KR20210126780A - 오버헤드 전기 케이블 인터로게이션 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

레이저와 같은 간섭성 광원을 사용하여 오버헤드 전기 케이블을 인터로게이션하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 시스템 및 방법은 전기 케이블의 강도 부재에 내장되거나 부착된 하나 이상의 광 섬유를 분리하고, OTDR 장치와 같은 인터로게이션 장치를 광 섬유에 연결하여 온도 또는 기계적 변형과 같은 케이블의 상태를 결정하기 위한 오버헤드 전기 케이블의 인터로게이션 목적이다.

Description

오버헤드 전기 케이블 인터로게이션 시스템 및 방법

본 출원은 2019년 3월 6일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/814,372호의 우선권을 주장하며, 이 가출원은 전체가 참조로 여기에 포함된다.

본 개시는 외부 전도성 층을 지지하는 강도 부재를 포함하는 오버헤드 전기 케이블 분야에 관한 것으로, 케이블, 특히 강도 부재가 손상되었는지 확인하기 위해 전기 전도체 케이블을 인터로게이션하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

오버헤드 전기 케이블은 일반적으로 강도 부재에 의해 감싸지고 지지되는 복수의 전도성 스탠드를 포함한다. 전형적으로, 강도 부재는 알루미늄 전도체 스틸 강화(ACSR)라고 하는 구성인 복수의 스틸 스트랜드로 제조되었다. 섬유 강화 복합 강도 부재는 스틸과 같은 다른 강도 부재 재료에 비해 많은 이점을 제공하기 때문에 복합 강도 부재를 포함한 오버헤드 전기 케이블은 많은 새로운 전송 라인 프로젝트에서 구현되고 있다. 이러한 오버헤드 전기 케이블은 기존 기반 시설(예: 기존 지원 타워)의 ACSR 전도체 케이블을 교체하는 등 기존 전송 라인을 재도선하는 데에도 사용된다.

ACSR 구성의 스틸 강도 부재는 급격하게 만곡될 수 있고 실질적인 강도 저하 없이 소성 변형될 수 있지만, 많은 섬유 강화 복합 재료는 소성 변형되지 않고 단순히 구부러질 때 운동 에너지를 저장한다. 이 저장된 운동 에너지는 유리하게는 굽힘 하중이 해제됨에 따라 가요성 섬유 강화 복합 재료가 원래 형태로 복원될 수 있도록 한다. 그러나 굽힘 하중이 과도하면 가요성 섬유 강화 복합 재료가 압축 또는 인장 파괴 모드에서 손상될 수 있다. 일부 초기 손상이 발생하면 이 손상이 시간이 지남에 따라 전파되어 강도 부재의 추가 성능 저하 또는 완전한 파손을 일으킬 수 있다.

유틸리티 산업은 또한 최근에 전송 라인 상태를 진단하고, 전송 라인으로의 작동을 최적화하고, 유지보수 비용을 줄이고, 송전 그리드의 치명적인 고장 가능성을 줄이기 위한 제품 및 방법에 대한 요구를 표명했다. 그러나 송전선로는 길이가 수 킬로미터인 것 외에도 지리적으로 다양하고 원격에 위치한 기반 시설을 포함한다. 전체 전송 라인을 모니터링하고 문제의 특성 및 위치와 관련하여 높은 정확도로 전송 라인의 문제를 식별하고 문제와 관련된 데이터를 중앙 위치에 문제와 관련된 데이터를 전송하는 것이 극히 어렵다.

또한 전송 그리드를 최대 잠재력으로 활용하고 신뢰성의 가장자리에 더 가깝게 전송 라인 세그먼트를 작동하려는 요구가 있다. 그러나 이러한 조건에서 작동하면 송전 그리드에서 고장 이벤트(예: 송전 그리드의 오버헤드 전기 케이블 고장)가 발생할 가능성이 더 높아집니다.

강도 부재의 결함 또는 결점의 존재를 식별하고 연신율을 측정하기 위해 섬유 강화 복합 강도 부재를 조사하는 능력을 갖는 것이 바람직하다. 오버헤드 전기 케이블에서 복합 강도 부재의 제조, 설치 및 사용의 제품 주기 초기에 이러한 결함 또는 결함을 식별하는 것이 특히 바람직할 것입니다.

감지 광 섬유를 사용하는 오버헤드 전기 케이블의 인터로게이션(interrogation)과 관련하여 확인된 한 가지 문제는 복합 매트릭스 내에서 감지 광 섬유에 선택적으로 액세스하고 감지 광 섬유와 OTDR 장치 사이에 안정적인 연결을 만드는 것이 극히 어렵다는 것이다. 즉, 감지 광 섬유는 직경이 상대적으로 작아 구조 광 섬유와 동일한 매트릭스 내에 배치될 경우 위치 확인 및 연결이 어렵다. 이 문제는 종종 어려운 환경 조건에서 기술자가 현장에서 연결해야 하기 때문에 오버헤드 전기 케이블 설비와 관련하여 특히 어렵다.

따라서, 여기에 개시된 제품, 방법 및 시스템은 섬유 강화 복합 강도 부재에 대한 인터로게이션을 통해 복합 강도 부재의 결함을 검출할 수 있다: (i) 제조 후 및 설치 전(예: 제조 결함); (ii) 전기 전도체를 형성하기 위해 전기 전도성 층으로 연선 후 및 설치 전(예: 연선 중에 도입된 결함을 감지하기 위해); 및/또는 오버헤드 전기 케이블의 설치 후, 그러나 전기 전도체에 전원을 공급하기 전(예: 설치 프로토콜을 따르지 않아 발생한 결함). 제품 제조 및 설치 주기의 이러한 지점 중 하나 이상에서 복합 강도 부재 및/또는 전도성 층에 결함이 있는지 확인함으로써 조기 감지로 인해 시간과 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 개선 단계를 수행하여 결함을 일으킨 제조 또는 설치 실수를 수정하기 위해 취했다.

송전선로에 설치된 오버헤드 전기 케이블에 전원을 공급한 직후의 강도 부재의 온도, 변형 조건 또는 강도 부재의, 오버헤드 전기 케이블의 연신율(예: 길이 변화)과 같은 복합 강도 부재의 상태를 확인하는 것이 또한 유리할 수 있다. 따라서, 여기에 개시된 제품, 방법 및 시스템은 또한 오버헤드 전기 케이블에 전력을 공급한 직후 오버헤드 전기 케이블의 하나 이상의 상태를 확인하기 위해 오버헤드 전기 케이블의 인터로게이션을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 오버헤드 전기 케이블을 설치하면 전도성 층의 저항이 허용할 수 없을 정도로 높은 "핫 스팟"을 일으키는 전기 전도성 층의 표면 결함이 발생할 수 있다.

다른 양태에서, 오버헤드 전기 케이블의 상태는 예를 들어 전력 전송 그리드에서와 같은 정상적인 전력 전송 동작에서 오버헤드 전기 케이블의 설치 후 및 사용 동안 모니터링될 수 있다. 특히 기상 현상(예: 바람, 얼음 부하) 또는 우발적 사고(예: 도체 과부하, 전도층 손상 등)로 인해 오버헤드 전기 케이블의 상태를 모니터링하는 것이 매우 바람직하다. 예를 들어, 오버헤드 전기 케이블의 작동 온도는 연속적으로 또는 주기적으로 측정될 수 있다. 다른 양태에서, 오버헤드 전기 케이블의 인장 변형률(즉, 강도 부재의 인장 변형률)은 연속적으로 또는 주기적으로 측정될 수 있다. 또 다른 양태에서, 오버헤드 전기 케이블의 길이(즉, 강도 부재의 길이)는 연속적으로 또는 주기적으로 측정될 수 있다. 이러한 측정은 더 큰 시스템 안전 및 신뢰성을 위해 전송 라인의 임의의 주어진 범위에서 오버헤드 전기 케이블의 실시간 처짐과 같은 오버헤드 전기 케이블의 다른 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다.

하나의 특징에서, 제품, 시스템 및 방법은 분산 광 섬유 센서의 사용을 통합한다. 분산 광 섬유 센서는 복합 강도 부재의 길이를 따라 배치된 감지 광 섬유를 포함할 수 있고, 강도 부재 내에, 예를 들어 강도 부재의 결합 매트릭스 내에 배치될 수 있다. 분산 광 섬유 센서의 사용을 통해 오버헤드 전기 케이블의 특정 조건(예: 온도 또는 변형률)은 상태의 정량적 측정 및 해당 상태의 위치에 대해 고정밀의 오버헤드 전기 케이블의 길이를 따라 실질적으로 임의의 지점에서 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 오버헤드 전기 케이블의 길이를 따라 "핫스팟"이 식별될 수 있으며, 이는 전도 층 또는 코어의 결함으로 인해 전기 저항이 더 큰 지점을 나타낼 수 있다.

또한, 분산 광 섬유 센서의 사용을 통해, 인장 부재의 인장 변형이 인장 변형의 급격한 변화의 위치를 식별하기 위해 강도 부재의 길이를 따라 다른 위치에서 결정될 수 있다. 이러한 급격한 변화는 자연적 또는 인간적 사건으로 인한 복합 강도 부재의 결함과 같은 오버헤드 전기 케이블의 문제를 나타낼 수 있다. 이러한 결함을 조기에 정확하게 감지하여 결함이 전송 라인의 심각한 장애로 이어지기 전에 교정 조치를 취할 수 있다.

데이터가 모니터링, 기록 및/또는 분석하고 활용할 수 있는 위치로 데이터를 전송하도록 구성된 통신 모듈과 감지 및 모니터링 장치를 작동적으로 연결하는 것이 바람직할 수 있다. 분석에 기초하여, 송전 그리드는 예를 들어 오버헤드 전기 케이블을 통해 전송되는 전력을 증가 또는 감소시키기 위해 작동될 수 있다. 또한 다양한 조건(예: 핫스팟)에 대한 위치 정보를 활용하여 필요한 경우 문제를 추가로 검사하고 수정하기 위해 해당 위치에 유지 관리 팀을 효과적이고 효율적으로 배치할 수 있다.

일 실시예에서, 오버헤드 전기 케이블의 인장 변형 상태를 검출하기 위한 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 전송 라인의 세그먼트를 형성하는 적어도 제1 오버헤드 전기 케이블을 포함하고, 상기 오버헤드 전기 케이블은 섬유 강화 복합 강도 부재를 포함하고, 상기 강도 부재는 결합 매트릭스 및 상기 결합 매트릭스 내에 배치된 구조 섬유를 포함하고, 섬유 강화 강도 부재에 의해 감싸지고 지지되는 전기 전도성 층을 포함한다.

시스템은 또한 오버헤드 전기 케이블과 통합되고 예를 들어 오버헤드 전기 케이블의 인장 변형을 측정하도록 구성된 센서 구성요소를 포함하며, 센서 구성요소는 강도 부재의 중립 축의 길이를 따라 배열되고 강도 부재의 결합 매트릭스 내에 일체로 형성되는 적어도 제1 감지 광 섬유를 포함한다. 제1 감지 광 섬유는 예를 들어 오버헤드 전기 케이블의 길이를 따라 인장 변형의 분산 감지를 위해 구성된다. 시스템은 또한 제1 감지 광 섬유의 길이 아래로 간섭성 광 펄스를 전송하도록 구성된 적어도 제1 레이저 소스, 및 제1 감지 광 섬유에 의해 검출기에 후방산란되고 오버헤드 전기 케이블의 적어도 인장 변형에 관한 데이터를 제공한다.

하나의 특징에서, 센서 구성요소는 적어도 제2 감지 광 섬유를 포함하고, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 길이를 따라 중립 축으로부터 오프셋되고, 제2 감지 광 섬유는 오버헤드 전기 케이블의 길이에 따른 온도의 분배 감지를 위해 구성된다. 다른 특징에서, 제1 감지 광 섬유는 중립 축의 길이를 따라 실질적으로 선형으로 배치된다. 다른 특징에서, 제1 감지 광 섬유는 단일 모드 광 섬유이다. 다른 특징에서, 제1 감지 광 섬유는 실리카 기반 광 섬유이다. 다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 다중 모드 광 섬유이다. 다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 직경의 적어도 약 20%와 동일한 거리만큼 중립 축으로부터 오프셋된다.

다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 결합 매트릭스 내에 일체로 형성된다. 다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 결합 매트릭스와 결합 매트릭스를 둘러싸는 재료 층 사이에 배치된다. 다른 특징에서, 구조 섬유는 탄소 섬유를 포함한다. 다른 특징에서, 구조 섬유는 유리 섬유를 포함한다. 다른 특징에서, 구조적 섬유는 적어도 제1 유형의 섬유 및 제1 유형과 상이한 제2 유형의 섬유를 포함한다. 다른 특징에서, 구조 섬유는 실질적으로 연속적인 구조 섬유 토우를 포함한다. 다른 특징에서, 오버헤드 전기 케이블은 적어도 약 1000미터의 길이를 갖는다. 다른 특징에서, 강도 부재는 실질적으로 원형 단면을 갖는다. 다른 특징에서, 강도 부재는 약 1400 MPa 이상의 인장 강도를 갖는다. 다른 특징에서, 제1 신호 검출기는 제1 감지 광 섬유에 의해 후방산란되는 적어도 브릴루앙 후방산란된 광 성분을 검출하도록 구성된다. 다른 특징에서, 제1 신호 검출기는 제2 감지 광 섬유에 의해 후방산란되는 적어도 라만 후방산란된 광 성분을 검출하도록 구성된다. 다른 특징에서, 제1 신호 검출기는 적어도 오버헤드 전기 케이블의 길이를 검출하도록 구성된다. 다른 특징에서, 강도 부재는 단일 섬유 강화 복합 부재를 포함한다. 다른 특성화에서, 제1 신호 검출기는 광학 시간 도메인 반사 측정법에 의해 레일리 후방산란 광을 검출하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 지능형 전력 전송 시스템이 개시된다. 이 시스템은 제1 데드 단부 타워와 제2 데드 단부 타워 사이에 장력 하에서 연결되고 제1 및 제2 데드 단부 타워 사이의 복수의 서스펜션 타워에 의해 지지되어 전송 라인의 세그먼트를 형성한다. 제1 오버헤드 전기 케이블은 강도 부재 및 강도 부재 주위에 배치되고 강도 부재에 의해 지지되는 전기 전도성 층을 포함한다. 적어도 제1 감지 광 섬유는 제1 오버헤드 전기 케이블 내에 배치되고, 제1 감지 광 섬유는 제1 오버헤드 전기 케이블의 길이에 따른 복합 손상, 인장 변형 및 온도 중 적어도 하나의 분산 감지를 위해 구성된다.

시스템은 또한 제1 데드 단부 타워에 의해 작동 가능하게 지지되고 간섭성 광 신호 펄스를 적어도 제1 감지 광 섬유의 제1 단부로 지향시키도록 구성된 적어도 제1 펌프 레이저 소스, 브릴루앙 후방산란 광 성분의 적어도 하나를 검출하도록 구성되고 제1 데드 단부 타워에 작동적으로 지지되는 신호 검출기 및 제1 감지 광 섬유에 의해 신호 검출기로 후방 산란되는 간섭성 광 신호 펄스의 라만 후방산란광 성분 및 제1 데드 단부 타워로부터 이격되는 모니터링 시설로 후방산란광 성분에 관한 데이터를 전송하도록 구성된 제1 데드 단부 타워에 의해 작동적으로 지지되는 전송 유닛을 포함한다.

하나의 특징에서, 시스템은 제1 데드 단부 타워와 제2 데드 단부 타워 사이에 장력 하에 묶여 있고 복수의 서스펜션 타워에 의해 지지되는 제2 오버헤드 전기 케이블을 포함하고, 제2 오버헤드 전기 케이블은 강도 부재, 강도 부재 주위에 배치되고 강도 부재에 의해 지지되는 전기 전도성 층, 및 제2 오버헤드 전기 케이블 내에 배치된 적어도 제1 감지 광 섬유를 포함한다. 제1 펌프 레이저 소스는 간섭성 광 신호 펄스를 제1 감지 광 섬유의 제1 단부 내로 그리고 제2 감지 광 섬유의 제1 단부 내로 지향시키도록 구성된다.

다른 특징에서, 데드 단부 피팅은 오버헤드 전기 케이블을 데드 단부 타워에 부착하고 제1 레이저 소스는 데드 단부 피팅과 작동 가능하게 통합된다. 다른 특징에서, 적어도 제2 레이저 소스는 적어도 제1 감지 광 섬유를 통해 역전파 프로브 광 신호 펄스를 지향시키도록 구성된다. 다른 특성화에서, 제1 및 제2 데드 단부 타워 사이의 거리는 적어도 약 1500미터이다. 다른 특징에서, 제1 및 제2 데드 단부 타워 사이의 거리는 약 6000미터보다 크지 않다.

다른 실시예에서, 전송 라인 세그먼트에서 사용하도록 구성된 오버헤드 전기 케이블이 개시된다. 섬유 강화 복합 강도 부재는 수지 매트릭스 및 수지 매트릭스 내에 배치된 구조적 섬유, 강도 부재 주위를 감싸고 지지하는 전기 전도성 층 및 강도 부재의 중립 축의 길이를 따라 배치되고 강도 부재의 수지 매트릭스 내에 일체로 형성되는 적어도 제1 감지 광 섬유를 포함하고, 제1 감지 광 섬유는 오버헤드 전기 케이블의 길이를 따라 인장 변형의 분포된 감지를 위해 구성된다.

하나의 특징에서, 케이블은 적어도 제2 감지 광 섬유를 포함하고, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 길이를 따라 중립 축으로부터 오프셋되고, 제2 감지 광 섬유는 오버 헤드 전기 케이블의 길이를 따라 온도의 분산 감지를 위해 구성된다. 다른 특징에서, 제1 감지 광 섬유는 중립축의 길이를 따라 실질적으로 선형으로 배치된다. 다른 특징에서, 제1 감지 광 섬유는 단일 모드 광 섬유이다. 다른 특징에서, 제1 감지 광 섬유는 실리카 기반 광 섬유이다. 다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 다중 모드 광 섬유이다. 다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 직경의 적어도 약 20%와 동일한 거리만큼 중립 축으로부터 오프셋된다. 다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 수지 매트릭스 내에 일체로 형성된다. 다른 특징에서, 제2 감지 광 섬유는 강도 부재의 수지 매트릭스와 수지 매트릭스를 둘러싸는 재료 층 사이에 배치된다. 다른 특징에서, 구조 섬유는 탄소 섬유를 포함한다. 다른 특징에서, 구조 섬유는 유리 섬유를 포함한다. 다른 특징에서, 구조 섬유는 실질적으로 연속적인 구조 섬유 토우를 포함한다. 다른 특징에서, 오버헤드 전기 케이블은 적어도 약 1000미터의 길이를 갖는다. 다른 특징에서, 섬유 강화 복합재 부재는 약 1400 MPa 이상의 인장 강도를 갖는다.

도 1은 오버헤드 전기 케이블의 사시도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2f는 섬유 강화 복합 부재의 단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 길이를 따라 배치된 감지 광섬유를 갖는 섬유 강화 복합 부재의 사시 단면도를 도시한다.
도 4는 길이를 따라 배치된 2개의 감지 광섬유를 갖는 섬유 강화 복합 강도 부재를 포함하는 전기 전도체의 사시 단면도를 도시한다.
도 5는 오버헤드 전송 라인의 사시도를 도시한다.
도 6은 분포 센서 시스템을 사용하여 분석될 수 있는 후방산란 광 신호의 성분을 예시한다.
도 7은 복합 강도 부재로부터 인터로게이션 장치에 광 섬유를 결합하기 위한 연결 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 8은 광 섬유를 보호하고 인터로게이션 장치에 광 섬유의 결합을 용이하게 하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 광 섬유 정렬 장치에 광 섬유(들)의 부착을 개략적으로 도시한다.
도 10은 광 섬유를 노출시키기 위해 결합 매트릭스의 화학적 제거를 위한 방법 및 장치를 개략적으로 도시한다.
도 11은 광 섬유를 노출시키기 위해 결합 매트릭스의 열적 제거를 위한 방법 및 장치를 개략적으로 도시한다.

광범위하게 말하면, 섬유 강화 복합 강도 부재의 하나 이상의 조건(예를 들어, 기계적 또는 열적 조건)을 확인하기 위해 오버헤드 전기 케이블에서 섬유 강화 복합 강도 부재의 연속적 및/또는 주기적 인터로게이션(interrogation)을 가능하게 하는 제품, 방법 및 시스템이 여기에 개시된다. 결정된 조건은 단독으로 또는 조합하여(예를 들어, 알고리즘을 통해) 섬유 강화 복합 부재의 상태 및/또는 이의 길이를 따라 하나 이상의 위치의 섬유 강화 복합 부재를 둘러싸는 환경에 대한 정밀한 결정을 내리는 데 사용될 수 있다. 제품, 방법 및 시스템은 특히 장거리에 걸쳐 전기를 전송하기 위해 전력 전송 그리드에 사용되는 전송 및 분배 라인을 형성하는 복합 강도 부재를 포함하는 오버헤드 전기 케이블의 인터로게이션 및 모니터링에 특히 유용하다.

이러한 오버헤드 전기 케이블의 일례가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 오버헤드 전기 케이블(120)은 복합 강도 부재(126) 주위에 나선형으로 감긴 복수의 전도성 스트랜드(124a)를 포함하는 제1 전도성 층(122a)을 포함한다. 전도성 스트랜드(124a)는 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성 금속으로 제조될 수 있으며 일반적으로 알루미늄, 예를 들어 경화 알루미늄, 어닐링된 알루미늄, 및/또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전도성 스트랜드(124a)는 실질적으로 사다리꼴 단면을 갖지만, 원형 단면과 같은 다른 구성이 사용될 수 있다. 사다리꼴 단면과 같은 다각형 단면의 사용은 예를 들어 원형 단면을 갖는 스트랜드와 비교하여 동일한 유효 케이블 직경에 대해 전도성 금속의 단면적을 유리하게 증가시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 오버헤드 전기 케이블(120)은 또한 제1 전도성 층(122a) 둘레에 나선형으로 감긴 복수의 전도성 스트랜드(124b)를 포함하는 제2 전도성 층(122b)을 포함한다. 이러한 오버헤드 전기 케이블은 오버헤드 전기 케이블의 원하는 용도에 따라 단일 전도성 층, 또는 2개 초과의 전도성 층을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

언급된 바와 같이, 예를 들어 알루미늄으로 제조된 전도성 층(124a/124b)은 오버헤드 전도체 선을 형성하기 위해 지지 타워 사이에 묶일 때 자체 지지하기에 충분한 기계적 특성(예를 들어, 충분한 인장 강도)을 갖지 않는다. 따라서, 오버헤드 전기 케이블(120)은 높은 기계적 장력 하에서 오버헤드 전기 케이블(120)이 지지 타워들 사이에 묶일 때 전도성 층(124a/124b)을 지지하기 위한 강도 부재(126)를 포함한다. 전형적인 강도 부재는 스틸로 제조되었으며, 특히 복수의 스틸 요소(예를 들어, 로드)를 함께 감싸서 강도 부재를 형성했다. 최근에 스틸 강도 부재는 많은 상당한 이점을 제공하는 섬유 강화 복합물과 같은 복합 재료로 제작된 강도 부재로 대체되었다. 이러한 복합 강도 부재는 도 1에 도시된 바와 같이 단일 요소(예를 들어, 단일 로드)로 구성될 수 있다. 이러한 구성의 예는 히엘(Hiel) 등의 미국 특허 제7,368,162호에 기술되어 있으며, 이는 그 전체가 참고로 여기에 포함된다. 대안적으로, 복합 강도 부재는 강도 부재를 형성하기 위해 작동적으로 결합되는(예를 들어, 함께 나선형으로 꼬인) 복수의 개별 복합 요소(예를 들어, 개별 로드)로 구성될 수 있다. 이러한 다중 요소 복합 강도 부재의 예는 다음을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다: 미국 특허 제6,245,425호(McCullough 등)에 예시된 다중 요소 알루미늄 매트릭스 복합 강도 부재; 미국 특허 제6,015,953호(Tosaka 등)에 예시된 다원소 탄소 섬유 강도 부재; 및 미국 특허 제9,685,257호(Daniel 등)에 예시된 다중 요소 강도 부재. 이러한 미국 특허 각각은 전체가 참조로 여기에 포함된다.

광범위하게 특징지어지는, 섬유 강화 복합 강도 부재는 결합 매트릭스 및 결합 매트릭스 내에 작동적으로 배치된(예를 들어, 매립된) 복수의 구조 섬유를 포함할 수 있으며, 즉 매트릭스가 구조 섬유를 함께 결합하여 복합 부재를 형성한다.

구조 섬유가 매립되는 결합 매트릭스는 구조 섬유를 섬유 강화 복합 강도 부재에 작동적으로 매립하고 결합할 수 있는 임의의 유형의 무기 또는 유기 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 결합 매트릭스는 예를 들어 세라믹 또는 금속과 같은 무기 재료를 주로 포함할 수 있다. 다른 특징에서, 결합 매트릭스는 폴리머, 예를 들어 합성 폴리머와 같은 유기 재료를 지배적으로 포함할 수 있다.

예를 들어, 결합 매트릭스는 반결정질 열가소성 물질을 포함하는 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 유용한 열가소성 수지의 특정 예에는 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리프로필렌(PP), 폴리프로필렌 설파이드(PPS), 폴리에테르이미드(PEI), 액정 중합체(LCP), 폴리옥시메틸렌(POM 또는 아세탈), 폴리아미드(PA 또는 나일론), 폴리에틸렌(PE), 불소 중합체 및 열가소성 폴리에스터를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 결합 매트릭스에 유용한 중합체 재료의 다른 예에는 부가 경화된 페놀 수지(예를 들어, 비스말레이미드), 폴리에테르아미드, 다양한 무수물 또는 이미드가 포함될 수 있다.

한 특징에서, 결합 매트릭스는 에폭시 수지(예를 들어, 에폭시)와 같은 열경화성 중합체를 포함한다. 유용한 에폭시 수지의 예는 벤족사진, 열경화성 폴리이미드(PI), 폴리에테르 아미드 수지(PEAR), 페놀 수지, 에폭시계 비닐 에스테르 수지, 폴리시아네이트 수지 및 시아네이트 에스테르 수지를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 하나의 예시적인 실시예에서, 비닐 에스테르 수지가 결합 매트릭스에 사용된다. 다른 실시예는 에피클로로히드린과 비스페놀 A의 반응 생성물인 에폭시 수지의 사용을 포함한다. 또 다른 실시예는 비스페놀 A 디글리시딜 에테르(DGEBA)의 사용을 포함한다.

에폭시 수지용 경화제(예를 들어, 경화제)는 섬유 강화 복합 강도 부재의 원하는 특성 및 가공 방법에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 경화제는 지방족 폴리아민, 폴리아미드 및 이들 화합물의 변형된 버전으로부터 선택될 수 있다.

에폭시 수지는 또한 광범위한 공격성 화학물질에 대한 내성을 제공하도록 선택될 수 있고, 안정적인 유전 및 절연 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 수지가 ASTME595 가스 배출 표준 및 UL94 가연성 표준을 충족하고 섬유 강화 복합 강도 부재의 상당한 열화(예를 들어, 열적 또는 기계적 열화) 없이 약 100°C에서 200°C 사이의 온도 범위에서 간헐적으로 작동할 수 있다는 것이 유리할 수 있다.

에폭시 수지는 또한 제조를 보조하고 및/또는 결합 매트릭스의 특성을 개선하기 위한 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재의 원하는 특성과 제조 용이성을 달성하기 위한 열경화성 에폭시 수지 시스템은 촉매를 포함할 수 있다. 촉매(예를 들어, "촉진제")는 에폭시 수지 성분의 경화를 단시간에 및/또는 경화된 수지 매트릭스의 균열을 유발할 수 있는 감소된 부반응으로 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 또한 촉매는 수지 수명(예를 들어, "가용 시간")을 증가시키기 위해 저온에서 비교적 비활성이고 복합 강도 부재의 제조 동안 제조 속도를 증가시키기 위해 고온에서 매우 활성인 것이 바람직할 수 있다. 에폭시 수지는 또한 추가 가공 보조제(예를 들어, 이형제) 및 성능 향상 충전제(예를 들어, 탄성중합체, 열가소성 수지 등을 사용하여 매트릭스를 강화 또는 강화하기 위해)로 추가로 개질될 수 있다.

섬유 강화 복합 강도 부재는 또한 결합 매트릭스에 작동적으로 배치된(예를 들어, 전체에 분산된) 복수의 구조 섬유를 포함한다. 구조 섬유는 실질적으로 연속적인 섬유(예를 들어, 섬유 토우)를 포함할 수 있고 및/또는 불연속적인 섬유(예를 들어, 섬유 위스커)를 포함할 수 있다. 구조 섬유는 결합 매트릭스(예를 들어, 등방성 복합재) 내에서 정렬될 수 있거나 또는 결합 매트릭스(예를 들어, 이방성 복합재) 내에 무작위로 배치될 수 있다. 한 특징에서, 구조 섬유는 결합 매트릭스 전체에 배치된 하나 이상의 연장된 섬유 토우 형상와 같은 연속 섬유를 포함한다. 섬유 토우는 실질적으로 연속적인 개별 필라멘트의 꼬이지 않은 다발로, 종종 단일 섬유 토우에 수천 개의 개별 섬유를 포함한다.

섬유 강화 복합 강도 부재에 사용되는 구조 섬유는 합성 섬유 또는 천연 섬유로부터 선택될 수 있다. 다른 특징에서, 구조 섬유는 유기 섬유 또는 무기 섬유로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 구조 섬유는 탄소 섬유(예를 들어, 흑연 섬유 또는 탄소 나노섬유), KEVLAR^TM과 같은 아라미드 섬유, 유리 섬유(현무암 섬유 포함), 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 액정 섬유, 고성능 폴리에틸렌 섬유(예를 들어, SPECTRA 섬유), 고탄소 스틸 섬유 또는 탄소 나노튜브를 기반으로 하는 섬유를 포함하는 스틸 섬유(예를 들어, 스틸 하드와이어 필라멘트)를 포함할 수 있다. 섬유는 접착 강화 코팅을 사용하는 것과 같이 가공 및/또는 기계적 특성을 향상시키기 위해 선택적으로 코팅될 수 있다.

하나의 특징에서, 구조 섬유는 고강도(HS) 탄소 섬유, 중간 모듈러스(IM) 탄소 섬유, 높은 모듈러스(HM) 탄소 섬유 및 초고 모듈러스(UHM) 탄소로부터 선택된 것과 같은 탄소 섬유를 포함한다. 탄소 섬유는 레이온, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 또는 석유 피치와 같은 전구체로부터 제조될 수 있다. 유용한 탄소 섬유의 비제한적인 예는 탄소 섬유 제품 계열의 ZOLTEK PANEX^TM, ZOLTEK PYRON^TM, HEXCEL^TM, TORAY^TM, GRAFIL, 또는 THORNEL^TM로부터의 것을 포함한다. 탄소 섬유의 다른 예로는 TORAY M46J, TORAY T700 SC-24K, TORAY T700SC-12K, GRAFIL TRH50-18M, TORAY T800H-12K, TORAY T1000G, PyroFil TR-50S 또는 레이온 부산물 등이 있다. 당업자는 섬유 강화 복합 강도 부재에 사용될 수 있는 수많은 탄소 섬유 유형을 인식할 것이다.

단독으로 또는 탄소와 같은 다른 섬유 유형과 조합하여 상이한 유형의 유리 섬유가 또한 섬유 강화 복합 강도 부재에 유용할 수 있다. 예를 들어, A-유리(Glass), B-유리, C-유리, D-유리, E-유리, H-유리, S-유리, AR-유리, R-유리, 또는 현무암(예를 들어, 화산 유리) 섬유는 복합 강도 부재에 사용된다. 유리 섬유 및 파라글라스도 사용할 수 있다. 예를 들어, S-2 유리 758-AB-225, S-2 유리 758-AB-675; E-유리 366-AC-250; E-유리 366-AB-450, E-유리 366-AB-675 및 E-유리를 포함하는 현무암은 모두 구조 섬유에 유용할 수 있다. 일례로, E-유리와 같은 무붕소 유리가 유리 섬유로 사용된다.

세라믹 섬유는 또한 복합 강도 부재에서 구조 섬유로서 유용할 수 있다. 이러한 세라믹 섬유는 예를 들어 탄화규소 섬유(SiC)와 같은 탄화물 섬유, 질화규소 섬유(Si₃N₄)와 같은 질화물 섬유, 지르코니아계 섬유(ZrO₂)와 같은 금속 산화물 섬유, 알루미나 섬유(Al₂O₃), 알루미노실리케이트 섬유 및 알루미노보로실리케이트 섬유를 포함할 수 있다. 강화 세라믹 섬유의 예는 NEXTEL 연속 필라멘트 세라믹 산화물 섬유 312, 440, 550, 610 및 720과 같은 브랜드명 NEXTEL 하에 쓰리엠 컴퍼니(미국 미네소타주 세인트 폴)로부터 입수가능한 것들이다. 본 명세서에서는 세라믹으로 기재하지만 섬유의 경우, 이러한 섬유는 결정질 및 유리질(예를 들어, 비정질) 재료 상 둘 다를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.

하나의 특징에서, 복합 강도 부재는 2개 이상의 섬유 유형, 즉 2개 이상의 상이한 재료 조성 및/또는 상이한 섬유 유형의 섬유를 포함할 수 있다. 둘 이상의 섬유 유형은 혼합될 수 있거나 섬유 강화 복합 강도 부재의 개별 섹션, 예를 들어 동심 섹션에 배치될 수 있다. 두 가지 섬유 유형은 하나의 섬유 재료 등급에 속할 수 있다. 예를 들어, 복합 강도 부재는 E-유리 및 S-유리 섬유를 모두 포함할 수 있으며, 이는 유리 섬유 등급 내에서 두 가지 상이한 섬유 유형이다. 다른 예에서, 섬유 강화 복합 강도 부재는 탄소 섬유 부류 내에 2개의 상이한 섬유 유형, 예를 들어 HS 탄소 섬유 및 HM 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 더 저렴한 섬유 유형과 더 비싼 섬유 유형을 결합하여 감소된 비용으로 원하는 결과를 달성하기 위해 상이한 섬유의 조합이 사용될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 구조 섬유는 또한 불연속 섬유(예를 들어, 휘스커)를 단독으로 또는 연속 섬유와 조합하여 포함할 수 있다. 불연속 섬유는 선택적으로 결합 매트릭스 내에서 정렬되어 등방성 섬유 강화 복합 부재를 형성하거나 결합 매트릭스 내에서 무작위로 배향될 수 있다.

하나의 특정 실시예에서, 섬유 강화 복합 강도 부재는 강도 부재의 길이를 통해 실질적으로 연속적으로 연장하는 구조 섬유를 포함한다. 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재는 수지 매트릭스 내에 분산된 하나 이상의 연장된 구조 섬유 토우를 포함할 수 있다. 섬유 토우는 연속 섬유(필라멘트)의 묶음(예를 들어, 꼬이지 않은)이며, 여기서 토우의 개별 섬유 수는 생산량(파운드당 야드) 또는 K 번호로 표시된다. 예를 들어, 12K 섬유 토우에는 약 12,000개의 개별 섬유가 포함된다. 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재는 약 4K 내지 약 60K 또는 그 이상의 범위에서 탄소 섬유 토우를 선택하여 제조될 수 있다. 유리 섬유 토우는 전형적으로 약 100 항복 내지 약 1600 항복, 예를 들어, 약 5000 tex 내지 약 250 tex(g/km) 범위에서 선택될 수 있다.

전형적으로, 섬유 토우 내의 개별 구조 섬유의 직경은 약 8㎛ 이상 내지 18 μm의 직경을 갖는 유리 섬유와 같이 유리 섬유의 경우 약 8 μm 내지 25 μm인 것으로 선택될 수 있다. 탄소 섬유는 직경이 약 5 ㎛ 이상 약 8 ㎛ 이하인 탄소 섬유와 같이 직경이 약 4 ㎛ 이상 약 10 ㎛ 이하인 것으로 선택될 수 있다. 세라믹 섬유는 예를 들어 약 7㎛ 이상 약 13㎛ 이하의 직경을 가질 수 있다. 다른 종류의 구조 섬유의 경우, 복합 강도 부재의 원하는 물리적 특성에 따라, 또는 원하는 습윤 특성 또는 기타 제조 고려 사항에 따라 적절한 크기 범위가 결정될 수 있다. 예를 들어, 직경이 약 5μm 이하인 구조 섬유는 섬유를 취급하는 사람들에게 특정 건강 위험을 초래할 수 있다. 직경이 약 25μm를 초과하는 구조 섬유는 전형적으로 원하는 인장 특성 및/또는 가공성을 갖지 않는다.

섬유 강화 복합 강도 부재는 다각형 단면 형상, 타원형 단면 형상 및 대칭 및 비대칭 형상을 포함하는 사실상 임의의 다른 단면 형상과 같은 상이한 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 결합 매트릭스 내의 구조 섬유의 배치는 층 또는 섹션의 다양한 단면 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2f는 원형 단면 형상을 갖는, 예를 들어 복합 강도 부재의 종방향 축에 수직으로 취한 섬유 강화 복합 강도 부재의 여러 상이한 단면 구성을 예시한다.

도 2a는 결합 매트릭스(226A) 내에 균일하게 분산된 구조 섬유(224A)의 실질적으로 균일한 분포를 포함하는 복합 섹션(218A)을 포함하는 섬유 강화 복합 강도 부재(216A)를 예시한다. 복합 섹션(218A) 전체에 분산된 구조 섬유(224A)는 단일 섬유 유형(예를 들어, 탄소, 유리 또는 세라믹)이거나 둘 이상의 섬유 유형(예를 들어, 탄소 및 유리, 탄소 및 세라믹, 유리 및 세라믹 등)의 혼합물일 수 있다.

섬유 강화 복합 강도 부재는 또한 2개 이상의 별개의 섹션을 포함할 수 있다. 도 2b는 제1 섬유 강화 복합 섹션(218Bb)이 제2 섬유 강화 복합 섹션(218Ba)을 둘러싸고 있는 2개의 별개의 섬유 강화 복합 섹션을 포함하는 섬유 강화 복합 강도 부재(216B)를 예시한다. 제2 복합 섹션(218Ba)은 제1 결합 매트릭스(226Ba)에 분산된 제1 구조 섬유(224Ba)를 포함할 수 있고, 제2 섬유 강화 복합 섹션(218Ba)은 제2 결합 매트릭스(226Ba)에 분산된 제2 구조 섬유(224Ba)를 포함할 수 있다. 이 예에서, 제1 구조 섬유(224Ba)는 제2 구조 섬유(224Bb)와 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 제2 구조 섬유(224Bb)는 유리 섬유와 같이 상대적으로 낮은 탄성 계수 및/또는 전기 절연성을 갖는 낮은 모듈러스 섬유일 수 있고, 제1 구조 섬유(224Ba)는 탄소 섬유와 같이 제1 구조 섬유(224Ba)보다 더 높은 탄성 계수 및/또는 인장 강도를 갖는 구조 섬유일 수 있다. 또한, 제1 결합 매트릭스(226Ba)는 제2 결합 매트릭스(226Bb)와 동일하거나 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 결합 매트릭스(226Ba) 및 제2 결합 매트릭스(226Bb)는 동일한 재료(예를 들어, 동일한 에폭시 수지)를 포함하는 반면, 제1 구조 섬유(224Ba)는 제2 구조 섬유(224Bb)와 상이하며, 예를 들어, 제1 및 제2 구조 섬유는 적어도 하나의 다른 물성을 갖는다. 상이한 재료 특성은 임의의 재료 특성, 예를 들어 탄성 계수, 전기 전도도, 인장 강도, 연신율 및/또는 열팽창 계수일 수 있다. 그 결과, 제1 및 제2 복합 섹션(218Ba, 218Bb)은 상이한 탄성 계수, 전기 전도도, 인장 강도, 연신율 및/또는 열 팽창 계수와 같은 하나 이상의 상이한 재료 특성을 가질 수 있다. 하나의 특징에서, 제2 복합 섹션(218Bb)은 제2 복합 섹션(218Bb)보다 더 높은 탄성 계수 및 더 낮은 전기 전도도를 갖는다. 다른 특징에서, 제1 복합 섹션(218Ba)은 제1 복합 섹션(218Bb)보다 더 높은 인장 강도를 갖는다. 제1 섬유 강화 복합 섹션(218Ba)의 섬유 대 매트릭스 비율은 또한 제2 섬유 강화 복합 섹션(218Bb)의 섬유 대 매트릭스 비율과 상이할 수 있다. 섬유 대 수지 비율은 구조 섬유와 섹션의 결합 매트릭스 재료가 동일한지 또는 다른지 여부에 관계없이 다양할 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 섬유 강화 복합 강도 부재(216C)는 제2 섬유 강화 복합 섹션(218Cb)에 의해 둘러싸인 제1 섬유 강화 섹션(218Ca)을 포함한다. 강도 부재(216C)는 또한 제1 섹션(218Ca)에 의해 둘러싸인 제3 섬유 강화 복합 섹션(218Cc)을 포함한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 제3 섹션(218Cc)은 제3 결합 매트릭스(226Cc)에 분산된 제3 구조 섬유(224Cc)를 포함한다. 제3 구조 섬유(224Cc)는 제1 및/또는 제2 섬유 강화 섹션의 구조 섬유와 동일하거나 상이할 수 있고, 제3 결합 매트릭스(226Cc)는 섬유 강화 복합 섹션의 제1 및/또는 제2의 결합 매트릭스와 동일하거나 상이할 수 있다.

도 2d는 제2 재료 섹션(218Db)을 둘러싸는 제1 재료 섹션(218Da)을 포함하는 복합 강도 부재(216D)의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 제1 재료 섹션(218Da)은 구조 섬유가 실질적으로 없는 제1 재료(226Da)(예를 들어, 폴리머)를 포함한다. 달리 말하면, 제1 섹션(218Da)은 본질적으로 예를 들어 매트릭스 재료의 "매트릭스"(226Da)로 구성된다. 제1 재료 섹션(218Da)은 제2 결합 매트릭스(226Db)에 분산된 구조 섬유(224Db)를 포함하는 섬유 강화된 제2 섹션(218Db)을 둘러싼다. 제1 매트릭스(226Da)는 제2 결합 매트릭스(226Db)와 동일하거나 상이할 수 있다. 하나의 특징에서, 섬유 강화 제2 섹션(218Db)의 구조 섬유(224Db)는 탄소 섬유를 포함하고, 제1 재료 섹션(218Da)은 탄소 섬유를 절연(예를 들어, 전기 절연)한다. 또한, 구조 섬유가 실질적으로 없는 제1 재료 섹션(218Da)은 복합 강도 부재(216D)에 어느 정도의 가요성을 제공하기 위해 섬유 강화된 제2 섹션(218Db)보다 낮은 탄성 계수를 가질 수 있다.

도 2e에 도시된 바와 같이, 복합 강도 부재(216E)는 실질적으로 제2 섹션(218Eb)을 둘러싸는 섬유 강화 제1 재료 섹션(218Ea)을 포함한다. 이 실시예에서, 제1 섹션(218Ea)은 제1 결합 매트릭스(226Ea)에 분산된 구조 섬유(224Ea)를 포함한다. 제2 섹션(218Eb)은 구조 섬유가 실질적으로 없고, 제1 결합 매트릭스(226Ea)의 에폭시 수지와 동일하거나 상이할 수 있는 제2 결합 매트릭스(226Eb)(예를 들어, 본질적으로 결합 매트릭스(226Eb)로 구성될 수 있음)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 제2 섹션(218Eb)은 임의의 재료가 실질적으로 없을 수 있고, 즉, 섬유 강화 복합 부재(216E)의 길이를 통해 중공일 수 있다. 다른 특징에서, 제2 섹션(218Eb)은 섬유 강화 복합 강도 부재(218Ea)의 전체 중량(예를 들어, 단위 길이당 중량)을 감소시키기 위해 폴리머 발포체와 같은 경량 충전재 재료를 포함할 수 있다.

섬유 강화 복합 강도 부재는 결합 매트릭스 및 결합 매트릭스를 통해 분산된 구조 섬유 외에, 즉, 전술한 섬유 강화 복합 재료 외에 다른 특징을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재는 또한 결합 수지 매트릭스, 예를 들어 코팅의 외부 표면 주위에 배치된 재료 층을 포함할 수 있다. 추가 재료 층은 복합 재료(예를 들어, 수지 및/또는 구조 섬유)에 대한 추가 보호를 제공하도록 선택되거나 복합 강도 부재에 추가 기능을 제공하도록 선택될 수 있다. 추가 재료 층은 금속층, 금속 산화물층, 유리층 또는 폴리머층일 수 있다. 한 구성에서, 추가 재료 층은 예를 들어 수분 배리어 및/또는 유전 층으로서 섬유 강화 복합 재료에 대한 보호를 제공하도록 선택되는 중합체 층이다. 이러한 폴리머 층은 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating) 등의 방법으로 섬유 강화 복합재 상에 형성될 수 있으며, 섬유 강화 복합 재료의 제조 중 또는 복합 재료의 제조 후에 적용될 수 있다.

도 2f에 도시된 바와 같이, 섬유 강화 복합 강도 부재(216F)는 결합 매트릭스(226F)에 분산된 구조 섬유(224F)를 포함하는 섬유 강화 복합 섹션(218F)을 포함한다. 복합 섹션(218F)은 재료 층(222F)에 의해 둘러싸여 있다. 재료 층(222F)은 복합 섹션(218F) 주위에 배치되고 실질적으로 이를 둘러싸는 코팅을 포함할 수 있다. 한 특징에서, 복합 재료 섹션(218F)은 에폭시 수지 매트릭스에 배치된 탄소 구조 섬유를 포함할 수 있고, 재료 층(222F)은 폴리머 코팅 또는 금속 코팅과 같이 열화로부터 수지 및 탄소 섬유를 보호하도록 선택되는 코팅을 포함할 수 있다. 외부 재료 층을 포함하는 섬유 강화 복합 부재의 예는 Guery 등의 미국 특허 공개 번호 2007/0193767 및 Meyer 등의 미국 특허 공개 번호 2012/0090892에 기재되어 있으며, 이들 각각은 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다. 또한, 이러한 외부 재료 층은 임의의 강도 부재 구성, 예를 들어 도 2A-2F에 예시된 임의의 구성과 조합하여 사용될 수 있다.

전술한 섬유 강화 복합 섹션은 복합 강도 부재에 충분한 특성(예를 들어, 인장 강도)을 제공하기 위해 상대적으로 높은 섬유 대 수지 비율을 가질 수 있다. 한 특징에서, 섬유 강화 복합 섹션은 적어도 약 60 부피% 섬유와 같은 적어도 약 50 부피% 섬유를 포함한다.

본 명세서에 개시된 제품, 방법 및 시스템에 따르면, 섬유 강화 복합 강도 부재는 섬유 강화 복합 강도의 구조 내에 일체로 배치된(예를 들어, 완전히 배치된) 적어도 제1 감지 광 섬유를 통합할 수 있다. 예를 들어, 감지 광 섬유는 섬유 강화 복합 섹션과 섬유 강화 복합 섹션을 둘러싸는 외부 재료 층 사이에 배치될 수 있다(예를 들어, 도 2F 참조).

하나의 특정 특징에서, 감지 광 섬유는 결합 매트릭스의 길이를 따라, 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재의 실질적으로 전체 길이를 따라 결합 매트릭스 내에 배치된다. 감지 광 섬유가 외부 재료 층 아래에 배치될 수 있거나 또는 결합 매트릭스 내에 완전히 배치될 수 있고, 즉 감지 광 섬유가 그 길이를 따라 외부 환경에 직접 노출되지 않는다는 것이 특히 장점이다. 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재 내에 감지 광 섬유를 완전히 배치함으로써 감지 광 섬유는 외부 재료 층 및/또는 결합 매트릭스에 의해 외부 환경으로부터 완전히 보호(예를 들어, 차폐)되어 다음을 보장하다. 자연적 또는 인위적 환경 요인(예를 들어, 열, 충격 응력 등)이 감지 광 섬유의 성능을 크게 손상시키지 않는다. 또한, 특히 결합 매트릭스 내에 감지 광 섬유를 배치함으로써 감지 광 섬유는 섬유 강화 복합 섹션 내의 매트릭스에 물리적으로 밀접하게 결합되고, 섬유 강화 복합 강도 부재에 작용하는 힘(예를 들어, 인장 변형률)은 섬유 강화 복합 강도 부재의 전체 길이를 따라 감지 광 섬유에 완전하고 일관되게 전송되어 응력 및 변형률과 같은 매우 정확한 측정을 보장한다.

섬유 강화 복합 강도 부재의 인터로게이션을 가능하게 하고 그 길이를 따라 섬유 강화 복합 강도 부재의 상태를 검출하기 위해, 하나 이상의 감지 광 섬유가 복합 강도 부재의 길이를 따라 배치될 수 있다. 도 3a는 도 2b에 도시된 섬유 강화 복합 강도 부재와 단면 구성이 유사한 섬유 강화 복합 강도 부재의 부분 단면도를 도시한다. 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)는 내부 섹션(318Aa) 및 내부 섹션(318Aa)을 둘러싸는 외부 섹션(318Ab)을 포함한다. 하나의 특징에서, 내부 섹션(318Aa)은 결합 매트릭스에 다수의 실질적으로 연속적인 강화 탄소 섬유를 포함하고, 외부 섹션(318Ab)은 결합 수지 매트릭스에 다수의 실질적으로 연속적인 강화 유리 섬유를 포함하는 섬유 강화 복합 섹션이며, 이는 내부 섹션(318Aa)의 결합 매트릭스와 동일하거나 상이할 수 있다. 예시의 목적을 위해, 외부 섹션(318Ab)은 내부 섹션(318Aa)으로부터 부분적으로 벗겨진 것으로 도시되어 있다.

적어도 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 섬유 강화 복합 강도 부재(316A) 내에 배치된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 길이를 따라 내부 섹션(318Aa)의 결합 매트릭스 내에 완전히 배치된다. "완전히 배치된"은 감지 광 섬유(328Aa)가 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)와 접촉하는 감지 광 섬유(328Aa)의 길이를 따라 광 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 결합 매트릭스에 의해 완전히 둘러싸여 있음을 의미하다. 따라서, 감지 광 섬유(328Aa)의 단부(330Aa)는 감지 광 섬유(328Aa)를 광 신호원(예를 들어, 레이저) 및/또는 아래에서 논의되는 바와 같이 신호 검출기에 작동가능하게 결합을 허용하기 위하여 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 단부(332A)를 넘어 연장될 수 있다.

또한, 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 강도 부재(316A)의 결속 매트릭스 내에 일체로 형성될 수 있다. 즉, 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 결합 매트릭스에 대한 광 섬유(328Aa)의 기계적 결합을 용이하게 하기 위해 (예를 들어, 개재 재료 층이 없이) 직접 접촉할 수 있다.

본 명세서에 개시된 감지 광 섬유(예를 들어, 제1 감지 광 섬유(328Aa))는 내부 전반사에 의해 종방향 축을 따라 광을 전송하는 원통형 유리 섬유로 정의된다. 감지 광 섬유는 코어와 코어를 둘러싸는 클래딩을 포함하며, 여기서 코어의 굴절률은 클래딩의 굴절률보다 크다. 코어와 클래딩은 일반적으로 코어와 클래딩의 굴절률을 제어하기 위해 다른 요소(예를 들어, Ge, Al, F, B)로 주의깊게 도핑된 실리카 기반 유리를 포함한다. 이러한 감지 광 섬유는 또한 UV 경화 코팅과 같이 섬유를 둘러싸는 중합체가 제공될 수 있다.

감지 광 섬유(328Aa)는 단일 모드 광 섬유일 수 있다. 단일 모드 광 섬유는 단일 광선(즉, 단일 모드)을 전송하도록 구성되며, 일반적으로 비교적 두꺼운 클래딩(예를 들어, 약 125 μm의 클래딩 직경)에 의해 둘러싸인 비교적 작은 직경의 코어(예를 들어, 8 μm 내지 10.5 μm 직경)를 포함한다. 대안적으로, 감지 광 섬유(328Aa)는 다중 모드 광 섬유일 수 있다.

다중 모드 광 섬유는 다중 광선(즉, 다중 모드)을 전송하도록 구성되며 단일 모드 광 섬유에 비해 코어 직경이 더 큽니다(예를 들어, 50μm ~ 100μm). 어느 경우든, 광 섬유는 예를 들어 수 킬로미터 이상의 섬유 강화 복합 부재에 통합하기 위해 수 킬로미터 이상의 길이로 제공될 수 있다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 길이를 통해 실질적으로 중립 축(334A)(즉, 중립 굽힘 축)을 따라 배치된다. 중립 축(334A)은 실질적으로 종방향 굽힘 응력 또는 변형이 없는 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 단면을 통한 축이다. 대칭 복합 강도 부재(즉, 대칭 단면 형상)의 경우 중립 축은 단면의 기하학적 중심이 된다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 중립 축(334A)을 따라 적어도 제1 감지 광 섬유(328Aa)의 배치는 감지 광 섬유(328Aa)에 대한 굽힘 모드의 작용을 유리하게 감소시키거나 제거할 수 있다. 결과적으로, 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 인장 응력만을 받을 수 있으며, 이는 감지 광 섬유(328Aa), 따라서 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 결합 매트릭스와 일체로 형성될 때 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)에서 인장 응력의 보다 정확한 측정을 가능하게 할 수 있다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)는 또한 복합 강도 부재(316A) 내에 완전히 배치된, 예를 들어 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 길이를 따라 결합 매트릭스 내에 완전히 배치되는 적어도 제2 감지 광 섬유(328Ab)를 포함한다. 상술한 제1 감지 광 섬유(328Aa)의 특성은 제2 감지 광 섬유(328Ab)에도 동일하게 적용될 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 제2 감지 광 섬유(328Ab)는 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 길이를 따라 중립 축(334A)으로부터 오프셋되고, 예를 들어, 제1 감지 광 섬유(328Aa)로부터 오프셋된다. 예를 들어, 제2 감지 광 섬유(328Ab)는 적어도 약 2.0mm와 같이 적어도 약 1.5mm만큼 중립 축(334A)으로부터 오프셋될 수 있다. 달리 말하면, 제2 감지 광 섬유(328Ab)는 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 외부 표면에 근접하게, 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 외부 표면의 0.5mm 이내에 배치될 수 있다.

하나는 중립 축(334A)을 따르고 다른 하나는 중립 축(334A)으로부터 오프셋된 적어도 2개의 감지 광 섬유를 포함함으로써, 2개의 감지 광 섬유(328Aa 및 328Ab)으로부터 수득된 데이터의 비교 분석과 같이 섬유 강화 복합 강도 부재(316A)의 다양한 조건이 정확하게 결정될 수 있다. 제2 감지 광 섬유(328Ab)가 중립 축과 실질적으로 선형 관계(예를 들어, 제1 감지 광 섬유(328Aa)와 선형)로 배치되는 것이 유리할 수 있다.

제2 감지 광 섬유(328Ab)는 제1 감지 광 섬유(328Aa)(예를 들어, 단일 모드 광 섬유 또는 다중 모드 광 섬유 모두)와 동일하거나 유사할 수 있다. 대안적으로, 감지 광 섬유는 다른 유형일 수 있다. 하나의 특정 특징에서, 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 단일 모드 광 섬유(예를 들어, 인장 변형의 분산 감지를 위해 구성됨)이고 제2 감지 광 섬유(328Ab)는 다중 모드 광 섬유(예를 들어, 온도의 분산 감지를 위해 구성됨)이다. 대안적으로, 제1 감지 광 섬유(328Aa)는 다중 모드 광 섬유일 수 있고 제2 감지 광 섬유(328Ab)는 단일 모드 광 섬유일 수 있다.

제1 감지 광 섬유(328Aa) 및 제2 감지 광 섬유(328Ab)에 더하여, 추가 감지 광 섬유가 예를 들어 결합 매트릭스 내에 배치된 섬유 강화 복합 강도 부재에 통합될 수 있다. 이러한 추가 감지 광 섬유는, 예를 들어, 섬유 강화 복합 강도 부재(334A)의 중립 축(334A)으로부터 상이한 거리(예를 들어, 단면을 따른 거리)에 배치될 수 있으며, 이는 섬유 강화 복합 강도 부재(334A)의 외부 표면에 근접하는 것을 포함한다. 이러한 추가 감지 광 섬유는 섬유 강화 복합 강도 부재(334A)의 추가 조건의 검출을 가능하게 할 수 있고 및/또는 다른 감지 광 섬유 중 하나 이상이 의도한 대로 기능하지 못하는 경우와 같이 중복성을 제공할 수 있다.

도 3b는 강도 부재의 길이를 따라 감지 광 섬유를 포함하는 섬유 강화 복합 강도 부재의 다른 구성을 예시한다. 섬유 강화 복합 강도 부재(316B)는 구조 섬유(예를 들어, 탄소 섬유) 및 결합 매트릭스(예를 들어, 수지 매트릭스)로 구성된 섬유 강화 복합 섹션(318B)을 포함한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 섬유 강화 복합 강도 부재(316B)는 복합 섹션(318B) 주위에 배치된 재료 층(322B)(예를 들어, 코팅)을 또한 포함한다(예시를 위해, 재료 층(322B)은 복합 섹션(318B)으로부터 부분적으로 제거되는 것으로 도시됨). 예를 들어, 재료 층(322B)은 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)과 같은 절연성 및 내구성 폴리머일 수 있다. 재료 층(322B)에 유용한 다른 중합체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화 에틸렌 중합체(FEP) 및 폴리옥시메틸렌(POM)을 포함할 수 있다. 재료 층(322B)은 또한 알루미늄과 같은 금속일 수 있다. 또한, 복합 섹션(318B) 주위에 하나 초과의 재료 층이 배치될 수 있다.

섬유 강화 복합 강도 부재(316B)는 섬유 강화 복합 섹션(318B)과 재료층(322B) 사이에 배치된 감지 광 섬유(328B)를 포함한다. 이러한 방식으로, 재료 층(322B)은 유리하게는 감지 광 섬유(328B)뿐만 아니라 복합 섹션(318B)을 주변 환경(예를 들어, 습기) 및/또는 충격 손상으로부터 보호할 수 있다. 이러한 방식으로 섬유 강화 복합 강도 부재(316B)의 외주 근처(예를 들어, 근접)에 감지 광 섬유(328B)를 배치하면 감지 광 섬유(328B)가 환경 조건(예를 들어, 온도)을 보다 정확하게 감지하는 능력이 향상될 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 섬유 강화 복합 강도 부재(316B)는 예를 들어 결합 매트릭스 내에 배치되거나 복합 섹션(318B)과 재료 층(322B) 사이에 배치된 길이를 따라 추가 감지 광 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 추가 감지 광 섬유는 위에서 논의된 바와 같이 복합 강도 부재(316B)의 중립 축을 따라 배치될 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 섬유 강화 복합 강도 부재는 섬유 강화 복합 강도 부재 내에 배치된, 예를 들어 결합 수지 매트릭스 내에 배치된 및/또는 섬유 강화 복합재 사이에 배치된 적어도 하나의 감지 광 섬유를 포함한다. 감지 광 섬유는 실질적으로 섬유 강화 복합 강도 부재의 전체 길이를 관통하는 길고 연속적인 광 섬유일 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 섬유 강화 복합 강도 부재는 실질적으로 연속적인 구조 섬유, 예를 들어 구조 섬유의 실질적으로 연속적인 토우를 포함할 수 있다. 이러한 구조는 핸드 레이업, 테이프 배치 또는 기타와 같은 다양한 방법을 사용하여 제작할 수 있다. 한 특징에서, 섬유 강화 복합 강도 부재(예를 들어, 섬유 강화 복합 섹션)는 인발 공정에 의해 적어도 부분적으로 제조된다.

섬유 강화 복합 강도 부재는 오버헤드 전기 케이블, 특히 고전압 오버헤드 전송 라인, 예를 들어, 고전압, 초고전압(EHV) 또는 초고 전압 (UHV) 오버헤드 전송 라인에서 사용하기 위해 특히 구성된다. 이와 관련하여, 전기 전도성 재료의 개별 스트랜드으로 강도 부재를 꼬는 것과 같이, 전기 전도성 층이 섬유 강화 복합 강도 부재의 외부 표면(예를 들어, 외주) 주위에 배치될 수 있다. 도 4는 도 1에 도시된 것과 유사한 오버헤드 전기 케이블(410)의 단면의 사시도를 도시한다.

오버헤드 전기 케이블(410)은 오버헤드 전기 케이블(410)의 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 연장되는 기다란 섬유 강화 복합 강도 부재(416)를 포함한다. 강도 부재(416)는 전술된 바와 같이(도 2A-2F 참조) 수지 매트릭스 내에 배열된 하나 이상의 섬유를 포함할 수 있는 섬유 강화 복합 강도 부재이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 강도 부재(416)는 실질적으로 원형의 단면 형상을 갖는다. 오버헤드 전기 케이블에 사용하기 위해, 단일 요소(예를 들어, 단일 로드) 강도 부재(416)는 예를 들어, 약 3mm 이상 내지 약 15mm 이하의 유효 외경을 가질 수 있지만, 본 개시는 특정 직경의 강도 부재와 함께 사용하는 것으로 제한된다.

제1 감지 광 섬유(428a)는 그 중립 축을 따라 합성 강도 부재(416) 내에 배치되고(예를 들어, 원형 단면의 기하학적 중심에서), 제2 감지 광 섬유(428b)는 중립 축으로부터 오프셋된(예를 들어, 이격되어) 축을 따라 강도 부재(416) 내에 배열된다. 도 2a 참조. 감지 광 섬유(428a, 428b)는 단일 모드 광 섬유 또는 다중 모드 광 섬유일 수 있다. 일 구성에서, 제1 감지 광 섬유(428a)(즉, 중립 축을 따라 배치됨)는 강도 부재(416)의 길이를 따라 스트레인(예를 들어, 인장 스트레인)을 측정하도록 구성되고 단일 모드 광 섬유이다. 이 구성에서, 제2 감지 광 섬유(428b)는 온도를 측정하도록 구성되며, 다중 모드 광 섬유일 수 있다. 이러한 구성은 아래에서 더 자세히 설명하다.

오버헤드 전기 케이블(410)은 또한 강도 부재(416) 둘레에 배치된 제1 전기 전도성 층(412a)을 포함한다. 전기 전도성 층(412a)은 강도 부재(416) 주위에 나선형으로 권취된(예를 들어, 꼬인) 전기 전도성 재료의 복수의 스트랜드(예를 들어, 전도성 스트랜드(414a))를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 오버헤드 전기 케이블(410)은 전기 전도성 재료(예를 들어, 스트랜드(414b))의 복수의 스트랜드를 또한 포함하는 제2 전기 전도성 층(412b)을 더 포함한다. 오버헤드 전기 케이블(410)을 가로질러 증가된 전기 전도(예를 들어, 감소된 저항률)를 위해 더 높은 단면적을 제공하는 것이 바람직할 수 있는 바와 같이 추가의 전도성 층이 또한 제공될 수 있음을 이해해야 한다.

전기 전도성 층(412a/412b)은 구리, 알루미늄 및 이들의 합금을 포함하는 특정 응용에 필요한 임의의 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 하나의 특징에서, 전기 전도성 층(412a/412b)은 알루미늄 스트랜드, 특히 예를 들어 100kV를 초과하는 고전압을 전달하도록 구성된(예를 들어, 크기가 지정된) 알루미늄 스트랜드를 포함한다. 알루미늄 합금을 포함하는 다양한 유형의 알루미늄이 전도성 층(412a/412b)에 사용될 수 있다. 한 특성에서 전도성 스트랜드는 완전히 어닐링된 1350-O 알루미늄과 같이 완전히 어닐링된 알루미늄으로 제조된다. 완전 어닐링된 알루미늄은 유리하게도 비교적 높은 전도도, 약 63% IACS(국제 어닐링된 구리 표준) 및 오버헤드 전기 케이블에 사용하기 위한 우수한 열 저항 특성을 갖는다.

또한, 스트랜드(414a/414b)는 비원형 스트랜드(예를 들어, 단면이 다각형임)이고, 한 특징에서 사다리꼴 스트랜드, 즉 사다리꼴 형상의 단면을 갖는다. 사다리꼴 형상의 스트랜드를 사용하면 원형 스트랜드에 비해 동등한 직경 구성(예를 들어, 오버헤드 전기 케이블의 직경)으로 더 많은 전도성 재료(예를 들어, 더 높은 도체 단면적)를 제공할 수 있다는 것이 유리하다. Nexans(Paris, FR)로부터 입수가능한 Z-WIRE 스트랜드로 지칭되는 것과 같은, 다른 단면을 갖는 스트랜드가 이용될 수 있다.

감지 광 섬유(들)를 통해 작동적으로 배치된 섬유 강화 복합 강도 부재를 포함하는 오버헤드 전기 케이블은 전기 전송 그리드의 백본을 형성하는 전송 라인에서 이용될 수 있다. 도 5는 예를 들어 다른 전송 라인에 상호 연결됨으로써 전기 전송 그리드의 일부를 형성하는 전송 라인(500)의 일부의 사시도를 예시한다. 전송 라인(500)은 소정의 거리만큼 이격된 복수의 서스펜션 타워(502)를 포함한다. 서스펜션 타워(502) 각각은 수직으로 이격된 관계로 복수의 크로스 암(506a, 506b, 506c)을 수직으로 상승시키고 지지하는 수직 지지 섹션(504)을 포함한다. 각각의 크로스 암은 차례로 전기 절연체(도시되지 않음)에 의해 서스펜션 타워로부터 격리된 서스펜션 타워(502)의 대향 측면에서 적어도 한 쌍의 오버헤드 전기 케이블(예를 들어, 오버헤드 전기 케이블(508a 및 510a))을 지지한다. 서스펜션 타워(502)에서 절연체는 일반적으로 수직 위치 또는 V-배열에 있다. 당업자는 서스펜션 타워의 다른 구성, 예를 들어 수평으로 이격된 관계로 오버헤드 전기 케이블을 지지하는 구성이 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

전송 라인(500)가 건설될 때, 오버헤드 전기 케이블은 서스펜션 타워(502)에 매달리고 오버헤드 오버헤드 전기 케이블이 지면 위 또는 오버헤드 전기 케이블 아래의 임의의 물체 위에, 예를 들어, 건물, 도로, 기차 선로 등과 같은 인공 물체 위 또는 나무와 같은 자연 물체 위에서 충분한 수직 거리로 상승하도록 보장하기 위해 매우 높은 기계적 장력으로 당겨진다. 서스펜션 타워는 높은 장력으로 당긴 후 오버헤드 전기 케이블의 단부가 고정될 수 있는 적어도 2개의 데드 단부 타워(즉, 앵커 타워) 사이에 배치된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 데드 단부 타워는 서스펜션 타워보다 더 강하도록 구성되고 오버헤드 전기 케이블에 대해 더 넓은 베이스 및/또는 더 강한 부착 지점을 가질 수 있다. 데드 단부 타워는 전송 라인이 끝나는 곳, 전송 라인이 큰 각도로 회전하는 곳 또는 주요 교차점(예를 들어, 강 또는 계곡)의 양쪽에서 사용된다. 데드 단부 타워도 전송 라인을 세그먼트로 분할하기 위해 미리 결정된 간격(예를 들어, 최대 약 6km)으로 이용된다. 예를 들어, 전송 라인 세그먼트는 2개의 데드 단부 타워(예를 들어, 적어도 약 1500미터) 사이에 약 6 내지 약 15개의 데드 단부 타워를 포함할 수 있다. 전송 라인을 세그먼트로 분할하면 각 섹션을 넘어 치명적인 결함이 전파되는 것을 방지할 수 있다.

전기 전도체에 이러한 높은 장력을 가할 수 있게 하기 위해, 오버헤드 전기 케이블의 섬유 강화 복합 강도 부재는 약 1400 MPa 이상, 또는 적어도 약 2000 MPa 인장 강도와 같은 매우 높은 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

오버헤드 전기 케이블의 섬유 강화 복합 강도 부재는 또한 전송 라인 전설 부위로 전기 전도체의 이송을 위해 및 강도 부재를 좌초 시설(stranding facility)로 보관 및/또는 운송하기 위해 저장 스풀에 감길 수 있는 충분한 유연성(예를 들어, 탄성 계수)을 가질 수 있다.

오버헤드 전기 케이블에 사용하도록 구성된 섬유 강화 복합 강도 부재는 또한 예를 들어 개별 길이의 전기 전도체를 연결하기 위해 바람직하지 않게 많은 수의 스플라이스를 필요로 하지 않고 전송 라인(500)의 구성에 충분한 길이를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 한 특징에서, 섬유 강화 복합 강도 부재(및 오버헤드 전기 케이블)는 적어도 약 1km, 적어도 약 2km, 적어도 약 3km 또는 심지어 약 3 km 이상, 또는 약 5km 이상의 연속 길이를 갖는다. 실용적인 문제로, 섬유 강화 복합 강도 부재와 오버헤드 전기 케이블의 길이는 일반적으로 약 10km를 초과하지 않는다.

섬유 강화 복합 강도 부재를 포함하는 오버헤드 전기 케이블의 예는 히엘(Hiel) 등의 미국 특허 제7,211,319호 및 히엘(Hiel) 등의 미국 특허 제7,368,162호에 기재되어 있으며, 이들 각각은 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.

위에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 오버헤드 전기 케이블의 섬유 강화 복합 강도 부재는 내부에 배치된 적어도 제1 감지 광 섬유를 포함하고 내부에 배치된 2개 이상의 감지 광 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 감지 광 섬유는 섬유 강화 복합 강도 부재의 상태를 검출하기 위해 섬유 강화 복합 강도 부재를 인터로게이션하도록 구성된 센서 시스템의 구성요소일 수 있다. 개시된 센서 시스템을 사용하여 결정될 수 있는 섬유 강화 복합 강도 부재 조건의 예는 섬유 강화 복합 강도 부재의 변형률(예를 들어, 인장 변형률), 온도 및 길이를 포함한다. 이러한 조건들 중 하나 이상으로부터, 라인 처짐(line sag), 결함의 존재, 전류 등과 같은 섬유 강화 복합 강도 부재 및 전기 전도체의 상태가 결정될 수 있다.

감지 광 섬유(들)가 섬유 강화 복합 강도 부재 내에 배치되는(예를 들어, 통합되는) 본 명세서에 개시된 구성의 이점이다. 이러한 방식으로, 감지 광 섬유(들)의 온도, 변형 및 기타 조건은 섬유 강화 복합 강도 부재 및 오버헤드 전기 케이블이 실제로 경험하는 조건과 강하게 상관된다. 예를 들어, 섬유 강화 복합 재료 강도 부재가 인장 변형은 감지 광 섬유가 겪는 인장 변형과 실질적으로 동일하며, 이는 감지 광 섬유가 복합 강도 부재 상에 힘이 작용할 때 복합 재료(예를 들어, 결합 매트릭스)와 동일한 정도로 변형되기 때문이다.

달리 말하면, 감지 광 섬유는 광 섬유 강화 복합 부재와 동일한 조건을 받도록 광 섬유 강화 복합 부재(예를 들어, 결합 매트릭스)에 직접적으로 긴밀하게 결합된다. 또한, 결합 매트릭스는 오버헤드 전기 케이블의 제조(예를 들어, 꼬임) 및 오버헤드 전기 케이블 설치를 포함하여 감지 광 섬유를 손상시킬 수 있는 환경적 영향으로부터 감지 광 섬유를 보호하다.

하나의 특징에서, 센서 시스템은 분배 광 섬유 센서 시스템으로 구성된다. 분배 센서 시스템은 섬유 강화 복합 강도 부재의 길이를 따라 임의의 위치에서 섬유 강화 복합 강도 부재의 상태를 결정할 수 있는 선형 센서로서 감지 광 섬유를 이용하다. 즉, 분배 센서는 상당히 높은 정확도로 섬유 강화 복합 강도 부재의 길이를 따라 조건과 해당 조건의 위치를 모두 결정할 수 있다. 분산 센서 시스템은 감지 광 섬유의 길이가 수 킬로미터 이상인 경우에도 및 복합 강도 부재의 길이를 따라 배치되는 임의의 특별한 센서 구조(예를 들어, 브래그 격자)가 필요하지 않은 감지 광 섬유의 전체 길이를 따라 조건을 결정할 수 있는 고유 특성을 제공한다.

분산 광 섬유 센서 시스템은 감지 광 섬유에 작동적으로 결합되어 광이 제어된 방식으로 광 섬유 내로 통과(예를 들어, 펄스)될 수 있도록 하는 간섭성 광원(예를 들어, 펌프 레이저 소스)을 포함할 수 있다. 광원은 감지 광 섬유를 통해 신호(예를 들어, 펄스)를 보내도록 구성되며 광 섬유 센서에서 후방산란된 빛을 분석하여 광 섬유 상태의 감지(예를 들어, 측정)를 수행한다. 이와 관련하여, 센서 시스템은 또한 후방산란된 광 신호를 검출하도록 구성된 간섭계와 같은 신호 검출기를 포함할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 후방산란 광의 성분은 레일레이(Rayleigh) 성분, Brillouin 성분 및 Raman 성분으로 분류할 수 있다. 후방산란된 레일리 성분은 1차 광원과 동일한 주파수(즉, 동일한 파장)를 가지며 상대적으로 높은 강도를 갖는다. 후방산란 광 신호의 Rayleigh 성분은 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)을 사용하여 감지 광 섬유의 길이를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 따라서 Rayleigh 성분은 전도체 케이블의 손상 가능성을 나타내는 광 섬유의 파손을 감지하는 데 사용할 수 있다. 그러나 Rayleigh 구성 요소는 감지 광 섬유의 상태에 대해 더 이상 중요한 정보를 제공할 수 없다.

한 특징에서, 분산 광 섬유 센서 시스템은 라만 후방산란 광 성분(예를 들어, 라만 분포 센서) 및 브릴루앙 후방산란 광 성분(예를 들어, Brillouin 분배 센서) 중 적어도 하나의 분석에 기초한다(예를 들어, 구현). Raman 및 Brillouin 분배 센서 시스템은 모두 기본 광 신호와 감지 광 섬유 재료 간의 비선형 상호 작용을 이용한다. 알려진 파장(λo)의 1차 광 신호가 광 섬유에 입력되면 감지 광 섬유를 따라 모든 지점에서 극소량의 광 신호(예를 들어, 후방산란 광 신호)가 산란된다. 후방산란 광은 1차 광 신호와 다른 파장에서 이동된 성분을 포함한다. 더 긴 파장(즉, 더 낮은 에너지)으로 이동된 빛 성분은 스톡스(Stokes) 성분이라고 하는 반면, 더 짧은 파장(즉, 더 높은 에너지)으로 이동된 빛 성분은 안티-스토크스(Anti-Stokes) 성분이라고 하다. 도 6 참조. 이러한 이동된 후방산란 광 성분은 감지 광 섬유의 길이를 따라 다른 지점에서의 변형 및 온도와 같은 감지 광 섬유의 국부적 조건에 대한 정보를 확인하기 위해 감지 및 분석될 수 있다.

일 구성에서, 감지 광 섬유 중 적어도 하나는 라만 분포 온도 센서의 구성요소이다. 라만 분포 온도 센서에서 1차 광 신호(예를 들어, 펌프 레이저 신호)와 감지 광 섬유 재료(예를 들어, 실리카)의 광 포논 사이의 상호 작용은 후방산란 광 스펙트럼, 라만 스톡 및 라만 안티 스톡스에서 2개의 후방산란된 광 성분을 형성한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 라만 안티-스토크스 성분은 온도 의존적이고 즉, 라만 안티-스토크스 성분의 강도는 감지 광 섬유의 온도가 증가함에 따라 증가한다. 그 결과, Raman Stokes와 Raman anti-Stokes 후방산란 광 성분의 상대 강도를 측정하여 감지 광 섬유의 온도를 결정하는 데 사용할 수 있다. 라만 스톡스 및 라만 안티-스토크스 후방산란 광 성분은 예를 들어 간섭계 또는 분산 분광계와 같은 신호 검출기에 의해 검출될 수 있다.

감지 광 섬유의 길이를 따른 온도 판독의 위치는 또한 라만 후방산란 광 성분으로부터 결정될 수 있다. 펄스 광 신호(예를 들어, 지속 시간이 수 나노초)가 감지 광 섬유를 인터로게이션하는 데 사용되는 경우 Raman Stokes 및 Raman anti-Stokes 후방산란 광 성분의 후방산란 강도는 시간(예를 들어, "왕복" 시간)의 함수로서 기록될 수 있고, 이에 따라 감지 광 섬유의 길이를 따라, 즉 섬유 강화 복합 강도 부재의 길이를 따라 온도 프로파일을 얻는 것을 가능하다.

하나의 특징에서, 섬유 강화 복합 강도 부재에 통합된 센서 시스템은 다중 모드 감지 광 섬유를 갖는 라만 분포 온도 센서를 포함한다. 높은 개구수를 갖는 다중 모드 감지 광 섬유는 라만 후방산란 광 신호의 상대적으로 작은 크기로 인해 중요할 수 있는 후방산란 광의 강도를 증가시킬 수 있다.

라만 분포 온도 센서의 예는 Sensa(영국, 사우샘프턴)로부터 입수가능한 것들, Smartec(스위스) 및 Sensortran(미국, 텍사스 오스틴)으로부터 입수가능한 DiTemp 시스템을 포함한다.

일 구성에서, 감지 광 섬유 중 적어도 하나는 브릴루앙(Brillouin) 분배 센서 시스템의 구성요소이다. 브릴루앙 분배 센서는 기본 광 신호와 광 섬유(즉, 음향 포논) 내의 시간 종속 광학 밀도 변화 간의 상호 작용 결과인 브릴루앙 후방산란을 이용하다. 음향 포논은 감지 광 섬유 재료의 굴절률(예를 들어, 광학 밀도)의 주기적인 변조를 생성한다. 브릴루앙 산란은 전파되는 1차 광 신호가 이 이동하는 "격자"에 의해 회절되어 후방산란된 광 신호에서 주파수(및 파장) 이동된 성분(즉, 자발적 브릴루앙 산란)을 초래할 때 발생된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 감지 광 섬유의 온도가 증가함에 따라 브릴루앙 후방산란 성분의 파장은 1차 파장(λo)서 멀어지게 이동한다. 이 파장 이동은 감지 광 섬유의 온도를 결정하는 데 이용될 수 있다. 라만 분포 온도 센서와 마찬가지로 감지 광 섬유의 길이에 따른 온도 위치는 후방산란 광 신호에 대한 비행 시간 정보를 사용하여 결정할 수도 있다.

라만(Raman) 분포 센서와 달리, 브릴루앙 분포 센서는 또한 감지 광 섬유의 스트레인(예를 들어, 인장 스트레인)을 검출하는데 이용될 수 있다. 즉, 감지 광 섬유 내부의 변형률의 변화는 감지 광 섬유의 광밀도 변화로 인해 브릴루앙 후방산란 광 성분의 파장 이동도 유발한다. 결과적으로, 길이를 따라 임의의 지점에서 감지 광 섬유, 따라서 복합 강도 부재에 의해 경험되는 변형이 결정될 수 있다.

브릴루앙 분배 센서는 자발적 브릴루앙 기반 기술, 즉, 브릴루앙 광학 시간 영역 반사계(BOTDR) 또는 자극된 브릴루앙 기반 기법, 즉, BOTDA(Brillouin optical time domain analysis)를 구현하도록 구성될 수 있다. BOTDR 구성의 일 이점은 단일 간섭성 펌프 광원을 사용할 수 있다는 것이다(즉, 감지 광 섬유의 일 단부에서). BOTDR은 또한 감지 광 섬유의 온도와 변형률을 동시에 측정할 수 있는 기능을 제공한다. 그러나 감지된 후방산란 광 신호는 일반적으로 매우 약하여 신호 처리와 긴 통합 시간이 필요하다.

다른 구성에서, 브릴루앙 분배 센서 시스템은 BOTDA 기술을 구현한다. BOTDA에서, 브릴루앙 이동과 동일한 파장 차이를 갖는 역전파 입력 광 신호(때때로 "프로브" 신호 또는 "반대파" 신호라고도 함)가 사용된다. 이 프로브 신호는 감지 광 섬유의 포논 개체군을 강화하여 신호 대 잡음비를 높인다. 1차(펌프) 광 신호가 짧은 펄스이고 그 반사 강도를 비행 시간 및 파장 이동 측면에서 분석하면 감지 광 섬유의 길이에 따른 브릴루앙 이동의 프로파일을 얻을 수 있다. BOTDA 기술은 일반적으로 2개의 반대 전파 광 신호 파장이 매우 안정적이어야 한다(예를 들어, 동기화된 레이저 소스). 유리하게는, 1.0℃ 미만 또는 심지어 0.5℃ 미만의 온도 분해능이 달성될 수 있다. 또한, 감지 광 섬유에 의해 경험되는 매우 작은 변형 이동이 감지될 수 있다.

따라서 브릴루앙 분배 센서는 온도 모니터링에 유용하며 변형 측정에 고유하게 적합하다. 이와 관련하여, 일반적으로 감지 광 섬유(들)를 따라 임의의 지점에서 절대 온도를 계산하기 위해 기준 온도에서 감지 광 섬유의 파장 이동을 알 필요가 있다. 또한 절대 변형 측정을 가능하게 하려면 전형적으로 변형되지 않은 섬유의 파장 이동을 알아야 하다.

변형 및/또는 온도 측정을 위한 브릴루앙 분포 센서의 예는 미국 특허 제7,499,151호 및 제7,599,047호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다. 예를 들어 브릴루앙 분배 센서의 예는 Oz Optics(캐나다, 오타와) 및 Omnisens(스위스, 모르주)에서 사용할 수 있다.

하나의 특히 유리한 특징에서, 섬유 강화 복합 강도 부재 내의 섬유 변형에 대한 온도 변화의 효과는 다중 모드 감지 광 섬유(예를 들어, 라만 분포 온도 센서에서) 및 단일 모드 감지 광 섬유(예를 들어, Brillouin 분산 스트레인 센서)를 이용함으로써 고려된다. 변형 계산은 유리하게는 라만 분포 온도 센서 시스템에 의해 검출된 온도를 사용하여 변형에 대한 온도 효과를 분리하는 것을 포함할 수 있다.

다른 특징에서, 섬유 강화 복합 부재의 전체 길이는 감지 광 섬유의 전체 길이를 측정함으로써 결정될 수 있다. 이 길이 정보는 Rayleigh 후방산란, Raman 후방산란 및/또는 Brillouin(OTDR) 후방산란을 사용하여 감지 광 섬유를 사용하여 측정할 수 있다.

따라서, 섬유 강화 복합 부재를 강도 부재로 사용할 때 오버헤드 전선 성능을 보장하기 위해, 파괴된 구조 섬유가 인장 강도를 감소시키므로 구조 섬유가 과도하게 파괴되지 않도록 보장되고, 오버헤드 전기 케이블의 장력 부하를 지탱하기에 충분하지 않은 연속 구조 섬유가 남아 있으면 오버헤드 전기 케이블이 고장날 수 있다(예를 들어, 파손). 여기에 개시된 시스템은 오버헤드 전기 케이블의 설치 전, 설치 중 또는 설치 후에 이러한 파손의 검출을 유리하게 가능하게 할 수 있다.

하나의 특징에서, 섬유 강화 복합 강도 부재의 무결성은 강도 부재를 전도성 층(들)으로 묶기 전에 분산 센서 시스템에 의해 인터로게이션될 수 있다. 예를 들어, 저장 스풀 주위에 감긴 강도 부재는 강도 부재의 결함(예를 들어, 제조 결함)을 식별하기 위해 분산 광 섬유 센서를 사용하여 인터로게이션될 수 있다. 한 특징에서, 강도 부재는 강도 부재의 길이를 따라 변형을 감지하기 위해 브릴루앙 분배 센서(예를 들어, BOTDR 또는 BOTDA)를 사용하여 인터로게이션된다. 길이에 따른 변형률의 이상은 결합 매트릭스 내의 균열 또는 공극과 같은 강도 부재 내의 결함을 나타낼 수 있다.

이러한 방법은 전기 전도체의 추가 제조(예를 들어, 꼬임)가 발생하기 전에 강도 부재에 제조 결함이 존재하는지 여부를 신속하게 결정하여 시간 및 비용 낭비를 방지하는 데 유리하게 사용될 수 있다. 여기에 설명된 분배 센서 시스템은 또한 길이가 수 킬로미터 이상일 수 있는 강도 부재의 길이를 따라 결함을 찾을 수 있으므로 결함을 포함하지 않는 강도 부재의 하나 이상의 부분을 회수할지 여부에 대한 결정이 내려질 수 있다.

다른 특징에서, 섬유 강화 복합 강도 부재의 무결성은 강도 부재를 전도성 층으로 꼬아 전기 전도체를 형성한 후 및 오버헤드 전기 케이블의 설치 전에 인터로게이션될 수 있다. 부적절한 연선 작업은 섬유 강화 복합 강도 부재에 과도한 응력을 가하여 강도 부재의 무결성을 약화시키거나 손상시키는 바람직하지 않은 결함(예를 들어, 균열)을 유발할 수 있다.

다른 특징에서, 강도 부재의 무결성은 오버헤드 전기 케이블의 설치 이후에, 그러나 오버헤드 전기 케이블을 에너자이징하기 전에(예를 들어, 전력 공급하기 전에) 인터로게이션될 수 있다. 이 방식으로, 전송 라인 작업자는 오버헤드 전기 케이블이 전송 라인의 제조, 부적절한 꼬임 또는 부적절한 구성으로 인한 실질적인 결함을 포함하지 않는다는 것을 확신할 수 있다.

강도 부재의 전술한 인터로게이션 방법은 개별 단계, 즉 특정 시점의 코어 무결성에 대한 정보를 제공하기 위해 수행될 수 있다. 이러한 정보는 오버헤드 전기 케이블의 무결성이 손상되지 않았다는 것을 전송 라인 작업자에게 보증하기 위해 오버헤드 전기 케이블의 제조업체 및 설치자에게 유용할 수 있다.

일 구현에서, 섬유 강화 복합 강도 부재의 특성, 따라서 오버헤드 전기 케이블의 특성은 예를 들어 에너자이징 후 및 전송 라인의 작동 중에, 예를 들어 전송 그리드의 작동 중에 실시간으로 인터로게이션(예를 들어, 모니터링)될 수 있다. 전송 라인의 실시간 인터로게이션은 몇 가지 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 고장 위치를 포함한 전송 라인의 고장을 거의 즉시 감지하여 필요한 경우 긴급 조치(예를 들어, 라인 수리 또는 송전 전환)를 취할 수 있다. 또한, 예를 들어 오버헤드 전기 케이블의 온도 및/또는 변형 변동, 이러한 변동의 위치를 나타내는 데이터는 이러한 오류가 발생하기 전에 잠재적인 오류 지점을 식별하는 데 도움이 되도록 시간이 지남에 따라 수집될 수 있다. 또한, 데이터는 전송 라인에 의해 및/또는 전송 그리드 내의 다른 전송 라인에 의해 전송되는 전력의 양을 줄이거나 늘리는 것과 같이 전송 라인을 포함하는 전력 전송 그리드의 작동을 실시간으로 조정하는 데 사용될 수 있다.

오버헤드 전기 케이블의 주요 기능은 전기 부하를 전달하는 것이지만, 전기 전도체는 얼음, 바람 또는 다른 환경 요인으로 인한 다른 중량(또는 응력)뿐만 아니라 자체 중량을 지탱할 만큼 충분히 강해야 하다. 오버헤드 전기 케이블이 설치될 때(예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 서스펜션 타워에 묶음), 강도 부재는 다른 환경적 요인으로 인한 하중에 추가로 전도성 층(들)을 지지하고 전기 전도체에 가해지는 실질적으로 전체 인장 하중을 지지한다. 이러한 하중은 전기 전도체를 처지게 할 수 있고 즉, 전기 전도체가 지면에 더 가깝게 늘어지고 낙하되어 잠재적으로 위험한 조건을 만들고 전송 라인의 치명적인 고장을 일으킬 수도 있다.

오버헤드 전기 케이블의 경우, 전기 전도체 처짐을 나타내는 정보(예를 들어, 전송 라인의 작동 중 실시간)는 브릴루앙 분포 센서 출력(예를 들어, 온도 및 인장 힘)으로부터 유도된다. 이는 또한 감지 광 섬유(들)을 사용하여 감지된 얼음 형성(예를 들어, 인장 변형 변화를 통한) 및 온도 변화의 연구 및 모니터링을 지원할 수 있다.

오버헤드 전기 케이블의 처짐은 또한 감지 광 섬유의 길이를 직접 측정함으로써 전체적으로 또는 부분적으로 결정될 수 있다. 길이는 예를 들어 레일리 후방산란 광 신호, 라만 후방산란 광 신호 또는 브릴루앙 후방산란 광 신호를 측정하는 OTDR 기술을 사용하여 측정될 수 있다.

오버헤드 전기 케이블에서, 전기 전도체의 온도 및 온도 판독 위치를 결정하는 것이 또한 바람직하다. 예를 들어, 외부 전기 전도성 층의 손상(예를 들어, 총격으로 인한)은 단면적을 감소시키고 작동 온도가 상승하는 "핫스팟"을 초래할 수 있으며, 오버헤드 전기 장치에 영구적인 손상을 줄 수 있을 만큼 충분히 높을 수 있어서 케이블 및 정전의 원인이 된다. 위에서 설명된 한 특징에서, 강도 부재는 강도 부재의 중립 축으로부터 오프셋된, 즉 강도 부재의 외부 표면에 더 가까운 다중 모드 광 섬유를 갖는 라만 분포 온도 센서를 포함한다. 이러한 구성은 전도성 층에 대한 다중 모드 광 섬유의 근접성으로 인해 전기 전도체(예를 들어, 전도성 층)의 온도의 매우 정확한 판독을 유리하게 가능하게 할 수 있다.

오버헤드 전기 케이블에서, 분산된 온도 데이터는 또한 위에서 설명한 유지보수 작업을 위한 국부 '핫스팟'의 식별 및 오버헤드의 남은 수명 추정을 포함하여 시간 경과에 따른 누적 열 노출을 나타내는 데이터를 수집하고 분석함으로써 전기 부하로부터 전기 전도체 가열에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있다. 분포된 변형 데이터는 또한 전도체 장력을 포함하여 전기 전도체의 상태에 대한 귀중한 정보를 제공하여 전기 전도체와 지지 구조물의 안전한 작동을 보장할 수 있다. 결합된 전도체 장력 및 온도 정보(예를 들어, 전기 전도체의 전체 길이를 따라 실시간으로)는 유틸리티 조작자가 오버헤드 전기 케이블에 흐르는 전류를 결정하는 것이 유리할 수 있고(예를 들어, 실시간으로) 심각한 및/또는 광범위한 정전을 일으키기 전에 비상 상황을 처리할 수 있는 충분한 경고 시간을 가진 운영자에게 경고할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 전송 라인은 세그먼트, 예를 들어 오버헤드 전기 케이블이 고정되는 오버헤드 전기 케이블의 반대 단부에서 데드 단부 타워에 의해 정의된 세그먼트로 분할될 수 있다. 오버헤드 전기 케이블(들)은 하나 이상의 서스펜션 타워에 의해 2개의 데드 단부 타워 사이에 매달려 있을 수 있다. 유리하게는, 제1 및 제2 데드 단부 타워에 고정된 오버헤드 전기 케이블은 실질적으로 연속적일 수 있으며, 즉 그 길이를 따라 임의의 전기 접속부를 포함하지 않을 수 있다.

레이저 소스(예를 들어, 제1 펌프 레이저 소스)는 제1 데드 단부 타워에 의해 작동 가능하게 지지될 수 있고 제1 오버헤드 전기 케이블 내의 적어도 제1 감지 광학 섬유의 제1 단부로 광 신호(예를 들어, 레이저 신호 펄스)를 지향시키도록 구성될 수 있다. 하나의 특징에서, 단일 레이저 소스는 복수의 오버헤드 전기 케이블에 배치된 복수의 감지 광 섬유 아래로 레이저 펄스를 동시에 지향시키도록 (예를 들어, 빔 스플리터를 통해) 구성될 수 있다. 또한, 오버헤드 전기 케이블(들)은 데드 단부 피팅에 의해 데드 단부 타워에 고정될 수 있으며, 레이저 소스는 하나 이상의 데드 단부 피팅과 일체로 형성될 수 있다. 이러한 데드 단부 피팅의 예는 예를 들어 브라이언트(Bryant)의 미국 특허 번호 7,019,217 및 브라이언트(Bryant) 등의 미국 특허 번호 8,022,301에 개시되어 있으며, 이들 각각은 그 전체가 참고로 여기에 포함된다.

하나 이상의 신호 검출기(예를 들어, 전술한 바와 같음)는 또한 제1 데드 타워에 의해 작동 가능하게 지지될 수 있다. 신호 검출기(들)는 예를 들어 데드 단부 피팅(dead-end fittings)과 일체로 형성될 수 있다. 대안적으로, 또는 제1 데드 단부 타워에 의해 지지되는 것에 추가하여, 신호 검출기는 레이저 소스로부터 오버헤드 전기 케이블의 반대쪽 단부에서 제2 데드 단부 타워에 의해 지지될 수 있다.

다른 특징에서, 센서 시스템(들)은 제어될 수 있고 및/또는 센서 시스템(들)로부터의 데이터는 원격으로, 예를 들어 실제 센서 시스템에 근접하지 않은 중앙 위치에서 수집될 수 있다. 이러한 중앙 집중식 위치는 단일 전송 라인을 따라 및/또는 전기 전송 그리드 내의 복수의 전송 라인으로부터 복수의 위치에 대해 이러한 제어 및 수집을 수행할 수 있다. 예를 들어, 센서 시스템은 제어 신호가 센서 시스템에 제공될 수 있고 및/또는 데이터가 센서 시스템으로부터 원격으로 수집될 수 있도록 무선 전송 장치에 작동 가능하게 결합될 수 있다(예를 들어, 데드 단부 타워에 작동 가능하게 장착됨). 센서 시스템은 또한 재생 가능 및/또는 자급식 에너지(예를 들어, 태양 전지판)를 사용하여 전력을 공급받을 수 있으며, 정전 동안 센서 시스템의 지속적인 작동을 보장하기 위해 전원은 바람직하게는 전송 라인에서 분리된다.

전송 라인의 오버헤드 전기 케이블에 대해 본 명세서에 기술된 섬유 강화 복합 부재 및 센서 시스템의 사용에 추가하여, 섬유 강화 복합 부재 및 시스템은 전송 라인의 다른 구성요소에서도 구현될 수 있다. 예를 들어, 섬유 강화 복합 부재 및 시스템은 오버헤드 전기 케이블을 수직으로 지지하는 지지 타워(도 5 참조)에 사용될 수 있으며, 특히 지지 타워의 교차 암에 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 지지 암은 전송 라인이 경험하는 다양한 환경 조건(예를 들어, 결빙, 바람 등)의 결과로 다양한 하중을 받을 수 있다. 따라서, 크로스-암의 상태(예를 들어, 크로스-암의 변형)가 검출될 수 있고 그 정보는 전송 라인의 전체 상태를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 타워의 다른 구성요소(예를 들어, 도 5의 수직 지지 타워의 프레임)는 전송 라인의 상태에 관한 유용한 정보를 제공하기 위해 여기에 개시된 섬유 강화 복합 부재 및 시스템을 구현할 수도 있다.

오버헤드 전기 케이블 및/또는 센서 시스템(예를 들어, 분배 센서 시스템)을 포함하는 전송 라인의 다른 구성요소를 위한 강도 부재의 전술한 구현 중 하나 이상을 통합함으로써, 복수의 전송 라인을 포함하는 전송 그리드 및/또는 전송 라인의 지능형 작동 시스템 및 방법이 제공될 수 있다. 이러한 시스템 및 방법은 오버헤드 전선의 연속적 또는 반연속적 인터로게이션를 포함하여, 예를 들어 오버헤드 전선의 온도 조건, 변형 조건, 기계적 부하 및/또는 신장을 감지하고 특정 상황에 대한 응답으로 조치를 취할 수 있다. 이들 조건의 결정으로부터, 특정 전도체 세그먼트의 처짐 또는 전도체 세그먼트에 의해 운반되는 전류와 같은 다른 조건 및/또는 상태가 결정될 수 있다.

예를 들어, 동작은 하나의 전송 라인에 공급되는 전력을 증가 또는 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 한 특징에서 분배 센서는 전송 라인의 한 위치에서 상승된 온도를 감지하고 감지에 대한 응답으로 조치를 취하다. 예를 들어, 응답은 해당 전송 라인을 통해 전송되는 전력을 감소시키는 것과 같은 예방 조치 및/또는 문제를 인터로게이션하고 수리하기 위해 수리 요원을 파견하는 것과 같은 수리 조치가 포함될 수 있다. 이와 관련하여, 분산 센서 시스템은 유리하게도 문제의 위치가 높은 정확도(예를 들어, 수 미터 이내 내에서)로 결정될 수 있게 하여 수리 직원이 문제를 찾는 데 필요한 시간을 줄인다.

다른 예에서, 오버헤드 전도체에 가해지는 장력(예를 들어, 변형률)이 측정되고, 측정된 변형이 위험을 나타내는 것으로 간주되는 경우 교정 조치가 취해질 수 있다. 또 다른 예에서, 처짐(예를 들어, 열 부하, 얼음 또는 바람으로 인한)은 예를 들어 전기 전도체의 신장을 측정함으로써 계산된다. 처짐의 크기는 위험하다고 판단되면 오버헤드 전선이 위험한 수준으로 처지기 전에 처짐을 줄이거나 전송 라인에 제공되는 전력을 줄이기 위한 교정 조치를 취할 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 감지 광 섬유를 사용하는 오버헤드 전기 케이블의 인터로게이션과 관련하여 확인된 한 가지 문제는 복합 강도 부재 내에서 감지 광 섬유에 선택적으로 접근하고 감지 광 섬유와 OTDR 장치 사이의 신뢰할 수 있는 연결을 구성한다. 즉, 감지 광 섬유는 직경이 상대적으로 작아 구조 광 섬유와 동일한 매트릭스 내에 배치될 경우 위치 확인 및 연결이 어렵다. 이 문제는 종종 어려운 환경 조건에서 기술자가 현장에서 연결해야 하기 때문에 오버헤드 전기 케이블 설치와 관련하여 특히 어렵다.

본 개시내용의 특정 실시예에 따르면, 인터로게이션 장치(interrogation device)(예를 들어, OTDR 장치)를 감지 광 섬유에 연결하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 하나의 시스템 및 방법은 제조 공정 동안 복합 강도 부재의 단부에 느슨한(예를 들어, 결합 매트릭스에 의해 결합되지 않은) 구조 섬유 및 광학 감지 섬유를 제공하는 단계, 및 광 섬유에 감지 섬유 커넥터를 설치하는 단계를 포함한다. 다른 시스템 및 방법은 복합 강도 부재를 절단하는 단계(예를 들어, 오버헤드 전기 케이블의 설치 동안) 및 광 섬유를 포함하는 강도 부재의 단부를 폴리싱하여 광 섬유의 단부(들)를 포함하는 매끄러운 표면을 형성하는 단계 및 특정 정렬 장치를 통해 광 섬유를 인터로게이션 장치에 연결하는 단계를 포함한다. 다른 시스템 및 방법은 복합 강도 부재를 절단하는 단계(예를 들어, 오버헤드 전기 케이블을 설치하는 동안) 및 강도 부재의 단부를 결합 매트릭스를 용해하도록 선택된 화학 용액에 침지하는 단계 및 광 섬유를 인터로게이션 장치에 연결하는 단계를 포함한다. 또 다른 방법은 복합 강도 부재를 절단하는 단계(예를 들어, 오버헤드 전기 케이블을 설치하는 동안) 및 특수 설계된 토치를 사용하여 매트릭스를 버닝한 다음 광 섬유를 인터로게이션 장치에 연결하는 단계를 포함한다.

도 7은 복합 강도 부재로부터 인터로게이션 장치(interrogation device)에 광 섬유를 결합하기 위한 연결 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이것은 인터로게이션 장치(770), 예를 들어 OTDR 장치를 포함한다. 커넥터(750)는 인터로게이션 장치(770)를 광 섬유(728a/728b)에 작동 가능하게 연결한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광 섬유(728a/728b)는 복합 강도 부재(716)의 단부를 넘어 연장된다. 예를 들어, 광 섬유는 강도 부재의 단부를 넘어 적어도 약 3cm, 예컨대 적어도 약 5cm, 예를 들어 적어도 약 9cm만큼 연장될 수 있다. 다른 특징에서, 광 섬유는 약 40cm 이하, 예를 들어 약 30cm 이하만큼 강도 부재의 단부를 넘어 연장된다. 복합 강도 부재 자체는 약 500미터 이상, 예를 들어 약 1000미터 이상, 약 2000미터 이상, 또는 심지어 약 5000미터 이상의 길이를 가질 수 있다.

2개의 광 섬유를 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 시스템은 단일 광 섬유, 또는 3개의 광 섬유, 4개의 광 섬유, 5개의 광 섬유, 또는 그 이상을 포함하는 복수의 광 섬유를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

일 실시예에서, 복합 강도 부재의 적어도 하나의 단부가 결합 매트릭스에 의해 결속되지 않는 구조 섬유 및 광 섬유(들)와 같은 느슨한 섬유를 포함하도록 제조 공정이 제어된다. 즉, 복합 강도 부재는 초기에 복합 강도 부재의 적어도 하나의 단부로부터 연장되는 느슨한 섬유로 제조된다. 이와 같이 복합 강도 부재를 제조하는 경우, 강도 부재의 취급(예를 들어, 운송) 중에 단부로부터 연장된 광 섬유가 손상될 수 있다.

도 8을 참조하면, 광 섬유를 보호하고 인터로게이션 장치에 광 섬유의 연결을 용이하게 하기 위한 장치가 도시되어 있다. 장치(880)는 슬리브 내의 복합 강도 부재(816)의 단부 및 수용을 위한 구멍을 갖는 슬리브(882)를 포함한다. 광 섬유(828a, 828b)를 보호하기 위해, 슬리브는 금속 또는 경질 플라스틱 재료와 같은 강성 재료로 제조될 수 있다. 슬리브(882)의 마주보는 단부는 또한 케이스 내에 광 섬유(828a/828b)를 수용하고 커넥터(850)를 고정하는 케이스에 의해 폐쇄된다. 광 섬유(828a/828b)의 단부는 커넥터(850)에 결합되어 광 섬유(828a/828b)를 인터로게이션 장치에 연결하도록 구성된다. 강도 부재(816) 및 커넥터(850) 모두는 강도 부재(816)의 취급 및 운송 동안 광 섬유(828a/828b)가 잠재적인 손상을 받지 않도록 장치(880)의 단부에 고정된다.

다른 실시예에서, 광 섬유(들)의 단부를 포함하는 복합 강도 부재의 단부는 매끄러운 표면을 형성하도록 폴리싱될 수 있다. OTDR은 광 섬유에 대한 매우 깨끗한 연결이 필요하기 때문에 일반적으로 약 1μm 이하의 입자 크기를 갖는 연마 패드로 강도 부재의 단부를 폴리싱해야 하다. 예를 들어, 연마는 0.5㎛ 이하 또는 심지어 0.2㎛ 이하의 그릿 크기까지 점진적으로 더 작은 연마 그릿을 사용하는 다중 폴리싱 단계를 포함할 수 있다. 그 후, 광 섬유(들)를 포함하는 강도 부재가 광 섬유 정렬 장치에 부착될 수 있다. 이러한 섬유 정렬 장치의 일 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 장치(900)는 섬유 프로브(988)가 하나 이상의 광 섬유(들)(928a)와 정렬될 때까지 2개의 섬유 프로브(988)를 이동시키기 위해 3D 스테이지(986)를 포함한다(예: x축, y축 및 z축에서 움직임을 제어할 수 있음). 3D 스테이지(986)의 이동은 조작자가 광 섬유(들)(928a)를 시각적으로 식별할 수 있는 가시 스크린(990)의 도움으로 수동으로 제어될 수 있다. 이 목적에 유용할 수 있는 3D 스테이지의 예는 미국 펜실베니아주 필라델피아의 IntelLiDrives Inc.에서 입수할 수 있는 XYZ-LSMA-167 스테이지이다.

섬유 프로브(988)와 광 섬유(들)(928a) 사이의 정렬이 달성된 후, 인터로게이션 장치(970)가 활성화될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 장치(900)는 또한 광(예를 들어, 레이저 빔)을 2개의 별개의 빔으로 분할하도록 구성된 도광 장치(987)를 포함한다. 빔들 중 하나는 광 섬유(들)(928a)와 섬유 프로브(988)를 정렬하기 위해 관찰 스크린(990)으로 라우팅된다. 다른 빔은 온도, 응력, 변형 등의 측정을 수행하기 위해 OTDR(970)로 향하다. 도광 장치(987)는 섬유 스플리터, 광 스위치, MEMS(micro-electromechanical system), 광을 분할하는 프리즘 미러가 있는 시준기 또는 반사 시준기를 포함할 수 있다.

장치(900)의 동작은 다음 단계를 포함할 수 있다. 먼저, 섬유 프로브(988)는 3차원 정밀 스테이지(986)를 사용하여 이동되어 코어에 광 섬유(928a)를 위치시킨다. 스테이지(986)는 프로브(988)를 광 섬유(928a)와 정렬하고 프로브(988)와 광 섬유(928a)의 단부 사이의 적절한 거리를 설정하도록 조정된다. 프로브(988)의 이동은 가시 스크린(990)에서 섬유 이미지를 시각적으로 관찰함으로써 보조될 수 있다. 도광 장치(987)가 광을 분할하는 경우, OTDR 측정이 수행될 수 있다. 도광 장치(987)가 광 스위치와 같이 빛을 편향시켜 작동하는 경우, 측정을 수행하기 위해 OTDR(970)을 향한 광 방향 변경이 필요할 것이다.

본 명세서에 개시된 다른 방법은 결합 매트릭스를 화학적 용매로 용해시킴으로써 복합 강도 부재의 단부에서 광 섬유를 노출시키는 것을 포함한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 감지 광 섬유(들)(1028a)를 포함하는 복합 강도 부재(1016)는 전도체 꼬임 및/또는 오버헤드 케이블 설치의 요건에 기초하여 원하는 위치에서 절단될 수 있다. 복합 강도 부재(1016)의 일 단부는 광 섬유(1028a)를 용해하지 않고 결합 매트릭스를 용해하도록 선택된 화학 용매를 보유하는 용기(1092)에 삽입될 수 있다. 이러한 화학 용매의 예에는 산이 포함된다. 매트릭스의 용해(예를 들어, 제거) 후에, 감지 광 섬유(1028a)는 인터로게이션 장치에 연결하기 위해 위치될 수 있다.

광 섬유를 노출시키기 위해 매트릭스를 제거하는 또 다른 방법이 도 11에 예시되어 있다. 광 섬유(1128)를 포함하는 복합 강도 부재(1116)는 스트랜딩 작업 및/또는 오버헤드 케이블 설치의 요건에 기초하여 원하는 위치에서 절단될 수 있다. 강도 부재(1116)의 일 단부는 토치(1198)에 가스를 공급하도록 구성된 가스 공급 튜브(1196)를 포함하는 토치 장치에 삽입된다. 결합 매트릭스는 광 섬유(1128)를 포함하는 느슨한 섬유를 노출시키기 위해 토치(1198)에 의해 연소될 수 있다.

광 섬유를 노출시키기 위해 매트릭스를 제거하기 위한 전술한 실시예들 중 임의의 것에서, 광 섬유를 손상으로부터 보호하기 위해 광 섬유의 노출된 부분에 코팅이 적용될 수 있다. 예를 들어, 코팅은 폴리머 코팅일 수 있다.

또한, 전술한 실시예들 중 임의의 것에서, 광 섬유(들)는 비-광 섬유, 예를 들어, 비-광 섬유, 예를 들어 강화 섬유에 대한 광 섬유의 위치를 용이하게 하기 위해, 예를 들어 안료, 염료 등을 사용하여 착색될 수 있다.

다양한 실시예가 상세하게 설명되고 특성화되었지만, 이러한 실시예의 수정 및 적응이 당업자에게 일어날 것이라는 것은 명백하다. 이들 및 다른 이러한 수정 및 개조는 본 개시내용의 사상 및 범위 내에 있다는 것이 명백히 이해되어야 한다.

Claims (41)

1. 오버헤드 전기 케이블에 사용하도록 구성되고 제1 복합 단부 및 제2 복합 단부를 갖는 섬유 강화 합성 강도 부재로서,
   결합 매트릭스,
   결합 매트릭스 내에 작동적으로 배치되어 섬유 강화 복합 섹션을 형성하는 복수의 강화 섬유,
   섬유 강화 복합 섹션 내에 및 강도 부재의 길이를 따라 배치된 적어도 제1 광 섬유를 포함하고,
   적어도 제1 광 섬유의 제1 부분은 섬유 강화 복합 강도 부재의 적어도 하나의 단부를 넘어 연장되는 섬유 강화 합성 강도 부재.
2. 제1항에 있어서, 제1 광 섬유 부분이 강도 부재의 일 단부를 넘어 연장되는 거리는 약 5 cm 이상인 섬유 강화 합성 강도 부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 광 섬유 부분이 강도 부재의 일 단부를 넘어 연장되는 거리는 약 40 cm 이하인 섬유 강화 합성 강도 부재.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 광 섬유의 제2 부분은 강도 부재의 제2 단부를 넘어 연장되는 섬유 강화 합성 강도 부재.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 광 섬유는 강도 부재의 외부 주변 표면 근처에 배열되는 섬유 강화 합성 강도 부재.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 강도 부재는 복합 강도 부재의 길이를 따라 연장되고 결합 매트릭스 내에 매립된 제2 광 섬유 요소를 포함하고, 제2 광 섬유 요소의 제1 부분은 섬유 강화 복합 강도 부재의 일 단부를 넘어 연장되는 섬유 강화 합성 강도 부재.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 광 섬유는 단일 모드 광 섬유, 다중 모드 광 섬유 및 저 매크로 밴드 손실 광 섬유로부터 선택되는 섬유 강화 합성 강도 부재.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 강도 부재는 약 500 미터 이상의 길이를 갖는 섬유 강화 합성 강도 부재.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 강도 부재는 스플에 감겨지는 섬유 강화 합성 강도 부재.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부분을 손상으로부터 보호하기 위하여 제1 광 섬유의 제1 부분 주위에 배열된 보호 튜브를 추가로 포함하는 섬유 강화 합성 강도 부재.
11. 제10항에 있어서, 보호 튜브는 경질 플라스틱 재료 또는 금속 재료로부터 제조되는 섬유 강화 합성 강도 부재.
12. 강도 부재 주위에 감겨진 전도성 층 및 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 강도 부재를 포함하는 오버헤드 전기 전도체.
13. 제12항에 있어서, 오버헤드 전기 전도체는 복수의 지지 타워 상에 묶이는 오버헤드 전기 전도체.
14. 오버헤드 전기 케이블에 사용하도록 구성된 섬유 강화 복합 강도 부재의 제조 방법으로서,
    제1 강화 섬유 스풀로부터 제1 유형의 실질적으로 연속적인 강화 섬유를 당기는 단계;
    광 섬유 스풀로부터 실질적으로 연속적인 제1 광 섬유를 당기는 단계;
    섬유 번들을 형성하기 위하여 상기 제1 강화 섬유와 상기 제1 광 섬유를 혼합하는 단계;
    상기 섬유 번들에 수지를 함침시켜 수지 함침 섬유 번들을 형성하는 단계 - 상기 섬유 번들의 리딩 부분은 수지로 함침되지 않음 - ;
    수지 함침 섬유 번들을 원통형의 섬유 번들로 형성하는 단계;
    원통형 섬유 번들을 경화시켜 경화된 섬유 강화 복합 강도 부재를 형성하는 단계; 및
    제1 광 섬유를 실질적으로 분리하기 위해 섬유 번들의 리딩 부분으로부터 제1 강화 섬유의 일부를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 제2 광 섬유 스풀로부터 제2 실질적으로 연속적인 광 섬유를 당기는 단계를 추가로 포함하는 방법.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 혼합 단계는 섬유 번들의 주변 외부 표면 근처에 제1 광 섬유를 배치하는 단계를 포함하는 방법.
17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 강화 섬유는 탄소 섬유를 포함하는 방법.
18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 광 섬유는 착색되는 방법.
19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 분리된 제1 광 섬유 위에 보호 튜브를 배치하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
20. 오버헤드 전기 케이블에 사용하도록 구성되고 제1 복합 단부 및 제2 복합 단부를 갖는 섬유 강화 복합 강도 부재의 상태를 검출하기 위한 시스템으로서,
    섬유 강화 복합 강도 부재를 포함하고, 상기 섬유 강화 복합 강도 부재는
    결합 매트릭스,
    섬유 강화 복합 섹션을 형성하기 위하여 결합 매트릭스 내에 작동적으로 배치된 복수의 강화 섬유,
    섬유 강화 복합 섹션 내에 및 강도 부재의 길이를 따라 배치된 적어도 제1 광 섬유를 포함하고, 적어도 제1 광 섬유의 제1 부분은 섬유 강화 복합 강도 부재의 적어도 하나의 단부를 넘어 연장되고;
    제1 광 섬유의 제1 부분에 작동 가능하게 연결된 광학 시간 도메인 반사계를 포함하는 시스템.
21. 제20항에 있어서, 제1 광 섬유 부분이 강도 부재의 일 단부를 넘어 연장되는 거리는 약 5 cm 이상인 시스템.
22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 제1 광 섬유 부분이 강도 부재의 일 단부를 넘어 연장되는 거리는 약 40 cm 이하인 시스템.
23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 광 섬유는 강도 부재의 외부 주변 표면 근처에 배열되는 시스템.
24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 강도 부재는 복합 강도 부재의 길이를 따라 연장되고 결합 매트릭스 내에 매립된 제2 광 섬유 요소를 포함하고, 제2 광 섬유 요소의 제1 부분은 섬유 강화 복합 강도 부재의 일 단부를 넘어 연장되고, 광학 시간 도메인 반사계는 제2 광 섬유의 제1 부분에 작동가능하게 연결되는 시스템.
25. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 강도 부재는 약 500 미터 이상의 길이를 갖는 시스템.
26. 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부분을 손상으로부터 보호하기 위하여 제1 광 섬유의 제1 부분 주위에 배열된 보호 튜브를 추가로 포함하는 시스템.
27. 제26항에 있어서, 보호 튜브는 경질 플라스틱 재료 또는 금속 재료로부터 제조되는 시스템.
28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 제1 광 섬유는 케이스 내로 및 케이스의 대향 단부에 배치된 커넥터 내로 연장되고, 커넥터는 광학 시간 도메인 반사계를 제1 광 섬유에 작동 가능하게 연결하는 시스템.
29. 제26항 또는 제27항에 있어서, 강도 부재는 강도 부재 주위에 감겨진 전도성 층을 포함하는 시스템.
30. 제29항에 있어서, 오버헤드 전기 전도체는 복수의 지지 타워 상에 묶이는 시스템.
31. 제1 복합 단부 및 제2 복합 단부를 가지며, 오버헤드 전기 케이블에 사용하도록 구성된 강도 부재의 연결을 위한 방법으로서, 상기 강도 부재는 결합 매트릭스, 결합 매트릭스 내에 작동적으로 배치되어 섬유 강화 복합 섹션을 형성하는 복수의 강화 섬유, 및 섬유 강화 복합 섹션 내에 및 강도 부재의 길이를 따라 배치된 적어도 제1 광 섬유를 포함하고, 상기 방법은
    제1 광 섬유의 단부를 포함하는 매끄러운 단부 표면을 형성하기 위하여 강도 부재의 단부를 폴리싱하는 단계,
    제1 프로브의 이동을 제어하기 위하여 3D 스테이지를 사용하여 섬유 프로브의 제1 단부에 제1 광 섬유의 단부를 정렬하는 단계를 포함하는 방법.
32. 제31항에 있어서, 섬유 프로브의 제2 단부는 제1 광 섬유의 단부를 섬유 프로브의 제1 단부에 정렬하는 것을 용이하게 하기 위해 시각 모니터에 작동 가능하게 연결되는 방법.
33. 제32항에 있어서, 정렬 단계 후에,
    광 섬유 프로브에서 시각적 모니터를 작동적으로 분리하는 단계; 및
    광학 시간 도메인 반사계를 광 프로브의 제2 단부에 작동가능하게 연결하는 단계를 포함하는 방법.
34. 제33항에 있어서, 작동적으로 분리하고 작동적으로 연결하는 단계는 모니터와 광학 시간 도메인 반사계 사이의 광학 경로를 변경하기 위해 광학 스위치 또는 광 섬유 스플리터를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
35. 광 섬유를 광 분석 장치에 작동가능하게 연결하는 방법으로서,
    광 섬유는 결합 매트릭스에 배치된 강화 섬유를 포함하는 섬유 강화 복합부에 배치되고, 상기 방법은 광 섬유의 일부를 노출시키기 위해 섬유 보강 복합부의 단부에 광 섬유로부터 결합 매트릭스를 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 방법.
36. 제35항에 있어서, 결합 매트릭스를 선택적으로 제거하는 단계는 결합 매트릭스를 가열하는 단계를 포함하는 방법.
37. 제36항에 있어서, 가열 단계는 토치로 결합 매트릭스를 접촉하는 단계를 포함하는 방법.
38. 제36항에 있어서, 결합 매트릭스를 선택적으로 제거하는 단계는 산성 용액과 결합 매트릭스를 접촉하는 단계를 포함하는 방법.
39. 제35항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 광 섬유의 일부에 코팅을 적용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
40. 제39항에 있어서, 코팅은 폴리머 코팅인 방법.
41. 제35항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 광 섬유의 노출된 부분은 약 5 cm 이상의 길이를 갖는 방법.

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