PT660149E - Cabo optico com componente semicondutor - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "CABO ÓPTICO COM COMPONENTE SEMICONDUTOR"

Esta invenção diz respeito a cabos ópticos que são planeados para serem estendidos ao longo de sistemas de transmissão de energia eléctrica através de linhas aéreas, e especialmente, embora não necessariamente, ao longo de cabos ópticos que são suportados ao longo do percurso do sistema por meio de torres, mastros ou outros apoios aprumados que também são empregues para suportar os cabos de energia.

Em sistemas deste tipo é prática geral ligar à terra o cabo óptico ou cabos nas torres, mastros ou outros apoios (daqui por diante simplesmente referidos como torres). Quando as linhas de energia eléctrica estão em carga, podem ser induzidas, por efeito capacitivo, correntes eléctricas no cabo óptico devido à capacitância distribuída entre o cabo e as linhas de energia. A tensão induzida no cabo óptico atingirá um máximo no meio do vão entre as torres, embora a corrente que flui ao longo do cabo será maior na região das torres. Sob condições de tempo seco as correntes induzidas serão relativamente menores devido à resistência longitudinal relativamente elevada do cabo, por exemplo na região de 1012 Mohm m_1 mas sob condições de humidade quando a resistência do cabo é muito pequena, por exemplo na região de 10 Mohm nf1, serão induzidas correntes muito mais elevadas. 0 aquecimento da superfície do cabo por efeito de Joule devido às correntes induzidas pode causar que um pequeno comprimento da superfície do cabo se torne seca, normalmente na região da torre onde a corrente é mais elevada. Quando isto ' acontece a parte principal da tensão induzida no cabo cai 1

através da pequena faixa seca devido à sua resistência elevada, e pode ocorrer a chamada "produção de arcos na faixa sêca" o qual pode causar danos severos ao cabo.

Podem experimentar-se problemas semelhantes com outros elementos lineares que se possam estender entre as torres do sistema ' de transmissão, por exemplo com cordas que são utilizadas para instalar cabos ópticos no sistema de transmissão de energia. Embora tais cordas sejam apenas planeadas para serem temporariamente suspensas entre as torres, elas podem absorver quantidades significantes de água em condições de ambiente húmido, com o resultado de que possam ser induzidas correntes causadoras de danos. É possível vencer o problema da "produção de arcos na faixa sêca" num cabo óptico munindo· o cabo com um percurso electricamente condutor que se estende longitudinalmente. No entanto, um cabo óptico que tenha um percurso electricamente condutor tem a desvantagem de que existem questões a tomar em consideração se ele for instalado entre as torres duma linha aérea de transmissão de energia eléctrica que está em carga em vista do perigo de ele tocar uma das linhas de transmissão; além disso, não é sempre possível ou desejável interromper a energia eléctrica transmitida pela linha aérea de transmissão de energia eléctrica pelo tempo suficiente para permitir que seja instalado um tal cabo óptico.

Foi por exemplo proposto, no Requerimento da Patente Europeia N° 214,480, para se empregar um cabo que tenha um elemento semicondutor e uma resistência linear de 10 a 106 Mohm m-1. No entanto, é normalmente muito difícil formar elementos semicondutores que tenham tais valores de resistência duma 2 utilizando métodos consistente, maneira reproduzível e convencionais, visto que o valor de resistência específico é extremamente sensível à carga de enchimento (FILLER LOADING) etc. com o resultado de que cabos idênticos nominalmente podem ter resistências que diferem de modo significativo, e que a resistência de um cabo possa variar de modo significativo ao longo do respectivo comprimento.

Além disso, encontrou-se que tais valores de resistência linear são indesejávelmente elevados visto que a condutividade linear de um tal cabo pode ser determinada por poluentes - por exemplo ácidos e sal- encontrados sobre o cabo em condições húmidas.

De acordo com a presente invenção, o cabo óptico inclui pelo menos um componente electricamente semicondutor que causa o elemento ter uma resistência linear na gama de desde de 0.05 a menos do que 10 Mohm m”1 e o qual é caracterizado pelo facto de que o referido componente apresenta um coeficiente de temperatura negativo da resistência eléctrica. A presente invenção tem a vantagem de que, por qualquer razão, se qualquer região do cabo é sujeita a um aquecimento mais elevado por efeito de Joule, por exemplo devido a correntes induzidas maiores ou a uma resistência inicial mais elevada, qualquer aumento local da temperatura associada do componente(s) semicondutor reduzirá a resistência do componente(s) e portanto o efeito de aquecimento. Em contraste, a utilização de outros sistemas tais como sistemas de filtração que normalmente apresentam comportamento de coeficiente de temperatura positiva (PTC) (PTC, abreviatura de "Positive Temperature Coefficient") podem conduzir a um sistema instável e mesmo fuga térmica local. 3

De preferência o ou cada componente tem um coeficiente de temperatura negativo de resistência pelo menos 1%K_1 e especialmente 1.5%Κ_1 a temperaturas ambientes (isto é, a cerca de 300K), mas não terá normalmente um coeficiente de temperatura de resistência de mais do que 5%K_1 e mais normalmente, não mais do que 3%K-1. Um coeficiente de temperatura de significativamente mais do que 5%K-1 será normalmente associado com um valor bastante elevado da resistência ambiente do componente.

Uma forma de componente que é especialmente apropriada na presente invenção é uma que compreende fibras carbonáceas, visto que isto permite controlar a resistência linear do cabo óptico duma maneira muito simples e assim possibilita que seja produzido um elemento semicondutor reproduzível.

Porque os cabos ópticos tendem a ter um peso e módulo inferior do que aqueles do condutor da fase eles tendem a ser deslocados lateralmente numa extensão maior do que os condutores de fase em ventos intensos e podem assim mover-se para dentro de regiões de campos eléctricos elevados. Se o cabo é provido com um condutor de baixa resistência, por exemplo um condutor metálico, ao longo do respectivo comprimento, o seu potencial pode estar essencialmente ao potencial da terra através do seu inteiro vão entre as torres, com o resultado de que a descarga por efeito de corona pode ocorrer durante ventos intensos.

Existe mesmo a possibilidade de que o cabo se venha a aproximar tão perto do condutor da fase que possa surgir uma descarga disruptiva (arco) entre o condutor da fase e o cabo o que pode causar que o condutor que se estende ao longo do cabo óptico evapore e fará disparar as protecções interrompendo o 4

fornecimento de energia. Por virtude do facto de que o cabo óptico de acordo com a invenção tem uma resistência linear numa gama entre 0.05 e menos do que 10 Mohm m-1, o cabo óptico tem a vantagem de que o respectivo potencial pode atingir ou aproximar-se, daquele dos condutores das fases do sistema na região de meio vão, com o resultado de que a descarga por efeito de corona à superfície do cabo óptico e o arco são reduzidos ou eliminados.

As fibras carbonáceas empregues no componente semicondutor podem ser formadas por pirólise parcial de um polímero por exemplo poliacrilonitrilo ou colímeros de acrilonitrilo tendo um conteúdo de acrilonitrilo de pelo menos 85 por cento do mole e até 15 por cento do mole de copolímeros (PAN). Tais fibras podem ter um conteúdo de carvão de 65% a 92%, de preferência menos do que 85%, e um conteúdo de azoto na gama de 5 a 20%, de preferência 16 a 20%.

Feixes de fibras carbonáceas que são apropriadas para utilização na presente invenção são disponíveis comercialmente por exemplo da "R. K. Technologies Ltd. de Heaton Norris, Stockport, Cheshire, United Kingdom".

Podem empregar-se fibras carbonáceas no cabo numa quantidade de diferentes construções. Normalmente o ou cada componente semicondutor será formado de um feixe contínuo de fibras carbonáceas, em cujo caso ele pode ser envolto à volta do núcleo do cabo por baixo do invólucro respectivo, ou alternativamente pode ser envolto à volta do invólucro do cabo. Onde o componente semicondutor tem a forma de um feixe de fibras que é enrolado à volta do invólucro do cabo, o feixe é de preferência coberto por uma bainha a fim de o proteger do 5

ambiente. Se for empregue uma bainha isoladora ou, no caso onde o feixe está colocado debaixo do invólucro do cabo, é empregue um invólucro do cabo isolador, o feixe ficará acoplada por forma capacitiva à agua da superfície na bainha ou invólucro. Se o acoplamento capacitivo não é suficiente, podem ser tomadas medidas para aumentar a condutividade radial da bainha ou invólucro sem comprometer a respectiva resistência longitudinal. Tais medidas podem incluir condutividade desigual da bainha ou invólucro devido ao enchimento disperso duma maneira imperfeita ou a utilização de um material absorvente de água para a bainha ou invólucro. O ou cada feixe de fibras tem de preferência pelo menos 5K, de melhor preferência 10K, mas de preferência não mais do que 40K de fibras. A dimensão específica do feixe que é utilizado dependerá da condutividade das fibras e é escolhida de tal modo que o feixe tem a resistência total de 0.05 a 100 Mohm m”1, de preferência 0.5 a 10 Mohm m”1. As fibras carbonáceas podem ser contínuas mas não é necessário. Por exemplo, podem ser empregues fibras cortadas numa matriz polimérica. Também, as fibras podem ser empregues como um elemento de fio não trançado por exemplo um papel mate ou composto de papel.

Os componentes semicondutores podem ser incorporados no cabo durante a respectiva manufactura conforme for o caso quando são envoltos à volta do núcleo debaixo do invólucro, ou podem, se se desejar, ser incorporados no cabo apenas depois do cabo ter sido suspenso das torres, por exemplo conforme descrito no pedido da patente internacional N° WO 93/23779. O ou cada componente semicondutor é de preferência esticável a fim de o evitar de rebentar, ou cortar por dentro, e danificar, o cabo óptico. Também, é preferido pelas propriedades eléctricas do componente semicondutor não alterarem de maneira 6

significativa depois de repetidos alongamentos na ordem de 1%. A invenção também proporciona um sistema combinado de transmissão aérea de energia· eléctrica e óptica o qual compreende linhas aéreas de energia eléctrica que se estendem entre, e apoiadas por, torres, e pelo menos um cabo óptico que se estende entre, e é livremente apoiado pelas, torres, em que o ou cada cabo óptico é um cabo óptico de acordo com a presente invenção.

Serão agora descritas duas formas de cabos ópticos de acordo com a invenção, por meio de exemplos, com referências aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1, é um diagrama esquemático de um cabo óptico convencional totalmente dieléctrico e duma linha de energia eléctrica em que se indica a distribuição das capacitâncias. A Figura 2, é uma representação gráfica da tensão e corrente induzidas no cabo óptico em condições sêcas; A Figura 3, é uma representação gráfica da tensão e corrente induzidas no cabo óptico em condições de húmidade com nenhuma faixa sêca; A Figura 4, é uma vista esquemática de um cabo óptico convencional no qual se formou uma faixa sêca; A Figura 5, é uma vista em corte esquemática de uma forma de cabo de acordo com a presente invenção; A Figura 6, é uma vista lateral esquemática de parte de 7 outra forma de cabo de acordo com a invenção; e A Figura 7, é uma representação gráfica da resistência eléctrica de vários feixes de fibras carbonáceas empregues na invenção em função da temperatura.

Referindo aos desenhos anexos, a Figura 1 ilustra um cabo 1 óptico convencional "dieléctrico que se suporta a si própio completamente", ("ADSS- all dielectric self-supporting”) que é apoiado entre um par de torres que são empregues para suportar um cabo 2 de energia eléctrica. 0 cabo 1 ADSS é apoiado na torre por meio dum gancho metálico ou acessório apropriado 4 que está ligado à terra por meio da torre. Neste sistema existe uma capacitância distribuída entre o cabo 1 óptico e o cabo 2 de energia, indicado pelas capacitâncias Cl aglomeradas, e uma capacitância distribuída entre o cabo 1 óptico e a terra, indicado pelas capacitancias C2 aglomeradas. Além disso o cabo tem uma grande resistência longitudinal mas finita indicada pelas resistências R associadas.

Em condições sêcas surgem sobre o caso tensões induzidas (Vá) e correntes (Id) conforme se mostra na Figura 2. A tensão induzida é mais elevada a meio do vão, atingindo tipicamente um valor de até 30KV numa linha de 400KV, e está claramente ao potencial da terra na torre, embora a corrente será máxima na torre, por exemplo tendo um valor de até 100 microampéres. Sob condições de humidade a resistência longitudinal do cabo óptico é consideravelmente mais baixa, com o resultado de que a tensão máxima (Vw) no cabo óptico é mais baixa mas a corrente induzida (Iw) aumentou consideravelmente para um valor típico de 1 a 10 mA, como se mostra na Figura 3. 8

Sob estas condições, conforme se mostra na Figura 4, uma faixa seca 6 de 50mm de comprimento típico pode formar no cabo 1 na região do gancho 4 na torre, devido ao aquecimento por efeito de Joule da água de superfície sobre o cabo. Isto tem o resultado que toda a tensão induzida cai através deste comprimento do cabo, e pode surgir a formação de arco neste ponto com dano consequente do invólucro do cabo. A Figura 5 mostra uma forma de cabo 1 óptico de acordo com a invenção que é planeada para ser livremente apoiada entre torres de um sistema de distribuição de energia. 0 cabo compreende um componente 51 de resistência convencional formado de vidro extrudido-traccionado ("PULTRUDED E-GLASS") que suporta uma quantidade de fibras 52 ópticas apropriadas para transmissão da luz que tenha um comprimento de onda dentro da gama de 0.8 a 2.1 micrometros, e um invólucro 53 exterior formado de uma composição EVA de enchimento. Um par de feixes 54 semicondutores de fibras PAN pirolisadas parcialmente têm sido enroladas à volta do componente 51 de resistência, em direcções opostas, antes do invólucro 53 ser obtido por extrusão por cima destas, a fim de se proporcionar um percurso semicondutor ao longo do comprimento do cabo entre as torres. Nas torres os feixes 54 serão ligados à terra por acoplamento capacitivo ao gancho do cabo. Cada feixe 54 tem aproximadamente 10,000 fibras e tem uma resistência eléctrica de cerca de 0.8 Mohra m”1. A Figura 6 mostra uma pequena secção do cabo 61 de fibra óptica (ADSS) que compreende um componente de resistência e fibras ópticas (não mostradas) e invólucro conforme descrito em relação à figura 5. Neste cabo um feixe 62 PAN pirolizado parcialmente de resistência, de 40K, de 0.4 Mohm m”1, 62 é revestido por um invólucro 63 e enrolado de forma helicoidal á 9 volta do cabo. A Figura 7 é um gráfico do logaritmo natural da resistência linear (em Kohm por 10 cm) de vários feixes de fibras PAN pirolizadas parcialmente traçado em função do reciproco da temperatura absoluta. A diferença nos valores da resistência das diferentes amostras é devida às diferentes contagens das fibras dos feixes. Conforme se pode ver, os valores da resistência ajustar-se-ão bem a uma linha recta da forma: R=const. X exp (2044/T) a qual corresponde a um coeficiente de temperatura negativo de resistência de 2.2%k1 a 300K.

Lisboa, 31 de Agosto de 2000

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Claims (12)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Cabo óptico (1,61) apropriado para se estender entre torres de um sistema de transmissão aérea de energia eléctrica, que as suporta, cujo cabo óptico inclui pelo menos um componente (54,62) electricamente semicondutor que causa o cabo óptico ter uma resistência eléctrica linear na gama de desde 0.05 a menos do que 10 Mohm m-1, caracterizado por o referido componente (54,62) apresentar um coeficiente de temperatura negativo de resistência eléctrica.
2. 2. Cabo óptico conforme reivindicado em 1, em que o ou, cada componente (56,62) tem um coeficiente de temperatura negativo de resistência eléctrica de pelo menos 1%K_1 , de preferência pelo menos 1,5%K , às temperaturas ambientes.
3. 3. Cabo óptico conforme reivindicado na reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que o ou, cada elemento tem um coeficiente de temperatura negativo de resistência eléctrica de não mais do que 3%K_1 às temperaturas ambientes.
4. 4. Cabo óptico conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações de 1 a 3 no qual a referida pelo menos uma componente (54,62) compreende fibras cgrbonáceas electricamente semicondutoras.
5. 5. Cabo óptico conforme reivindicado na reivindicação 4, em que o ou, cada um dos componentes é um feixe de fibras carbonáceas.
6. 6. Cabo óptico conforme reivindicado na reivindicação 5, em que 1

   ΙΑλλ ο ou cada feixe é envolto à volta de um núcleo do cabo óptico por debaixo de um invólucro do cabo.
7. 7. Cabo óptico conforme reivindicado na reivindicação 5 ou reivindicação 6, em que o ou, cada feixe, é revestido à volta pelo invólucro do cabo.
8. 8. Cabo óptico conforme reivindicado na reivindicação 7, em que o ou, cada feixe, é revestido por uma bainha electricamente isolante.
9. 9. Cabo óptico conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 4 a 8, em que as fibras carbonáceas compreendem poliacrilonitrilo parcialmente pirolisado.
10. 10. Cabo óptico conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 4 a 9, em que a resistência linear do cabo é determinada de forma substancial totalmente pelo elemento ou elementos de fibra carbonácea, pelo menos na situação de seco.
11. 11. Sistema combinado de transmissão aérea de energia eléctrica e transmissão óptica que compreende linhas (2) aéreas de energia eléctrica que se estendem entre torres, suportadas por estas, e pelo menos um cabo (1,61) óptico que se estende entre, as torres e é livremente apoiado por estas, em que o ou, cada cabo óptico, inclui pelo menos um componente (54,62) electricamente semicondutor que causa o cabo óptico ter uma resistência eléctrica linear na gama de desde 0.05 a menos do que 10 Mohm rrf1, caracterizado por o referido componente (54,62) apresentar um coeficiente de temperatura negativo da resistência eléctrica. 2
12. 12. Sistema combinado de transmissão aérea de energia eléctrica e transmissão óptica conforme reivindicado na reivindicação 11 na qual o cabo é como reivindicado „em qualquer uma das reivindicações de 2 a 10. Lisboa, 31 de Agosto de 2000 ; OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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