann sich dieser Durchmesser vom feinen bis zum massiven Draht von etwa 1 mm erstrecken. Bei üblicher Verwendung liegt der Drahtdurchmesser meist im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm.
[0020] Die Dicke der die innere und die äussere Drahtschicht trennenden Isolationsschicht liegt bei wenigstens dem durchschnittlichen Radius, vorzugsweise bei wenigstens dem durchschnittlichen Durchmesser der Metalldrähte beziehungsweise der verseilten Drahtlitzen.
[0021] Die Isolationsschicht besteht zweckmässig aus einem dielektrischen Kunststoff, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen. Der Aussenmantel kann aus demselben Material oder aus Polyurethan, Polyamid oder FRNC bestehen, er dient dem mechanischen und chemischen Schutz, die äussere Oberfläche ist vorzugsweise teilweise gut bedruckbar.
[0022] Weiter kann zwischen der Drahtschicht und dem Aussenmantel ein Quellband und/oder ausserhalb der äusseren Drahtschicht eine Feuchtigkeitssperre angeordnet sein. Diese Sperre ist vorzugsweise eine Aluminiumfolie oder ein Aluminiumkunststofflaminat an sich bekannter Bauart.
[0023] Für das erfindungsgemässe elektrooptische Kommunikations- und Energiekabel ergeben sich zusammengefasst folgende Vorteile: Eine Bündelader aus einem Metallrohr, eine innere Drahtschicht aus elektrisch gut leitenden Metalldrähten und eine äussere Drahtschicht aus einzeln- und/oder gruppenweise alternierend angeordneten Metalldrähten hoher elektrischer Leitfähigkeit einerseits und Metalldrähten hoher Zugfestigkeit andererseits gewährleisten auch einen optimalen Schutz der optischen Lichtwellenleiter gegen Zug- und Querkräfte. Die elektrischen Leiter sind optimal platziert; innen ausschliesslich gut leitende Metalldrähte, aussen neben den parallel geschalteten gut leitenden Metalldrähten auch weniger gut leitende Metalldrähte hoher mechanischer Zugfestigkeit erlauben trotzdem eine hohe elektrische Leistung. Der koaxiale Aufbau der elektrischen Leiter eliminiert die Wechselstromverluste im Kabel. Die elektrooptischen Kommunikations- und Energiekabel können praktisch immer direkt verlegt werden, beispielsweise unter Wasser, insbesondere in offenen Gewässern und in Abwasserkanälen von Siedlungen, Gewerbe und Industrie, im Erdreich, insbesondere entlang von Strassen oder Schienen, in Rohranlagen und Kabelkanälen in Gebäuden. Das Kabel eignet sich insbesondere für den militärisch-taktischen Einsatz. Ein glattes, flexibles Metallrohr als Bündelader mit zwei koaxial in Abstand gehaltenen Drahtschichten erlaubt einen kleinen Biegeradius. Ein Dauerbetrieb kann in einem Temperaturbereich von –40 bis +80 °C aufrechterhalten werden, ohne dass eine Beeinträchtigung der Energie- oder Signalübertragung erfolgt.
[0024] Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Kommunikations- und Energiekabels als elektrooptische Power-Verbindung zwischen zwei Spannungswandlern über eine Distanz bis etwa 20 Kilometer. Einer der beiden Spannungswandler ist in der Regel fest verkabelt, der andere Spannungswandler ist regelbar. Spannungswandler sind beispielsweise Transformatoren oder Schaltnetzteile.
[0025] Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch: <tb>Fig. 1<sep>eine perspektivische Ansicht eines abgestuften stirnseitigen Endes eines Lichtwellenleiters (Stand der Technik), <tb>Fig. 2<sep>einen Querschnitt durch eine Bündelader mit einem Metallrohr (Stand der Technik), <tb>Fig. 3<sep>einen Querschnitt durch ein elektrooptisches Kommunikations- und Energiekabel, und <tb>Fig. 4<sep>ein Schema einer Verwendung eines elektrooptischen Kommunikations- und Energiekabels.
[0026] Fig. 1 zeigt einen Lichtwellenleiter 10 mit einem optischen Kern 12 und einem optischen Mantel 14 aus Glas und einer Primärummantelung 16 aus Kunststoff. Der optische Kern 12 und der optische Mantel 14 werden, entsprechend ihrem üblichen Material, auch einfachheitshalber als Glasfaser bezeichnet. Es wird zwischen Singlemode-Fasern und Multimode-Fasern unterschieden, was hier nicht relevant und einfachheitshalber in Fig. 1nicht erkennbar ist.
[0027] Fig. 2 zeigt eine Bündelader 20 mit einem Metallrohr 18 aus einem rostfreien Edelstahl und zwölf darin längslaufend angeordneten Lichtwellenleitern 10 gemäss Fig. 1. Die Bündelader 20 ist mit einer Aderfüllmasse 22 gefüllt, vorliegend mit einem Gel.
[0028] In einem elektrooptischen Kommunikations- und Energiekabel 24 gemäss Fig. 3 ist im Zentrum eine Bündelader 20 gemäss Fig. 2angeordnet. Das Metallrohr 18 der Bündelader 20 ist in Direktkontakt mit einer inneren, einlagigen Drahtschicht 26 verseilt, die aus zwölf Kupferdrähten 28 besteht. Auf diese innere Drahtschicht 26 ist eine Isolationsschicht 30 aus Polyethylen extrudiert, welche eine grössere Dicke a aufweist als der Durchmesser der Kupferdrähte 28.
[0029] Die Isolationsschicht 30 wird mit einer äusseren Drahtschicht 32 verseilt, die wiederum einlagig ausgebildet ist. Elektrisch gut leitende Drähte 28 sind einzeln und gruppenweise alternierend mit Drähten 34 hoher Zugfestigkeit angeordnet, vorliegend rostfreien Edelstahldrähten. Die Anordnung entlang des Umfangs ist nicht regelmässig, unten und oben ist jeweils ein Kupferdraht 28 durch einen Edelstahldraht 34 ersetzt. Dadurch ist die elektrische Leitfähigkeit des ganzen Kommunikations- und Energiekabels 24 zugunsten der mechanischen Festigkeit etwas herabgesetzt. Wie bereits erwähnt, können zwischen Kupfer- 28 und Edelstahldrähten 34 beliebige Kombinationen angeordnet sein.
[0030] Die Kupferdrähte 28 der inneren und äusseren Drahtschicht 26, 32 sind parallel geschaltet.
[0031] Ein Aussenmantel 36 aus Polyurethan schützt das Kommunikations- und Energiekabel 24 mechanisch und chemisch, er erlaubt auch eine Bedruckung.
[0032] Sowohl die Drähte 28 der inneren Drahtschicht 26 auch als die Drähte 28, 34 der äusseren Drahtschicht 32 sind mit einem Halteband beziehungsweise -netz 38 zusammengehalten und bleiben so während des Produktionsvorgangs in der richtigen Lage positioniert. Das Halteband ist vorliegend ein Melinex-Band der Firma DuPont.
[0033] Zwischen der äusseren Drahtschicht 32 und dem Aussenmantel 36 ist fakultativ – nur teilweise angedeutet – eine Feuchtigkeitssperre 40 angeordnet, vorliegend ein Aluminium-Kunststofflaminat.
[0034] Nach einer nicht dargestellten Variante kann zwischen der äusseren Drahtschicht 32 und dem Aussenmantel 36, innerhalb einer allenfalls vorliegenden Feuchtigkeitssperre 40, ein Quellband angeordnet sein, das beim Eindringen von Feuchtigkeit aufquillt und auf alle Schichten einen Druck ausübt, welcher das Vordringen der Feuchtigkeit in Längsrichtung verhindert oder zumindest stark einschränkt.
[0035] Gemäss einer in Fig. 4dargestellten Verwendung ist zwischen zwei bis etwa 20 km entfernten Netzleitern 42 (230V/50Hz) ein elektrooptisches Kommunikations- und Energiekabel 24 als Powerleitung eingesetzt. Am stirnseitigen Ende der Netzleitungen 42 sind Spannungswandler angeordnet, nämlich ein fest verkabelter Spannungswandler 44 und ein regelbarer Spannungswandler 46, welche eine Spannung von etwa 1000 V erzeugen und wieder abbauen können. Der Spannungswandler 44 ist mit einem Stand-by-Modus ausgestattet. Dieser schaltet die Spannung im Energiekabel 24 ab, wenn am Spannungswandler 46 keine Last anliegt.
Beispiel: Elektrooptisches Kommunikations- und Energiekabel
[0036] Elektrisch gut leitende Kupferdrähte 28 und rostfreie Stahldrähte 34, mit einem Durchmesser von 0,40 bzw. 0,42 mm werden erfindungsgemäss verseilt. Die Anordnung im Kommunikations- und Energiekabel entspricht Fig. 3, insbesondere auch die Sequenz der Kupfer- 28 und rostfreien Stahldrähte 34. Diese sind mittels einer 0,6 mm starken PE-Isolationsschicht 30 (Dicke a) voneinander getrennt. Der äussere Schutz wird von einem Aussenmantel 36 aus einer 0,8 mm dicken Polyurethanschicht gewährleistet. Die innere und die äussere Drahtschicht 26, 34 sind von einem Melinex-Band umhüllt. Das Kommunikations- und Energiekabel 24 hat einen Aussendurchmesser von 5,8 mm, wiegt 68 kg/m und hat einen gesamten Leiterquerschnitt der Kupferkabel von etwa 1,5 mm<2>.
[0037] Elektrische Leitfähigkeit: δCu = 0,0172 (Ω.mm<2>)/m δEdelstahl = 0,4129 (Ω.mm<2>)/m.
[0038] Widerstände pro km und pro Draht: Cu-Draht: Querschnitt = 0,1257 mm<2>, dies entspricht einem Widerstand RCu von 136.8 Ω/km. Edelstahl-Draht: Querschnitt = 0,1385 mm<2>, dies entspricht einem Widerstand REdelstahlvon 1031.5 Ω/km
[0039] Widerstand der gesamten Drahtschichten pro km: Leiter der inneren Drahtschicht 26: Zwölf Kupferdrähte, dies entspricht einem Widerstand Ri von 11.4 Ω/km. Leiter der äusseren Drahtschicht 32: Zehn Kupferdrähte, dies entsprechend einem Widerstand Ra von 12,45 Ω/km. Der Widerstand der parallel geschalteten Kupferdrähte 28 der inneren und äusseren Drahtschichten 26, 32 entspricht einem Leiterwiderstand R = (12.45×73,7)/(12,45+73,7)= 11,53 Ω/km.
[0040] Ein Kabel eines üblichen Durchmessers hält beispielsweise einer dauernden Zugbelastung von etwa 3000 N und einer Querdruckbelastung von etwa 1000 N/cm stand, ohne dass dabei die Funktion beeinträchtigt wird. Der Kabelbruch erfolgt in diesem Fall erst bei etwa 4250 N.

Claims (9)

1. Elektrooptisches Kommunikations- und Energiekabel (24), welches in einer zentralen Bündelader (20) aus einem glatten, flexiblen MetalIrohr (18) wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit einer primären Ummantelung (16), zwei koaxial zur Bündelader (20) verlaufende Schichten (26, 32) aus verseilten Metalldrähten, welche auch als Zug- und/oder Querentlastung dienen, und einen Aussenmantel (36) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (26) aus Metalldrähten (28) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 5×10<–5> Ω.mm und die äussere Schicht (32) aus einzeln- und/oder gruppenweise alternierend angeordneten Metalldrähten (28) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 5×10<–5> Ω.mm einerseits und Metalldrähten (34) mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 700 N/mm andererseits besteht, und die beiden Schichten mittels einer Isolationsschicht (30) in Abstand (a) gehalten sind.
2. Kommunikations- und Energiekabel (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldrähte (28) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 5×10<–5>Ω.mm einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1×10<–5>bis 3×10<–><5> Ω.mm aufweisen.
3. Kommunikations- und Energiekabel (24) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldrähte (28) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 5×10<–5>Ω.mm aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen oder mit einem dieser Metalle beschichtet sind, die Metalldrähte (34) mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 700 N/mm vorzugsweise aus einem rostfreien Edelstahl, insbesondere aus dem gleichen Metall wie das Metallrohr (18) der Bündelader (20), bestehen.
4. Kommunikations- und Energiekabel (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (26) direkt auf dem Metallrohr (18) aufliegt.
5. Kommunikations- und Energiekabel (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Metalldrähte (28, 34) den gleichen Durchmesser haben.
6. Kommunikations- und Energiekabel (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (30) aus Polyethylen oder Polypropylen und der Aussenmantel (36) aus Polyurethan oder dem gleichen Material wie die Isolationsschicht (30) besteht.
7. Kommunikations- und Energiekabel (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten (26, 32) etwa denselben ohmschen Widerstand aufweisen und vorzugsweise von je einem Halteband oder -netz (38) umhüllt sind.
8. Kommunikations- und Energiekabel (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äusseren Schicht (32) und dem Aussenmantel (36) ein Quellband und/oder ausserhalb der äusseren Schicht (32) eine Feuchtigkeitssperre (40), vorzugsweise eine Aluminiumfolie oder ein Aluminium-Kunststofflaminat angeordnet ist.
9. Verwendung des Kommunikations- und Energiekabels (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als elektrooptische Power-Verbindung zwischen zwei Spannungswandlern (44, 46), insbesondere zwischen einem fest verkabelten (44) und einem regelbaren Spannungswandler (46) über eine Distanz (d) bis etwa 20 km.
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