SK52397A3 - Combined electrical power and optical transmission system - Google Patents

Description

Kombinovaný systém prenosu elektrickej energie a optického prenosu

Oblasť, techniky

Vynález sa týka optických káblov, ktoré sú na prenosovej trase systému zavesené na vežiach, stĺpoch a iných vztyčných podporách, na ktorých sú zároveň zavesené i káble na prenos elektrickej energie.

Doterajší stav techniky

Pri systémoch tohto druhu sa optické káble všeobecne uzemňujú na vežiach, stožiaroch alebo iných podporách (ďalej len na vežiach). Ak sú elektrické vodiče zaťažené elektrickým prúdom, elektrický prúd môže byť kapacitne indukovaný do optického kábla vplyvom distribuovaného kapacitného odporu medzi káblami a elektrickými vodičmi. Indukované napätie na optických kábloch dosiahne maximálnu hodnotu v strednom poli medzi vežami, zatiaľčo prúd tečúci pozdĺž káblov bude najväčší v oblasti veží.

Za sucha budú indukované prúdy pomerne malé vplyvom pomerne vysokého pozdĺžneho odporu kábla, dosahujúceho napríklad hodnoty 10 ohm/m, zatiaľčo za vlhka, kedy je povrchový odpor kábla omnoho nižší, to znamená v rozsahu 10 Mohm/m, sa indukuje omnoho vyšší prúd. Joulovo ohriatie povrchu kábla indukovanými prúdmi môže spôsobiť, že sa vysuší len krátka dĺžka kábla, obyčajne v oblsati veže, kde je hodnota prúdu najvyššia. Ak sa tak stane, hlavná časť indukovaného napätia na kábli vykáže na krátkom suchom páse pokles a to vplyvom svojho vysokého pozdĺžneho odporu, pričom sa môže vyskytnúť tzv. preskok v suchom pásme, ktorý môže na kábeli spôsobiť veľké škody.

Problém preskoku za sucha je možné v optickom kábli prekonať zavedením takého kábla, ktorý má pozdĺžne sa tiahnúcu, elektricky vodivú dráhu. Otický kábel, ktorý má takú elektricky vodivú dráhu, má tú nevýhodu, že sa musí brať do úvahy mnoho otázok týkajúcich sa bezpečnosti, napríklad ak chceme inštalovať taký.

kábel medzi vežami s nadzemnými prenosovými vodičmi elektrickej energie pod záťažou a to z dôvodu možného nebezpečenstva dotknúť sa jedného z vodičov, kedy naviac nie je vždy možné alebo žiadúce prerušiť i keď len na krátku chvíľu prúd prenášaný nadzemnými vodičmi, aby sa taký optický kábel mohol nainštalovať.

V európskej patentovej prihláške 214,480 bolo napríklad navrhnuté použitie kábla, ktorý má odporový prvok a lineárny odpor 10 až 10 ohm/m. Také systémy majú nevýhodu (okrem iného) v tom, že elektrické vlastnosti odporového prvku sa môžu meniť v čase vplyvom starnutia, znečistenia, pnutia kábla a pod., čoho výsledkom je strata -výkonnosti.

V európskej patentovej prihláške 403,285 bolo navrhnuté začleniť v blízkosti veže odporový úchyt kábla, aby sa tým znížila možnosť preskoku (iskrenia) a. výskyt joulovho ohrevu. Tieto úchyty však neodstraňujú stabilný preskok za sucha.

Podstata vynálezu

Tento vynález poskytuje kombinovaný systém nadzemného prenosu elektrickej energie a optického prenosu, ktorý zahŕňa nadzemné elektrické fázové vodiče natiahnuté medzi vežami a aspoň jeden optický kábel natiahnutý tiež medzi vežami, kedy optický kábel (káble) má (mjú) odporový prvok, ktorý je zevesený na na kábli tak, že sa dá odstrániť a ktorý sa tiahne od veže čiastočne pozdĺž rozpätia kábla, je uzemnený pri veži a má lineárnu vodivosť, ktorá je väčšia než lineárne vodivosť kábla za sucha, takže akýkoľvek kapacitne indukovaný prúd sa odporovým prvkom zvedie do zeme, pričom tento prvok má dĺžku a vodivosť takú, že ak sa vyskytne na kábli suché pásmo a to na konci odporového prvku, nebude potenciálny rozdiel (V ) na pásme postačujúcom na vytvorenie oblúka a/alebo taký, aby indukovaný prúd udržal akýkoľvek oblúk, pokiaľ by sa na pásme vyskytol.

Systém podľa tohto vynálezu má výhodu v tom, že je možné aby bol výskyt preskoku za sucha eliminovaný. Čiastočne sa to dosahuje tým, že prvok posúva bod, pri ktorom sa akýkoľvek oblúk cez suché pásmo môže vyskytovať mimo blízkosti veže, do miesta, v ktorom sú kapacitne indukované prúdy pomerne nízke. Okrem toho sa napätie na konci odporového prvku môže dostatočne zvýšiť (kapacitnou väzbou s fázovými vodičmi a vplyvom indukovaných prúdov, ktoré nimi prechádzajú), aby sa zabránilo vytvoreniu oblúka na suchom pásme, pričom odporový prvok bude pôsobiť ako odpor medzi oblúkom a zemou a tým obmedzí prúd akéhokoľvek oblúka na hodnotu, ktorá nemôže oblúk udržať. Okrem toho sa odporový prvok v prípade potreby môže odstrániť, napríklad vtedy, keď sa jeho elektrické vlastnosti zmenia vplyvom nečistôt a/alebo starnutím a môže sa nahradiť iným. Odporový prvok sa môže nainštalovať na optický kábel tak, že sa jeden jeho koniec umiestni na kábel tak, aby sa mohol smerom od veže pozdĺž kábla posúvať. Taký prvok a spôsob inštalácie umožňuje, aby sa behom odstraňovania a nahradzovania mohli uskutočňovať potrebné operácie z veže a to bezpečne, i keď sú vodiče pod prúdom. Tak napríklad prvok môže byť dostatočne pružný, aby sa dal pred dopravou na vež zmotať, ale aby bol dostatočne tuhý v prípade, že jeho koniec a akákoľvek jeho časť už kluzne upevnená ku káblu, aby sa potom mohol rozvinúť v plnom rozsahu. Ako príklad uvádzame tyč o priemere 2 až 10 mm, lepšie 4 až 6 mm, zvlášť 5 mm (sklom vystužený plast) s modulom pružnosti od 20 do 50 GPa, lepšie od 30 do 45 GPa a najlepšie okolo 40 GPa, ktorá by pri týchto hodnotách mala byť dostačujúca.

Odporový prvok by mal mať dostatočnú dĺžku, ktorá v prípade, že sa na kábli pri konci vytvorí suché pásmo, ktoré dostatočne zvýši napätie (na základe kapacitnej väzby prvku s fázovými vodičmi a na základe prúdu prechádzajúceho prvkom), aby sa zabránilo vytvárania stáleho oblúka cez suché pásmo. Správnou voľbou vodivosti a dĺžky odporového prvku je možné redukovať napätie na akomkoľvek suchom pásme na hodnotu, ktorá nie je dostatočná na to, aby sa vytvoril stály oblúk a zredukovať prúd, ktorý by mohol oblúkom pretekať na hodnotu, ktorá by nebola schopná oblúk udržať. V praxi bude mať prvok dĺžku aspoň 20 m, lepšie 40 m, ale nie väčšiu ako 100 m, najlepšie menšiu ako 60 m.

Ak odporové prvky dosahujú dĺžku tohto radu, každý z nich sa bude rozpínať nad významnou časťou rozpätia kábla, napríklad nad až 30% rozpätia, ale prvky nepresiahnu strednú hodnotu rozpätia káblov.

Pretože optické káble majú sklon mať nižšiu modul a hmotnosť než fázové vodiče, majú i sklon posúvať sa v priečnom smere v dôsledku silného vetra viac než fázové vodiče a tým sa dostávať do oblastí s vysokým elektrickým polom. Ak má potom kábel pozdĺž celej dĺžky vodič alebo polovodič, bude sa jeho potenciál podstatne líšiť od potenciálu fázového vodiča a to cez celú dĺžku rozpätia medzi vežami, čo bude mať pri silnom vetre za následok vznik koronového výboja. Dokonca existuje možnosť, že sa kábel dostane do takej blízkosti fázového vodiča, že by mohol nstať preskok blesku medzi káblom a vodičom a tým dôjsť k prerušení dodávky prúdu.

Pretože je stredné pole oblasti kábla v systéme podľa tohto vynálezu dielektrické, môže sa jeho indukované napätie zvýšiť až na hodnotu napätia fázového vodiča a preto je možnosť výskytu koronového výboja v strednom poli kábla obmedzená. Preto pri styku kábla s ktorýmkoľvek fázovým vodičom v strednom poli žiadny škodlivý prúd nevznikne.

Odporový prvok by mal mať lineárnu vodivosť, ktorá by bola značne vyššia než pozdĺžna vodivosť optického kábla za sucha, najlepšie aspoň stokrát vyššia ako vodivosť kábla, aby sa žiadny kapacitne indukovaný prúd neodviedol do zeme odporovým prvkom miesto plášťom kábla. Normálne by prvok mal mat lineárny odpor nie väčší ako 2 kohm/m, lepšie nie väčší ako 500 kohm/m, ale mal by mať lineárny odpor najmenej 200 a lepšie najmenej 300 kohm/m.

Odporový prvok môže byt vyrobený z akéhokoľvek materiálu, ktorý je bežne používaný na výrobu polovodičov, napríklad z platsického materiálu s uhlíkom alebo z netkaných pásiek s obsahom uhlíka. Pokroková výroba spomínaného prvku z plastického materiálu do ktorého sú zaradené elektricky vodivé uhlíkaté vlákna. Takéto vlákna sa môžu vytvoriť čiastočnou pyrolysou polyméru, napríklad polyakrylonitrilu, alebo kopolyméru akrylonitrilu, ktorý má obsah akrylonitrilu najmenej 85% grammolekúl a až 15% grammolekúl kopolyméru (PAN), také vlákna môžu mať obsah uhlíka od 65% do 92%, lepšie menej než 85% a obsah dusíka v rozmedzí od 5 do 20%, lepšie 16 až 20%. Uhlíkaté vláknité priadze, ktoré sú vhodné na použitie pre tento vynález sú komerčne k dispozícii u R.K.Technologies Ltd. of Heaton Norris, Stockport, Cheshire, United Kingdom.

Podľa iného aspektu tento vynález poskytuje odporový prvok, ktorý môže byť nainštalovaný (a dá sa odstrániť) na optický kábel, ktorý je voľne zavesený medzi vežami s kombinovaným systémom prenosu elektrickej energie a optického prenosu, kedy spomínaný prvok zahŕňa množstvo prostriedku na uchytenie na optický kábel, ktoré umožňuje prvku kĺzať pozdĺž kábla a majú takú dĺžku a vodivosť, že ak sa objaví pri prevádzke na kábli suché pásmo pri konci spomínaného prvku, nie je napäťový rozdiel pri pásme dostatčujúci na vytvorenie oblúka a/alebo indukovaný prúd nie je dostačujúci na udržanie takého oblúka, ktorý by sa na suchom pásme mohol vyskytnúť.

Prehľad obrázkov na vykreše

Jeden z prenosových systémov podľa tohto vynálezu bude teraz popísaný s odvolaním sa na pripojené výkresy, na ktorých;

obr.l znázorňuje schematický diagram obvyklého, plne dielektrického optického kábla a elektrického vedenia, s naznačením rozdelenia kapacitných odporov, obr.2 znázorňuje grafické vyjadrenie indukovaného napätia a prúdu v optickom vlákne za sucha, obr.3 znázorňuje grafické vyjadrenie indukovaného napätia a prúdu v optickom kábli za vlhka a bez suchého pásma, obr.4 znázorňuje schematický pohľad na obvyklý optický kábel na ktorom je vytvorené suché pásmo, obr.5 znázorňuje schematický pohľad na časť optického kábla s odporovým prvkom podľa tohto vynálezu, obr.6 znázorňuje indukované prúdy a napätia v systéme podľa tohto vynálezu

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na priložených výkresoch obr.l znázorňuje konvenčný plne dielektrický samonosný /ADSS-all dielectric self-supporting) optický kábel 1, ktorý je zavesený medzi párom veží, ktoré tiež nesú elektrický vodič 2. ADSS kábel 1 je k veži upevnený pomocou kovových svoriek alebo úchytov 4, ktoré sú uzemnené pomocou veže. Pri tomto systéme je kapacitný odpor rozdelený medzi optický kábel 1 a fázové vodiče, z ktorých jeden vodič 2 je znázornený na obrázku, pričom je označený ako sústredená kapacita Cy, kde rozdelenie kapacitných odporov medzi optickým káblom 1 a zemou je označené ako sústredená kapacita C₂ . Okrem toho má kábel veéký ale konečný pozdĺžny odpor označený ako sústredený odpor R.

Na obr. 2 je na kábli znázornené napitie (Vj ) a indukovaný prúd (I_d ) za sucha. Indukované napatie je najvyššie v strednom poli, kde dosahuje hodnotu do 30 kV na vodiči 400kV a má najnižší zemný potenciál pri veži, zatiaľčo prúd dosahuje maximum pri veži, kde má napríklad hodnotu do 100 mikroampérov. Za vlhka je pozdĺžny odpor optického kábla podstatne nižší, čo má za následok, že maximálne napätie (V*, ) na optickom kábli je nižšie, ale indukovaný prúd (1^.) sa podstatne zvýši na typickú hodnotu od 0,1 do 10 mA, ako je to znázornené na obr. 3.

Za týchto podmienok, ako je to znázornené na obr. 4, sa múže na kábli 1 vytvoriŕ suché pásmo 6 s dĺžkou 50 mm a to v oblasti svorky 4 pri veži, v dôsledku joulovho ohrevu povrchovej vody na plášti kábla. Existuje dostatočný potenciál na vytvorenie oblúka, ktorý bude stabilný len pri existencii dostatočného prúdu, ktorý by ho udržal (rádovo 0,5 mA) .

Obr. 5 schematicky znázorňuje časť veže 10 kombinovaného systému elektrického prenosu a optického prenosu podľa tohto vynálezu, ktorý zahŕňa plne dielektrický optický kábel 1 tiahnuci sa od káblovej svorky 4 upevnenej na veži. Odporový prvok 12 vo forme polotuhej tyče má radu príchytiek umiestnených pozdĺž dĺžky tyče, rádovo vo vzdialenosti 400 mm. Tyč pri veži 10 stúpa vo zvislom smere, ohýba sa a ďalej sa ťahá voči optickému káblu 1

Z tohto dôvodu je prvkom a zemou, vo vodorovnom smere a je ku káblu pripevnená pomocou svoriek 14. Tyč je dostatočne pružná, aby ju bolo možné pri veži ohnúť., ale je i dostatočne tuhá, takže sa môže natiahnuť pozdĺž kábla od veže v smere šípky. Akonáhle sa príchytky dostanú do blízkosti kábla, prichytí sa na kábel a tým sa umožní úplné rozmiestnenie prvkov pozdĺž tohto kábla. Príchytky môžu byť elektricky vodivé alebo polovodivé, dokonca môžu mať vlastnosti izolátora, pretože sa prvok 12 kapacitne spojí s optickým káblom 1 v omnoho väčšom rozsahu než s fázovým vodičom, ak to posudzujeme z hľadiska blízkosti prvku a kábla. Po natiahnutí prvku 12 po celej dĺžke, sa prvok pripevní ku káblovej svorke 4 z dôvodu uzemnenia jeho bližšieho konca. Pri odstraňovaní odporového prvku sa postup prosto obráti.

Po natiahnutí prvku po celom rozpätí medzi stožiarmi, potečie prúd do zeme pozdĺž dĺžky prvku, potrebné zaistiť uzemňovaciu cestu medzi umiestnenú v mieste prvku v oblasti veže, ale tak, aby na takú inštaláciu osoba nachádzajúca sa na veži nedosiahla.

Na obr. 6 je schematicky znázornená veža 10 systému a tá časť optického kábla 1 , ktorá vybieha smerom k strednému pólu rozchodu. Ostatné prvky systému, napríklad fázové vodiče, sú z dôvodu prehľadnosti vynechané. Okrem toho sú kapacitne indukované napätia a prúdy graficky znázornené na rovnakej horizontálnej stupnici a to ako pre systém podľa tohto vynálezu, tak i pre konvenčný systém. Vo vlhkom prostredí indukované napätie λζ.klesá a indukovaný prúd 1^ v smere k veži stúpa rovnakým spôsobom, ako je to znázornené na obr. 3, čo má za následok vznik joulovho ohrevu a vytvorenie suchého pásma v časti kábla, ktorá susedí s vežou pri konvenčnom systéme (bod A). Akonáhle sa vytvorí oblúk, celkové indukované napätie na suchom pásme poklesne, načo indukované napätie dosiahne stav čo má za následok pravdepodobné vytvorenie oblúka. Akonáhle oblúk vznikne, vráti sa rozmiestnenie napätia na hodnotu krivky V&a oblúk sa udržuje pomocou pomerne vysokej hodnoty indukovaného prúdu (krivka 1^ ) pri bode A.

V systéme podľa tohto vynálezu, indukované napätie a prúd v vlhkom prostredí majú tvar (V^ a 1^,) . Ak sa na časti kábla pri veži vytvorí suché pásmo, odporový prvok obmedzí pokles napätia na suchom pásme na hodnotu, ktorá je pod hodnotou umožňujúcou vznik oblúka (ImA cez 500 kohov/m, kedy dáva len 25V cez 50 mm) . Suché pásmo sa môže tvoriť, za koncom odporového prvku (bod B) , kde sa rozdelenie indukovaného napätia zmení na hodnotu znázornenú krivkou V,. V tomto prípade je napätie V? , ktoré na časti pásma za koncom odporového prvku pokleslo, značne nižšie než V_b a to vplyvom toho, že napätie na konci odporového prvku podstatne stúplo (napr. o 10 kV) a to Čiastočne vplyvom kapacitného spojenia medzi odporovým prvkom a fázovými vodičmi a čiastočne vplyvom indukovaného prúdu tečúceho odporovým prvkom. Nedochádza však len k redukcii poklesu napätia na časti suchého pásma za koncom odporového prvku, ale i indukovaný prúd I^pri bode B je podstatne nižší než pri bode A, čo má za následok, že sa oblúk nemôže udržať. Ak sa vhodne zvolí odpor na jednotku dĺžky odporového prvku, možno sa vyhnúť joulovmu ohrevu. Napríklad 500 kohmov/m a ImA poskytne výkon 0,5 W/m, ktorý nie je dostatočný na ohrev prvkov alebo vlhkosti na kábli. Tým sa možno vzniku jednotlivého suchého pásma prostredníctvom kladnej spätnej väzby a pomocou vzrastu odporu, tak ako dochádza k preschnutiu pásma, vyhnúť.

Je to ďalší prospech, ktorý tento vynález prináša.

Skutočnosť, že je prvok od kábla oddelený a nie je pod plášťom kábla, zvyšuje jeho schopnosť rozptyľovať teplo. Znižuje to účinnosť jolovho ohrevu a umožňuje to viesť väčší prúd bez škodlivého vplyvu ohrevu.

V typickom 400 kV systéme prenosu a pri použití veže typu L6 s obvodmi, ktoré majú fázy usporiadané symetricky (ABCABC) v mieste bežne preferovanom pre zavesenie ADSS káblov, to je v strednej časti medzi spodnými štyrmi fázovými vodičmi, môže mať ADSS kábel 35 kV záťaž v strednom poli, čo stačí na vytvorenie oblúka suchého pásma. Podmienky, pri ktorých je znečistenie také, že pri povrchovom odpore 500 kohmov môže prechádzať indukovaný prúd 2,5 mA, sú dostačujúcim pre vznik stáleho oblúka suchého pásma, čo spôsobí poškodenie kábla. Ak systém zahŕňa 50 metrov dlhý odporový prvok s lineárnym odporom 300 kohmov/m podľa tohto vynálezu, potom napätie (V^'), ktoré je k dispozícii pre vznik oblúka suchého pásma na konci odporového prvku, sa zníži na 19 kV a prúd na 0,8 mA. Ak je lineárny odpor prvku 400 kohmov/m, poklečs napätia Vje 16 kV a indukovaný prúd je 0,6 mA, zatiaľčo pri lineárnom odpore prvkov 500 kohmov/m, pokles napätia Vjj' je 13 kV a indukovaný prúd má hodnotu 0,5 mA.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kombinovaný nadzemný systém prenosu elektrickej energie a optického prenosu zahŕňa nadzemné elektrické fázové vodiče /2/, natiahnuté a zavesené medzi vežami /10/ a aspoň jeden optický kábel /1/, ktorý je zavesený medzi vežami, kde spomínané káble májú odporový prvok /12/, ktorý je zavesený tak, že sa dá odstrániť a je natiahnutý od veže /10/, pozdĺž optického kábla, pričom odporový prvok uzemnený pri veži a má lineárnu vodivostí, ktorá je väčšia než pozdĺžna vodivosť kábla za sucha, takže každý indukovaný prúd sa odporovým prvkom zvedie do zeme, pričom spomínaný odporový prvok má dĺžku a vodivosť takú, že pri výskyte suchého pásma /6/, na kábli pri konci prvku, je rozdiel potenciálu /V_h'/ na pásme dostatočne veľký na to, aby sa vytvoril oblúk , a/alebo taký, že indukovaný prúd je dostatočne veľký, aby udržal akýhokoľvek oblúk, ktorý by sa na suchom pásme mohol vytvoriť.
2. 2. Systém podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že odporový prvok /12/ má dostatočnú dĺžku, pričom sa za koncom prvku na optickom kábli môže vytvoriť suché pásmo /6/ a kde sa pritom na konci prvku zvýši napätie /V_5£·/, ktoré dosiahne hodnotu brániacu vytvoreniu oblúka.
3. 3. Systém podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že odporový prvok /12/ má dĺžku aspoň 20 m.
4. 4. Systém podľa nároku 3, vyz na čujúci sa tým, , že odporový prvok /12/ má dĺžku aspoň 30 m.
5. 5. Systém podľa ktoréhokoľvek . nároku 1 až 4, vyznačuj ú c i sa t ý m, že odporový prvok /12/ má dĺžku, ktorá nie je väčšia ako 60 m.
6. 6. Systém podľa ktoréhokoľvek nároku 1 až 5, vyznačujúci sa t ý m, že odporový prvok sa môže nainštalovať na optický kábel a posúvať pozdĺž kábla smerom od veže, pričom je na kábli zavesený pomocou množstva prostriedkov /14/, ktoré umožňujú posúvanie prvku pozdĺž kábla.
7. 7. Systém podľa ktoréhokoľvek nároku 1 až 6, vyznačujúci sa tým, že odporový prvok /12/ má lineárny odpor, ktorý je menší než lineárny odpor optického kábla za vlhka.
8. 8. Systém podľa ktoréhokoľvek nároku 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že odporový prvok /12/ má lineárny odpor s hodnotou v rozmedzí od 200 kohmov/m do 10 Mohmov/m.
9. 9. Systém podľa nároku 8,vyznačujúci sa tým, že odporový prvok /12/ má lineárny odpor s hodnotou v rozmedzí od 300 kohmov/m do 5000 kohmov/m.
10. 10. Odporový prvok /12/, ktorý sa môže nainštalovať na optický kábel /1/ tak, že sa môže odstrániť a pritom je zavesený systému prenosu elektrickej energie a kde prvok zahŕňa množstvo prostriedkov prvku na optický kábel, kde spomínané pozdĺž kábla, pričom medzi vežami /10/ optického prenosu, /14/ na zavesenie prostriedky umožňujú posúvanie prvku prvok má takú dĺžku a vodivosť, že v prevádzke, pokiaľ sa vyskytne na konci prvku suché pásmo /6/, nie je rozdiel potenciálu . na pásme V_fa dostatočný na to, aby sa vytvoril oblúk a/alebo indukovaný prúd nie je dostatočný na udržanie oblúka, ktorý by sa mohol na suchom pásme vyskytnúť.