CN102159977A - 供地下使用的光学接地线缆 - Google Patents

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Abstract

一种适于在地下铺设的接地线缆(100；215)包括：至少一条光纤(105)；围绕所述至少一条光纤的热传导聚合物层(120)；及关于所述热传导聚合物层在径向外部位置布置的铜导体(130)。

Description

供地下使用的光学接地线缆
技术领域
本发明总体上涉及具有接地导体和光学电信线缆双重功能的线缆。更特别地，本发明涉及包括用于电信的光纤并且在地下铺设的接地线缆(earth cable)。
背景技术
有些电气装置，例如用于发电的风车塔，可以使用不同的线缆将这种装置互连到电气网络并用于与其相关联的服务。特别地，电气线缆，一般是中压线缆，允许电力输送-在风车塔的情况下是所生成的电力；接地线缆都连接到装置的接地系统或者这种装置所属的网络的接地系统，并连接到地；光缆也常常用于提供通信或者电信服务，及用于控制装置运行和其它功能。一般来说，以上这三种线缆类型都至少部分地是在地下铺设的，为了方便是在相同的管沟(trench)中铺设的。
从原理上讲，接地线缆可以具有非常简单的结构，通常包括但也仅仅包括金属性导体，该金属性导体一般是绞合线的形式。金属性导体优选地是铜导体。这种根据现有技术的接地线缆的例子在图4中描述。
光缆的结构由光缆的位置且由对光缆中所包含的光纤提供合适保护的需求来决定。光纤对机械应力和环境条件的敏感性(例如，可能渗透到线缆中的水和/或化学试剂的存在，及诸如啮齿动物的动物的攻击)都是在设计这种线缆时必须要考虑的需求的例子。
线缆铺设方法包括将线缆定位在沙层中；然后用基于小颗粒尺寸材料(例如，选自管沟掘出材料)的一层土覆盖沙层，这层土又被普通的土(一般来说，是管沟掘出材料的剩余部分)覆盖。在许多不同的线缆要铺设到管沟中的情况下，这个过程是麻烦而且耗时的。
包括接地导体和光纤的线缆对于天线的使用是已知的。这种线缆(通常称为光学接地缆线(optical ground cable wires，OPGW))一般包括铝和/或不锈钢管道，用来容纳与铝线或者增强铝(例如铝包钢和/或铝合金)线组合的光纤，以便提供短路能力并进一步提供具有架空安装所需的机械强度的线缆。在EP 1210633中描述了OPGW的例子。出于许多原因，这种线缆不适合用于地下，这些原因包括容纳光纤的铝管的存在将导致腐蚀和可能形成氢的事实，这将随时间累积在管道中，从而造成光纤性能劣化的后果。
空中接地缆线的使用在大多数情况下是不可能或者不方便的，例如当存在风车时，因为可能的空中线将扰乱风车塔的位置。此外，缺少可以与空中线关联的架空输电线，空中线将需要独立的撑杆，这将增加系统的成本和复杂性。
本申请人已经观察到一种更简单的安装可以通过组合地下接地线缆与包括光纤的通信线缆来提供。特别地，已经发现，通过将包含光纤的光学元件插入到适于提供接地连接的电线组件中，该电线可以充当光学元件的保护件(armour)，由此提供使其不受铺设线缆处的土壤影响的合适保护。
这种适于铺设到地下的接地导体应当具有满足各种不同需求的结构。对线缆中所包含光纤的足够机械保护是必须的。同时，在线缆长度的任何点上而非仅仅在其头部，光纤都应当容易地从线缆中取出，这用于实现预见和未预见到的到户连接。此外，还应当提供对光纤的合适保护以免受由于电流通过电线所造成的温度升高的影响。
鲁棒性的机械保护还可以允许容易在地下铺设线缆。
考虑到环境，线缆还应当抵抗由水和/或化学试剂和/或象啮齿动物的动物的攻击。
至于接地线缆到接地系统的电连接，可以利用接线夹(clamp)来实现，但是焊接的使用通常是优选的，因此从长期的角度看这更经济。在焊接的过程中，会产生很大的热量，这对于通常在不高于60℃的温度进行测试的光纤有可能是有害的。因此，期望对线缆中所包含光纤的热保护。
发明内容
本申请人已经发现，通过提供其中光纤被具有预定热导率的聚合物层(下文中称为热传导聚合物层)包围的一种结构，包括光纤的通信线缆和包含接地导体的接地线缆可以组合到适于在地下使用的单个线缆中。铜导体在关于并围绕所述热传导聚合物层的径向外部位置提供。
热传导聚合物层对光纤提供机械保护，并保护它们不受由例如用于实现电连接的焊接过程所生成或者由于短路所生成的热量的影响；考虑到材料的聚合物本质，热传导聚合物层还允许在光纤周围可能形成的氢通过经热传导聚合物层的扩散而“逃脱”，因此不会发生氢的累积；热传导聚合物层还允许更容易地接近光纤，用于在线缆的任何点上将其取出。
铜导体的热导率比例如铝的热导率高得多。在存在热传导聚合物层的情况下，铜导体的使用使得线缆操作对于光纤来说更安全，即使是在线缆中升高热量的情况下，例如在焊接的情况下。
除了作为接地导体的电功能，铜导体还为线缆提供了所寻求的机械强度和对其中所包含光纤的保护。
因此，本发明关于一种适于铺设到地下的光学接地线缆，包括：至少一条光纤；围绕所述至少一条光纤的热传导聚合物层；及在关于该热传导聚合物层的径向外部位置布置的铜导体。
对于本说明书和所附权利要求书，除非另外指出，否则，通过术语“大约”，所有表示总数、数量、百分比等的数字都应当理解为在任何实例中都可以修改。而且，所有范围都包括所公开的最大点和最小点的任意组合，而且包括最大点和最小点间的任何中间范围，这可以是或者可以不是在这里专门列举出的范围。
根据本发明的所述至少一条光纤包括被一个或多个保护性涂层包围的光学透射芯(optical transmissive core)，该光学透射芯一般是由玻璃制成的。
光纤可以适当松散地包含在由聚合物材料制成的缓冲管中。
优选地，本发明线缆的热传导聚合物层具有至少0.3W/m·K的热导率(即，指示材料传导热量的能力的属性)，优选地是至少0.4W/m·K。根据本发明的热传导聚合物层的热导率可以高达0.9W/m·K。
优选地，本发明线缆的热传导聚合物层包括阻燃剂材料。
根据本说明书和权利要求书，“阻燃剂”的意思是根据IEC60332-1-2(2004)具有延迟火焰传播的能力的材料。
优选地，热传导聚合物层包括无卤素的材料。
热传导聚合物层可以有利地由基于乙烯或者丙烯聚合物或者共聚物的聚合物材料，或者其添加了无机阻燃剂填充物(例如，氢氧化镁)的混合物制成。在EP-A-0998747或者在EP-A-1116244中描述了适于在本发明中用作热传导聚合物材料的材料例子。
优选地，热传导聚合物层包括阻火剂材料。在本说明书和权利要求书中，“阻火剂”的意思是根据IEC 60332-3-24(2000)具有耐火能力的材料。
用于本发明的热传导聚合物层的其它示例材料是高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)和低密度聚乙烯(LDPE)。
缓冲管的聚合物材料可以基本上与热传导聚合物层的材料相同。
在本发明的优选实施例中，例如由聚芳基酰胺线或玻璃纤维与可吸水粉末制成的阻水经纱层(thread layer)在关于热传导聚合物层的径向内部位置提供。例如，所述阻水层围绕松散地包含至少一条光纤的缓冲管。该阻水经纱层对保护光纤不受热量的影响起作用，并进一步阻止水的纵向传播。当经纱层基于玻璃纤维时，实现了对线缆的防啮齿动物保护。
铜导体形成接地导体，并且在热传导聚合物层的帮助下对为线缆提供期望的机械强度起作用。铜导体还保护线缆不受象啮齿动物的动物的攻击。
铜导体是围绕热传导聚合物层在关于线缆轴的基本纵向配置中提供的。优选地，导体与热传导聚合物层直接接触。
由关联铜导体/热传导聚合物层所确保的光纤的机械保护使得允许本发明的更快且更不复杂的线缆铺设过程。特别地，沙层的使用不再是必需的，而且线缆可以直接铺设在基于小颗粒尺寸材料的土层中，其中小颗粒尺寸材料可以是例如选自线缆管沟掘出材料的材料。
在存在水的情况下，铜是热动稳定的，即，它基本上不起反应。另一方面，铜的热导率比铝的高得多(401W/m·K对237W/m·K)，而且这会引起对光纤有害的温度升高，尤其是在短路情况和焊接过程中，特别是Cadwell类型的焊接过程，这将在下面进行描述。在根据本发明的线缆中，由于热传导聚合物层的存在，高热情况不会引起问题，这确保光纤受到非常好的保护并且即使在热量峰值的情况下也保持安全。
在局部生成高热峰值的情况下，例如在焊接或者短路的情况下，如果所生成的热量保持限定到相对小的体积内，则将会达到不可接受的高温度值，这会径向传递到线缆内部的光纤，造成其损害。然而，热传导聚合物层的存在使得局部产生的热量沿线缆的长度纵向传递，由此以如下方式分散热量，即，使得所达到的温度峰值维持在低于线缆中所容纳的光纤的可接受值。
附图说明
通过阅读以下具体描述，本发明的这些和其它特征和优点将很容易出现，其中本发明的示例实施例是结合附图给出的，附图中：
图1A和1B分别以立体图和截面图示出了根据本发明实施例的线缆；
图2示意性地示出了可以使用图1A和1B的线缆的系统的例子；
图3示意性地以截面图示出了图2的线缆的地下铺设布置的细节；及
图4示出了根据现有技术的接地线缆的截面图。
具体实施方式
在图4中示出根据现有技术的接地线缆，其中线缆400包括标准配置的电线导体401。由于缺乏任何护套，因此这种线缆也称为“裸导体”。
参考附图，尤其是图1A和1B，根据本发明实施例的线缆(整体上标为100)包括至少一条光纤105，优选地是多条光纤，例如在从8到24的数量范围内(但是，线缆也可以包括不同数量的光纤)。光纤105可以是单模或者多模光纤。光纤105松散地容纳在缓冲管110中。例如，八条光纤包含在内直径为3.10mm和外直径为4.40mm的缓冲管内。
应当指出，在线缆100中可以存在多个缓冲管，每个缓冲管包含预定数量的光纤105。在预期有多个缓冲管的情况下，它们优选地是绞合的，采用连续的或者交替螺旋(S-Z)配置。
围绕缓冲管110，提供了阻水经纱材料层115，形成阻水层。用于层115的阻水经纱材料可以是添加了(优选地是涂覆了)吸水粉末的聚芳基酰胺线或者优选地玻璃纤维。
由热传导聚合物材料形成的层120围绕层115提供。所示例的聚合物材料是热导率例如为0.6W/m·K的阻燃、无卤素聚合物材料。适于这种目的的材料在由Prysmian S.p.A以商标AfumexTM市售的线缆中使用，而且包括例如包含氢氧化镁的聚丙烯和线性低密度聚乙烯(LLDPE)的混合。适于本发明的热传导聚合物层120的材料的另一个例子是基于包含氢氧化铝的乙烯醋酸乙烯酯(EVA)聚合物。
热传导聚合物层120可以具有从0.5mm到3mm的厚度。从机械的角度看，至少1mm的厚度是优选的。
导电铜线130在关于热传导聚合物层120的径向外部位置提供，且与热传导聚合物层120直接接触。
热传导聚合物层120对光纤105的机械保护起作用，尤其是它保护光纤抗热。例如在随后所述的实现线缆到例如接地系统的电连接的焊接过程中，或者在当线缆运行时在短路的情况下，可以产生热量。
热传导聚合物层120还允许可能在光纤周围形成的氢通过扩散而“逃脱”，因此在线缆中可能生成的氢不会随时间累积到适于造成光纤衰减的浓度。
阻水经纱材料层115也对保护光纤不受在线缆中径向传播的热量的影响，并进一步阻止水的纵向传播。阻水层115中玻璃纤维的使用还具有实现对线缆的防啮齿动物保护的优点。
铜导体130形成本发明的线缆的接地导体，而且它与聚合物层120一起为线缆提供机械强度，由此确保光纤得到合适的保护。铜导体130还帮助保护线缆不受象啮齿动物的动物的攻击。例如，根据本发明的设计为电阻≤0.387Ohm/km的线缆具有十六条铜导体，其中每条铜导体的直径为2.270mm。
由关联铜导体/热传导聚合物层提供的机械保护使得允许本发明的线缆的快速而简单的铺设过程，如下文中将要讨论的。
在图2中，示意性地示出了使用图1A和1B的线缆的例子。在风车塔200中，用于输送所产生电力的中压(MV)线缆210从发电机/变压器系统201出发，到达用于开/关切换电力网的单元205，其中线缆210象一般来自其它风车塔的其它MV线缆连接到所述电力网。单元205通常位于风车塔200的基部附近。MV线缆210连接到接地系统225(该连接未示出)。
根据本发明的线缆215在地下的管沟中铺设，一般是与MV线缆210相同的管沟。线缆215从管沟中取出并被带到地面上，用于根据需要与例如位于风车塔200中的光纤连接盒220相对应地接近光纤，并用于将铜导体连接到风车塔200的接地系统，风车塔200又连接到土壤。
线缆215到接地系统225的连接可以在点230经例如Cadwell焊接过程实现。Cadwell焊接过程包括如下步骤：暴露要焊接的金属部分，并将暴露的部分放到金属性两阀门模子中。所述模子在闭合时在该模子的一个表面上给料斗(hopper)留出位置。料斗充满了焊接粉末和点火粉末，后者也设置在模子的边缘上，然后料斗被盖子紧密闭合，且用枪与点火粉末接触以用于点火。
在所例示的例子中，点230是两个，用于确保每个风车塔接地系统与电网(未例示)的接地系统之间的接地连接的连续性。MV线缆210可以在至少一个点230或者在不同的点处连接到接地系统225。
对于例如风车塔运行的控制有用的电信连接可以通过如下步骤执行：切断线缆215的铜导体；取出光纤；并将光纤在连接盒220中绞编接头。铜导体的切断可以在点230处接地连接下游的线缆215的任何点执行。
图3示意性地示出了根据本发明的用于线缆215的有利铺设布置。在土壤中挖管沟305，用于铺设线缆215。将选自例如管沟掘出材料的相对小颗粒尺寸的土材料层310淀积到管沟305的底部，然后铺设线缆215与MV分布线缆210；然后使用相同的小颗粒尺寸土材料来覆盖线缆215和MV分布线缆210：因此这两种线缆被埋在小颗粒尺寸的土材料中。然后，用其它材料315(例如，管沟掘出材料的剩余部分)填充管沟305。不需要沙层。
在本发明线缆的制造过程中，铜线130偏离(pay off)各自的线轴，并利用预定的节距(pitch)(例如，角度为11.5°的185mm的节距)围绕聚合物层120绞合。
在铜线130围绕热传导聚合物层120绞合的过程中施加到铜线130上的拉力应当被调整，以避免对光纤的可能损坏，并确保光纤的足够额外长度，从而保证线缆在不同天气条件下的良好行为。
优选地，铜线130形成基本上连续的覆盖，没有孔而且下面的热传导聚合物层120没有未被覆盖的部分。应当确保相邻铜线130之间良好的相互接触，既保证线缆作为接地导体的良好性能，又保证下面的层不受实现到接地系统的电连接的焊接过程中所产生的热量和所使用材料的影响。

Claims (14)

1.一种适于在地下铺设的接地线缆(100；215)，包括至少一条光纤(105)，
其特征在于包括：
-围绕所述至少一条光纤的热传导聚合物层(120)；及
-关于所述热传导聚合物层在径向外部位置布置的铜导体(130)。
2.如权利要求1所述的接地线缆，其中所述热传导聚合物层具有至少0.3W/m·K的热导率。
3.如权利要求2所述的接地线缆，其中所述热传导聚合物层具有至少0.4W/m·K的热导率。
4.如权利要求2或者3所述的接地线缆，其中所述热传导聚合物层具有高达0.9W/m·K的热导率。
5.如前面任何一项权利要求所述的接地线缆，其中所述热传导聚合物层包括阻燃剂材料。
6.如前面任何一项权利要求所述的接地线缆，其中所述热传导聚合物层包括阻火剂材料。
7.如前面任何一项权利要求所述的接地线缆，其中所述热传导聚合物层基于选自如下组的材料，所述组由乙烯或者丙烯聚合物或者共聚物、或者它们的混合物构成。
8.如权利要求7所述的接地线缆，其中所述热传导聚合物层至少包括阻燃剂填充物。
9.如前面任何一项权利要求所述的接地线缆，还包括阻水经纱层(115)，该阻水经纱层(115)围绕所述至少一条光纤，且布置在所述热传导聚合物层以内。
10.如权利要求7所述的接地线缆，其中所述阻水经纱层包括聚芳基酰胺线和玻璃纤维中的至少一种。
11.如前面任何一项权利要求所述的接地线缆，其中铜导体与所述热传导聚合物层直接接触。
12.一种电接地系统，包括：
-通用地部(225)；
-至少一条接地线缆(215)，包括连接到所述通用地部(225)的电导体(130)，
其特征在于所述接地线缆包括：
-至少一条光纤(105)；
-围绕所述至少一条光纤的热传导聚合物层(120)；及
-关于所述热传导聚合物层在径向外部位置布置的铜导体(130)，该铜导体形成所述电导体。
13.如权利要求12所述的电接地系统，其中所述至少一条接地线缆是在地下铺设的。
14.如权利要求12或者13所述的电接地系统，其中所述接地线缆的电导体通过焊接连接到所述通用地部。
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