DE3689697T2 - Heterogenes Freiluftstarkstromkabel. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes, zusammengesetztes mehradriges Freileitungskabel mit integrierten optischen Fasern in einer Freileitungsleistungsübertragungsleitung oder in einem Luftbodenkabel.
• Zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel mit integrierten optischen Fasern in einer Freileitungsleistungsübertragungsleitung oder einer Luftbodenleitung werden zum Zwecke des Schützens und Steuern des Freileitungsleistungsübertragungsschaltkreises verwendet. Bei- spielsweise offenbart der Stand der Technik nach der EP-A-0060061 solch ein zusammengesetztes mehradriges Freileitungskabel, das gemäß der darin enthaltenen Beschreibung ein Zugkabel aufweist, das sowohl für eine Lastträgerfunktion als auch eine Übertragungsfunktion dient.
• Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines zusammengesetzten mehradrigen Freileitungekabels einer nach dem Stand der Technik bekannten Art, das eine ähnliche Bauweise hat, wie sie in dem Kabel nach der EP-A-0060061 beschrieben ist.
• Wie darin gezeigt wird, weist das Kabel eine zentrale Fasereinheit 1 auf, die von einer Leiterschicht 6 abgedeckt ist, die aus einer Vielzahl von in einem Strang angeordneten Leitern 6', wie aluminiumummantelten Stahldrähten, zusammengesetzt ist.
• Die optische Fasereinheit 1 umfaßt einen Abstandshalter 2, der mit einer Schutzhülle 5 ummantelt ist. Der Abstandshalter 2, der typischerweise aus Aluminium hergestellt ist, ist mit einer Vielzahl von spiralförmigen Rillen 3 in seinem äußeren Umfang versehen, wobei jede Rille eine Faserlitze 4 aufnimmt. Die Schutzhülle 5 ist typischerweise aus Aluminium hergestellt. Ein Querschnitt einer in jeder der spiralförmigen Rillen 3 aufgenommenen Faserlitzen 4 ist in der Fig. 3 gezeigt. Die Faser besteht aus einer optischen Glasfaser 7, die mit einer Polsterungsschicht überzogen ist, die sich zusammensetzt aus einem ersten Überzug 8, der typischerweise aus einem Silikonkunstharz hergestellt ist, und aus einem zweiten Überzug 9, der typischerweise aus einem Fluorkunstharz hergestellt ist.
• Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel mit der oben gezeigten Bauweise hat eine ausreichende mechanische Stärke, da die Faserlitze 4 in jeweils einer der spiralförmigen Rillen 3 des Abstandshalters 2 aufgenommen ist und der Abstandshalter seinerseits von einer Schutzhülle 5 ummantelt ist. Diese Kabelbauform ist jedoch nicht mehr in größerem Maße ausweitbar, um eine maximale Anzahl von beschichteten Fasern in das Kabel einzubauen, weil zur Sicherstellung seiner Verwendung als ein Ersatz für das bestehende mehradrige Freileitungskabel sein Außendurchmesser im allgemeinen gleich zu dem sein muß, den ein herkömmliches mehradriges Freileitungskabel aufweist, wobei jedoch der verfügbare Raum zum Aufnehmen von beschichteten Fasern in der optischen Einheit 1 nicht ausreichend ist, da dieser um die der Querschnittsfläche des Abstandshalters 2 entsprechende Größe verringert ist. Zusätzlich ist die Zahl der Rillen, die in dem Umfang des Abstandshalters ausgebildet werden kann, im Hinblick auf den äußeren Durchmesser des Abstandshalters begrenzt.
• Man nehme beispielsweise an, daß eine optische Glasfaser 7 einen Außendurchmesser von 125 um aufweist. Wenn eine Schicht aus Silikonkunstharz über der Glasfaser zur Bildung eines ersten Überzugs 8 aufgebracht wird, um somit einen Außendurchmesser von 0,4 mm zu schaffen, und wenn ein zweiter, typischerweise aus Fluorkunstharz hergestellter Überzug 9 nachfolgend aufgetragen wird, um zu einem Außendurchmesser von 0,7 mm zu führen, dann können nicht mehr als fünf beschichtete Fasern 4 innerhalb einer jeden spiralförmigen Rille 3, die in dem äußeren Umfang des Abstandshalters 2 ausgebildet ist (der einen Außendurchmesser von 4,0 mm haben soll) aufgenommen werden.
• Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel wird bei seiner Verwendung andauernd hohen Temperaturen zwischen 100 und 150ºC ausgesetzt und kann bis nahezu 300ºC erwärmt werden, wenn eine Störung durch Erdschluß oder ein Zwischenphasenkurzschluß sich aufgrund eines hohen, durch das Kabel fließenden elektrischen Stroms ereignet. Der Übertragungsverlust einer optischen Faser hängt von der Temperatur ab. Der hauptsächliche Grund in einem solchen Anstieg beruht auf Mikroverbiegung der optischen Glasfaser, die dann auftritt, wenn der zweite Überzug bei erhöhten Temperaturen schrumpft.
• Es ist eine hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zusammengesetztes mehradriges Freileitungskabel zu schaffen, das die oben erwähnten Probleme nicht aufweist und das eine große Anzahl von beschichteten Fasern aufnehmen kann, ohne den äußeren Durchmesser der optischen Fasereinheit zu erhöhen.
• Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Schaffung eines zusammengesetzten mehradrigen Freileitungskabels mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen.
• Wie man davon sehen kann, wird in der vorliegenden Erfindung ein dünnes wärmewiderstandsfähiges Band über einem Strang aus optischen Fasern mit einer Hauptbeschichtung angebracht, bevor der Strang jeweils in den in dem Umfang des Abstandteils ausgebildeten Rillen aufgenommen wird.
• Es werden nun kurz die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 einen Querschnitt eines typischen zusammengesetzten mehradrigen Freileitungskabels;
• Fig. 2A und 2B perspektivische Ansichten von zwei Ausführungsformen eines optischen Faserstrangs zum Einbau in das zusammengesetzte mehradrige Kabel nach der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 einen Querschnitt einer einzelnen beschichteten optischen Faser, die gemäß eines herkömmlichen Verfahrens hergestellt wird;
• Fig. 4 und 5 Querschnitte von zwei zusätzlichen Ausführungsformen eines optischen Faserstrangs zum Einbau in das zusammengesetzte mehradrige Kabel nach der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 6 einen Querschnitt einer optischen Fasereinheit, wobei ein Faserstrang mit der in der Fig. 5 gezeigten Anordnung eng jeweils innerhalb der in dem Abstandsteil ausgebildeten Rillen aufgenommen ist; und
• Fig. 7 eine charakteristische grafische Darstellung, die die Ergebnisse eines Vibrationstests zeigt, der mit den optischen Fasereinheiten ausgeführt wurde.
• Es werden nun die vorzugsweisen Ausführungsformen beschrieben.
• Zwei Ausführungsformen eines optischen Faserstrangs 4, der jeweils innerhalb den spiralförmigen Rillen 3 in dem Abstandsteil 2 des in der Fig. 1 gezeigten zusammengesetzten mehradrigen Kabels aufzunehmen ist, werden in den Fig. 2A und 2B gezeigt.
• In beiden Ausführungsformen ist eine Vielzahl von optischen Glasfasern 7 mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 125 um mit einer Hauptbeschichtung 8 versehen, was zu einem Außendurchmesser von 0,4 mm führt, und die resultierenden Fasern 10 werden um ein Zugteil 12 in einem Strang angeordnet. In der in der Fig. 2A gezeigten Ausführungsform wird ein wärmewiderstandsfähiges Band 11, das typischerweise aus Tetrafluorkunstharz mit 0,075 mm Dicke und 6 mm Breite gefertigt ist, in Längsrichtung angebracht und um den Faserstrang gewickelt, wobei die überlappenden Seitenkanten des Bandes 11 mit einem Klebstoff verbunden werden. In der in Fig. 2B gezeigten Ausführungsform wird ein dünnes wärmewiderstandsfähiges Band 11', das typischerweise ein Polymidband mit einer Dicke von 0,0125 mm ist, spiralförmig um den Faserstrang mittels eines geeigneten Verfahrens zum Winden, wie Schleifenwicklung, überlappungsfreies Wickeln oder offenes spiralförmiges Wickeln, gewunden. Das Zugteil 12 ist vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Material gefertigt.
• Das Bandmaterial ist nicht auf dasjenige gemäß den oben gezeigten Ausführungsformen beschränkt, und geeignete dünne wärmewiderstandsfähige Bänder aus Fertigungskunststoffen, wie Fluorkunststoffen, außer Tetrafluorkunstharz, und PPS- (Polyphenylensulfid)-Kunstharz können in Abhängigkeit von den besonderen Wärmewiderstandsanforderungen ausgewählt werden.
• Eine Mikroverbiegung kann in den optischen Fasern auftreten, wenn ihre Beschichtung bei erhöhten Temperaturen schrumpft. Zusätzlich tritt eine gewisse seitliche Kompression unvermeidlich aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Oberfläche der mit dem Band umwickelten Einheit auf, die durch die Dicke des wärmewiderstandsfähigen Bandes hervorgerufen wird. Um das Auftreten der Mikroverbiegung und der seitlichen Kompression zu verringern, ist das wärmewiderstandsfähige Band vorzugsweise nicht dicker als 0,1 mm.
• Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die ein mehrschichtigtes wärmewiderstandsfähiges Band verwendet. Wie gezeigt ist, werden eine Vielzahl von beschichteten optischen Fasern 10 um ein Zugteil 12 herum in einem Strang angeordnet, und ein zweischichtiges Band 14, das aus einem äußeren wärmewiderstandsfähigen Band 11 und einem inneren Polsterungssband 13 besteht, wird in Querrichtung um den Faserstrang gewickelt. Diese Bauart schafft eine optischen Faserstrang 4 mit verbesserter lateraler Kompressibilität. Die Polsterungsschicht 13 kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, die einen Young-Modul aufweist, der kleiner als der des wärmewiderstandsfähigen Bandes 11 ist, und die geeignete Polsterungseigenschaften aufweist.
• Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Vielzahl von beschichteten optischen Fasern 10 um ein Zugteil 12 herum in einem Strang angeordnet sind, und eine mit wärmewiderstandsfähigen Fasern 15, die z. B. aus Kevlar sind, gefüllte Polsterungsschicht über den optischen Fasersträngen vorgesehen ist, bevor ein dünnes wärmewiderstandsfähiges Band 11 transversal um die Faserstränge gewunden wird. Ebenso wie in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform schafft die Polsterungsschicht eine verbesserte seitliche Kompressibilität. Wenn die Temperatur des Abstandsteils sich momentan nach einem Fehlbetrieb in der Übertragungsleitung erhöht, wirkt die Polsterungsschicht zusätzlich als ein Wärmeisolator, so daß die Erhöhung der Temperatur der optischen Fasern auf ein Minimum beschränkt wird.
• Die Fig. 6 zeigt eine optische Fasereinheit, in der ein Faserstrang gemäß der in Fig. 5 gezeigten Bauart, der mit einer mit einer wärmewiderstandsfähigen Faser gefüllten Polsterungsschicht versehen wird, bevor ein dünnes wärmewiderstandsfähiges Band transversal darum gewickelt wird, eng innerhalb der jeweiligen spiralförmigen, in dem Umfang des Abstandsteils ausgebildeten Rillen aufgenommen ist, welche in der Größe im jeweiligen Faserstrangs sind. Aufgrund der elastischen Natur der Polsterungsschicht wird der Faserstrang eng innerhalb jeder Rille umschlossen und wird zu einem integralen Teil des Abstandsteils, so daß eine lokale Mikroverbiegung in den optischen Fasern nicht auftreten wird, sogar wenn das Kabel gedehnt wird oder sich zusammenzieht als Folge einer Zugspannung auf dem Kabel, von Schwingungen aufgrund von Wind, eines Kurzschlusses und Blitzeinschlägen.
• Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel gemäß der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile:
• (1) Obwohl der Übertragungsverlust der optischen Fasern bei erhöhten Temperaturen im allgemeinen aufgrund von Mikroverbiegung zunimmt, die als Folge eines thermischen Schrumpfens des zweiten Überzugs auf der Faser auftritt, wird der auf die optischen Fasern infolge des Schrumpfens des zweiten Überzugs ausgeübte Streß auf ein Minimum verringert, da die erfindungsgemäßen, in das zusammengesetzte Kabel eingebauten optischen Fasern ein wärmewiderstandsfähiges Band als ihre zweite Beschichtung aufweisen und deren Dicke nicht mehr als die Hälfte von 0, 15 mm beträgt, was den minimal erreichbaren Wert gemäß Extrusionsformverfahren nach dem Stand der Technik im Hinblick auf die vorherrschenden Herstellungsbedingungen darstellt.
• (2) Die in das zusammengesetzte mehradrige Kabel eingebauten optischen Fasern haben den gleichzeitigen Vorteil, daß sie eine bei weitem einfachere Entfernung der zweiten Beschichtung zum Spleißen oder anderweitigen Bilden von Verbindungen als optische Fasern nach dem Stand der Technik erlauben, welche mit einer zweiten Beschichtung mittels Extrusionsformen versehen sind.
• (3) Die in dem erfindungsgemäßen zusammengesetzten mehradrigen Kabeln verwendete Faserbauart weist einen vergrößerten Vorteil für den Zweck des Realisierens einer Mehrfasereinheit mit geringerem Durchmesser auf als optische Fasern mit einer zweiten Beschichtung nach dem Stand der Technik.
• (4) Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Bauart für die optische Faser schafft eine besser Zuverlässigkeit und eine bessere Übertragungscharakteristik als bei losem Aufnehmen einer Vielzahl von optischen Fasern in einer Rille des Abstandsteils, ohne daß sie durch das wärmewiderstandsfähige Band zusammengebündelt sind. Bei dieser losen Anordnung wird der Reibungskoeffizient zwischen den einzelnen Fasern und zwischen jeder Faser und der inneren Oberfläche einer Rille des Abstandsteils nicht gleichmäßig in der Längsrichtung verteilt, und die optischen Fasern können sich einzeln innerhalb der Rille umherbewegen. Deshalb kann sich leicht eine lokale Spannung in den Fasern entwickeln, wenn sie externen Kräften, wie Strecken, Zusammenziehen und Vibration, ausgesetzt sind.
• Das vorher erwähnte Problem ist dann besonders groß, wenn die Hauptbeschichtung aus einem Silikonkunstharz besteht, das einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist. Wenn eine Vielzahl von optischen Fasern mit einer solchen Silikonbeschichtung in einer Rille aufgenommen sind, ohne daß sie zusammengebündelt sind, verändert sich der Grad des Kontakts zwischen der Silikonbeschichtung und der inneren Oberfläche der Rille entlang der Faserlänge, und die resultierende Ungleichmäßigkeit in der Reibungskraft entlang der Längsrichtung, die sich zwischen der Faser und der inneren Oberfläche der Rille ausbildet, ermöglicht lokalen Streß und eine Mikroverbiegung tritt in den optischen Fasern auf, wenn das zusammengesetzte mehradrige Kabel externen Kräften, wie Schrumpfen und Vibration, ausgesetzt ist. Erfindungsgemäß wird eine Vielzahl von optischen Fasern durch ein wärmewiderstandfähiges Band zusammengefügt und zusammengebündelt, um einen integralen Faserstrang zu bilden. Da die Reibungskraft, die sich zwischen diesem Faserstrang und der inneren Oberfläche der Rille ausbildet, in der Längsrichtung des Kabels einheitlich ist, können die einzelnen Faserstränge in der Rille ohne eine Erhöhung in Übertragungsverlust des Kabels gleiten.
• Die Fig. 7 zeigt das Verhältnis zwischen Schwingungen (Amplitude +/- 5 mm; Frequenz 35 Hz), die auf 10 m lange optische Fasereinheiten angewendet werden, und der resultierenden Änderung in dem Übertragungsverlust der optischen Fasern, wie er sich auf Grundlage einer kontinuierlichen Messung ergibt. Die mit dem erfindungsgemäßen, in den Fig. 2A und 2B dargestellten optischen Faserbauformen erhaltenen Ergebnissen sind durch eine durchgezogene Linie dargestellt. Die gepunktete Kurve zeigt die von einer Fasereinheit erhaltenen Ergebnisse, bei der eine Anordnung von Fasern innerhalb jeder der Rillen des Abstandsteils aufgenommen war, ohne daß sie durch ein wärmewiderstandsfähiges Band zusammengebündelt waren. Wie gezeigt ist, konnte die durch Veränderung (Vibration) verursachte Erhöhung im Übertragungsverlust, die eine Größe von bis zu 0,6 dB/m aufwies, durch Verwendung der vorliegenden Erfindung bis auf Null verringert werden.

Claims (8)

1. Ein zusammengesetztes mehradriges Freileitungskabel mit:

einer Schutzhülle (5), die um ein Abstandsteil (2) mit einer Vielzahl von in seinem Umfang zum Aufnehmen der optischen Fasern ausgebildeten Rillen (3) angeordnet ist, und einem optischen Faserelement (10), das jeweils innerhalb einer spiralförmigen Rille aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Faserelement eine Vielzahl von Glasfasern (7) aufweist, die jeweils eine Hauptüberzugsschicht (8) aufweisen und die zu einem Strang zusammengefügt sind mittels eines dünnen wärmewiderstandfähigen Bandes (11, 11'), das über dem Faserstrang vorgesehen ist.

2. Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel gemäß Anspruch 1, wobei das dünne wärmewiderstandsfähige Band (11) in Längsrichtung zu dem Faserstrang vorgesehen ist und darum herumgewickelt ist, wobei überlappende Seitenkanten des Bandes miteinander verbunden sind.

3. Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel nach Anspruch 1, wobei das dünne wärmewiderstandsfähige Band (11') spiralförmig um die Faserstränge gewickelt ist.

4. Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel nach Anspruch 1, wobei das dünne wärmewiderstandsfähige Band einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 200ºC und eine Dicke von nicht mehr als 0,1 mm hat.

5. Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel nach Anspruch 1, wobei die Glasfasern (7) mit einem Silikonkunstharz (8) beschichtet sind und einen äußeren Durchmesser von nicht mehr als 0,6 mm aufweisen.

6. Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel nach Anspruch 1, wobei das dünne wärmewiderstandsfähige Band (14) wenigstens zwei Schichten umfaßt, wobei die innere Schicht (13) der beiden Schichten einen Elastizitätsmodul aufweist, der niedriger ist als derjenige der äußeren Schicht (11), und wobei die innere Schicht eine Polsterungseigenschaft aufweist.

7. Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel nach Anspruch 1, das weiter eine Polsterungsschicht (15) aufweist, die zwischen den dünnen wärmewiderstandsfähigen Band (11) und dem Strang aus Glasfasern (10) vorgesehen ist, wobei die Polsterschicht aus wärmewiderstandsfähigen Fasern gebildet wird.

8. Das zusammengesetzte mehradrige Freileitungskabel nach Anspruch 1, wobei jede der Rillen des Abstandsteils eine Größe aufweist, die im wesentlichen gleich oder kleiner ist als der Außendurchmesser eines jeden Strangs aus optischen Fasern, so daß jedes der optischen Faserelemente eng innerhalb einer jeden Rille eingeschlossen ist.