ВОЛС на воздушных линиях электропередачи

Резюме

Приведен анализ различных методов строительства оптических линий связи использующих энергетическую инфраструктуру воздушных линий электропередачи (ВОЛС-ВЛ). Дан обзор кабелей, конструкций и приведены общие рекомендации по их применению на ВОЛС-ВЛ.

Введение

Преимущества оптических световодов или волоконных световодов (ВС) как физической среды распространения сигналов электросвязи и конструктивной основы оптических кабелей (ОК) связи хорошо известны (см., например, [1-4]). Основными из них являются: широкая полоса пропускания, обеспечивающая возможность передачи сигналов электросвязи со скоростью до 10 Гбит/с и выше; низкий уровень потерь на распространение сигналов, позволяющий осуществлять их передачу без регенерации на расстояния до 120-150 км; нечувствительность к электромагнитным помехам; отсутствие перекрестных помех в ОК; малая масса и размеры ОК.

Другие достоинства и преимущества ВС и ОК по сравнению с традиционными средами распространения, такие как относительно высокая защищенность от несанкционированного съема (перехвата) передаваемой информации, пожаробезопасность, относительно невысокая цена ОК по сравнению с медными кабелями и практически неограниченные запасы сырья для производства ОВ делают их применение в сетях и системах связи еще более привлекательным и технически и экономически оправданным. Именно поэтому ОК практически полностью вытесняют в настоящее время все другие виды направляющих структур в магистральных линиях цифровых первичных сетей связи [5].

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) на основе ОК и современных цифровых систем передачи в настоящее время занимают ведущее место в системах связи различного назначения. Особенно перспективно применение ВОЛС, подвешиваемых на опорах воздушных линий (ВЛ) электропередачи высокого напряжения (ВОЛС-ВЛ), имеющих наивысшую надежность по сравнению с другими видами ВОЛС [6, 7]. Кроме того ВОЛС-ВЛ обладают рядом конкурентных преимуществ по сравнению с традиционными способами строительства оптических кабельных линий связи (КЛС). К ним можно отнести отсутствие необходимости отвода земли и согласования права на проход, уменьшение сроков введения линий в эксплуатацию, снижение капитальных и эксплуатационных затрат.

В настоящей статье рассмотрены основные виды ОК для подвески на ВЛ (ОК-ВЛ) требования к ОК-ВЛ, особенности технологии подвески различных видов таких кабелей, некоторые вопросы, связанные с надежностью ВОЛС-ВЛ и даны практические рекомендации по выбору ОК-ВЛ для ВОЛС.

Оптические кабели для подвески на ВЛ электропередачи

Оптическим кабелям и их применению в ВОЛС за последние годы посвящен ряд книг [1-4], нормативная [8, 9], справочная [2, 10], и обширная периодическая литература [11-15]. Однако ОК-ВЛ, несмотря на весьма широкое их применение в строительстве ВОЛС-ВЛ как за рубежом, так и в России, в силу значительной сложности технологии проектирования и всего комплекса строительства таких ВОЛС все еще недостаточно систематизированы по техническим требованиям к ним и их применению.

В настоящее время известны семь основных вида ОК-ВЛ, три из которых получили наибольшее распространение - это оптический кабель в грозозащитном тросе (ОКГТ), полностью диэлектрический оптический самонесущий кабель (ОКСН) и оптический навивной кабель (ОКН) [9, 10]. Кроме этого в последние годы активно внедряются оптические прикрепляемые кабели (ОКП) [14]. Разнообразные типы ОК-ВЛ различного конструктивного исполнения разработаны и выпускаются многими зарубежными и отечественными производителями. В целом номенклатура и основные характеристики отечественных ОК соответствуют принятым международным стандартам и мировой практике. Однако среди большого разнообразия ОК, выпускаемых в России в настоящее время, еще недостаточна номенклатура ОК для подвески на опорах воздушных линий (ВЛ) электропередачи [15]. Это относится к оптическим кабелям в грозозащитном тросе (ОКГТ) и оптическим кабелям навиваемым (ОКН) на грозотрос (ГТ) и фазные провода (ФП).

Основные конструктивные требования к ОК-ВЛ и их технические характеристики, а также конструкции, методы прокладки и подвески, соединения и защиты представлены в справочных изданиях [8-10]. Поэтому ограничимся рассмотрением наиболее существенных с практической точки зрения требований к ОК-ВЛ, возникающих при проектировании ВОЛС-ВЛ.

При выборе технологии строительства ВОЛС-ВЛ необходимо принимать во внимание следующие исходные данные:

• климатические условия,
• рабочее напряжение и конструктив ВЛ,
• рельеф местности, наличие пересечений
• количество волокон
• требования по выбору ОК, связанные со спецификой строительства/эксплуатации срок службы, который для большинства выпускаемых в настоящее время кабелей составляет не менее 25 лет.

Типовые технические требования к ОКГТ и ОКСН для подвески на ВЛ напряжением 110 кВ и выше, как это предусмотрено правилами [9], представлены в табл. 1. Подобные технические требования к ОК-ВЛ полезно определить на этапе планирования ВОЛС-ВЛ и предварительного формирования технического задания на проектирование ВОЛС-ВЛ, а также при запросе технических предложений от поставщиков ОК-ВЛ.

Таблица 1. Основные типовые технические требования к ОК-ВЛ

В табл. 2 даны основные характеристики типовых ОК-ВЛ как зарубежного, так и отечественного производства, рекомендуемых для подвески на ВЛ 110 и 220 кВ.

Основными преимуществами ОКГТ являются наивысшая надежность ВОЛС-ВЛ и возможность их применения на ВЛ от 110 кВ и выше практически без ограничений ВЛ по классу напряжений [9]. Однако ОКГТ имеют наибольшую стоимость, требуют применения достаточно сложного технологического оборудования для их подвески и монтажа, а также значительных затрат на проектирование и монтаж ВОЛС-ВЛ.

Таблица 2. Основные характеристики типовых ОК для подвески на ВЛ

Примечания:

1. Максимальная температура ОКГТ - 120°С
2. Диапазон рабочих температур: -50 - +50°С; проводника для ОКН - 300°С
3. ГТ - навивка на грозотрос
4. ФП - навивкана фазный провод
5. *) - допустимое число ОВ

ОКГТ находят применение при строительстве магистральных (межзоновых и международных) ВОЛС и транспортных сетей различного масштаба [6, 16]. Особенно преимущества применения ОКГТ проявляются при строительстве новых ВЛ. Ввиду наивысшей надежности именно ОКГТ рекомендуется при строительстве не резервируемых магистральных линий связи.

Основными преимуществами ОКСН являются относительно небольшой вес и возможность проведения подвески и монтажа ОК без отключения ВЛ. Как и в предыдущем случае, ОКСН находят применение при строительстве магистральных ВОЛС и транспортных магистралей цифровых первичных сетей (ЦПС) зонового (областного) уровня и корпоративных сетей на существующих ВЛ.

Преимуществами ОКН служат высокая надежность ВОЛС-ВЛ (особенно при навивке на фазные провода или новый грозотрос), значительно более низкая стоимость проектных и монтажных работ, высокая скорость подвески и монтажа, малые дополнительные нагрузки на ВЛ, высокая технологичность и возможность проведения подвески и монтажа ОК на грозотросе без отключения ВЛ. Применение ОКН оправдано и перспективно для строительства как магистральных ВОЛС (при необходимости быстрого ввода их в эксплуатацию) и транспортных магистралей ЦПС, так и сетей доступа к ЦПС. Для магистральных ВОЛС-ВЛ и ЦПС на ОКН рекомендуются кольцевые структуры.

К преимуществам ОКП можно отнести значительно более низкую стоимость ОК, а также проектных и монтажных работ, высокую скорость монтажа, малые дополнительные нагрузки на ВЛ, возможность проведения монтажа ОК на грозотросе без отключения ВЛ. К недостаткам ОКП следует отнести отсутствие широкой практики применения и опыта эксплуатации, низкую баллистическую стойкость таких ОК-ВЛ.

Универсальных рекомендаций по выбору технологии строительства ВОЛС-ВЛ на сегодняшний день не существует. Однако можно рекомендовать применение той или другой технологии ВОЛС-ВЛ исходя из обеспечения необходимой надежности ВОЛС и минимальных общих затрат на строительство ВОЛС по сравнению с другими видами ОК. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены далее. В настоящее время при строительстве ВОЛС-ВЛ наибольшее применение находят ОКГТ (60-70% объемов) и ОКСН (20-30%) и несколько меньше – ОКН (10%). При этом четко выражена региональная специфика строительства ВОЛС. Так ОКГТ преобладает во всех регионах мира, в Европе, особенно в Англии и Скандинавии преимущество ОКН перед ОКСН очевидно. В Америке напротив ОКСН получил большее распространение, впрочем, как и в Юго-Восточной Азии. В Японии технологии ОКН и ОКСН используются на ВОЛС-ВЛ примерно наравне.

ОКГТ

Оптический кабель встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ) является наиболее широко используемым решением для строительства ВОЛС-ВЛ. Доля ОКГТ составляет около 80% всех ВОЛС-ВЛ на вновь строящихся линиях и свыше 40% на реконструируемых.

В конструкции кабеля типа ОКГТ можно выделить сердечник или оптический модуль, содержащий оптические волокна, и внешний одинарный или двойной повив преформированных проволок. Стальная проволока, используемая в повивах ОКГТ должна быть защищена от коррозии, поэтому применяется так называемая плакированная алюминием проволока, которая существенно устойчивее к окислению, чем гальванизированная, ввиду большей толщины покрытия. Кроме того, ее проводимость выше, а прочность не ниже, чем у аналогичных стальных проволок. Также для обеспечения стойкости к токам короткого замыкания (КЗ) в повиве используют алюминиевые проволоки. Комбинацией различного числа стальных и алюминиевых проволок добиваются необходимых характеристик по прочности на растяжение и стойкости к токам КЗ. Также важно отметить, что, поскольку грозотрос подвержен частому действию разрядов молний, целесообразно для наружного слоя использовать проволоки диаметром не менее 2,5 мм и стараться, по возможности, избегать наличия алюминиевых проволок во внешнем повиве, из-за их низкой молниестойкости.

На создание различных конструкций ОКГТ повлияло множество факторов, в том числе и требования к технологии производственных процессов. Все конструкции должны удовлетворять основным механическим и электрическим требованиям, как к грозозащитным тросам, так и к ОК. Важным аспектом при разработке конструкции ОКГТ является необходимость иметь при монтаже ОКГТ соответствующую арматуру, методику подвески ОК на опоры ВЛ. Использование несоответствующих креплений может повредить ОК и привести к увеличению потерь в ОВ из-за возникающих макро и микроизгибов.

По конструктивному исполнению ОКГТ различных производителей можно условно разделить на четыре основные группы (конструкции), отличающиеся размещением и конструктивным исполнением оптического сердечника [10, 11].

В первой конструктивной группе ОКГТ, для удобства назовем ее A, оптические волокна расположены внутри центральной трубки. Центральная трубка может быть выполнена из алюминия или алюминиевого сплава, стали и полимерных материалов. Внутри трубки волокна могут быть плотно упакованы в модули (тип А1) или свободно уложены - в центральный трубчатый модуль (А2) или в модульную скрутку (А3). Поверх трубки положены повивы из проволок, определяющие механическую прочность ОКГТ.

Одним из классических примеров реализации конструкции группы А2 можно считать кабели NK Cables (Nokia), выполненные по технологии («Spiral Space»), где используется центральный оптический модуль на основе полимерной трубки. ОВ свободно уложены в теле трубки в отверстии, выполненном в виде геликоиды, свободное пространство которой заполнено гидрофобным наполнителем. Поверх полимерной трубки наложены повивы из проволок, обеспечивающие необходимую механическую прочность и электрическое сопротивление. Такое конструктивное решение для оптического модуля позволяет волокнам при растяжении и сжатии кабеля двигаться вдоль его оси. Стойкость данного кабеля к раздавливанию невелика, но слабые деформации обратимы. Кабель легок в монтаже, волокна относительно легко доступны для сварки.

Данные конструкции были разработаны первыми, поэтому получили наибольшее распространение. По этой технологии выпускают свои кабели фирмы Alcatel (Германия) - А3; Alcoa Fujikura Ltd. (США) - А1; Corning Optical Cables (бывшее BICC, Великобритания) - А3; Fujikura (Япония) - A1; NK Cables (Nokia) (Финляндия) - А2; Olex Cables (Австралия) - А3; Pirelli (Италия) - А3; Siemens (Германия) (теперь подразделение Corning Optical Cables) - А2; Sumitomo Electric Industries (Япония) - А2; Самарская оптическая кабельная компания (СОКК, Россия) - А2[1].

Во второй конструктивной группе ОКГТ оптический модуль размещен в пазах профилированного сердечника выполненного из алюминия или алюминиевого сплава (группа Б). Это так называемый открытый профилированный сердечник, в отличие от закрытого алюминиевой трубкой из третьей конструктивной группы. Здесь не используется плотная упаковка ОВ. Это так называемые кабели второго поколения [17]. К достоинствам этой группы можно отнести наивысшую стойкость к раздавливанию и хорошую стойкость к токам КЗ. После прохождения токов КЗ нагрев уходит в алюминиевый сердечник, который предохраняет волокно от возникновения мест с очень высокой температурой. Материалы, использованные в ОКГТ группы Б, не образуют гальванических пар и поэтому не способствуют выделению значительного количества водорода. В любом случае открытый тип (т.е. не имеющий поперечной герметизации) кабеля означает решетчатую конструкцию, которая не задерживает ни воду (гидроксильные группы) ни водород, как известно, отрицательно влияющие на рабочие характеристики ОВ. Шаг нарезки пазов профилированного стержня позволяет добиться максимальной избыточности по длине ОВ среди всех дизайнов ОКГТ. Такие кабели были разработаны позже группы А и производятся компанией Focas (Великобритания, США), которая с середины 2000 года стала составной частью компании Alcoa Fujikura Ltd (США), а также компаниями Alcatel (Германия) и Samsung Electronics (Ю. Корея) по лицензии.

Третья конструктивная группа ОКГТ (группа В) отличается от второй наличием герметичной алюминиевой трубки, наложенной поверх профилированного сердечника – оптического модуля. Различают оптические модули с плотной упаковкой ОВ, уложенных в пазы (В1), и со свободной укладкой ОВ (В2). Данный группа отличается хорошей стойкостью к раздавливающим усилиям, однако обеспечить запас по вытяжке ОВ по длине здесь труднее, чем в группе Б. Разделка и монтаж кабеля требуют специального инструмента. Кабели группы В разработаны и внедрены в производство следующими компаниями: Alcatel (Германия) - В2;

Furukawa (Япония, Бразилия) - В1; Hitachi (Япония) - В1; Phillips-Fitel Inc. (Канада) - B2; Samsung (Корея) - В2; Showa Wires and Cables (Япония) - В1; Uniphone (Малайзия) - В1.

Четвертая из рассматриваемых групп конструкций ОКГТ представляет собой так называемый дизайн «трубка-проволока в повиве» (группа Г). Одна или несколько таких трубок с ОВ скручены вокруг центральной проволоки, образуя первый повив кабеля. В зависимости от необходимой прочности и требуемого сопротивления ОКГТ имеет дополнительно еще один или два повива проволок. Уменьшение нагрузки на ОВ в таких трубках достигается тем, что трубки навиты вокруг центрального сердечника образуя спираль. Данный дизайн требует относительно большого запаса по длине ОВ, недостатком которого является возможность проявления микроизгибов при низкотемпературном сжатии. Сопротивление на раздавливание хорошее. Деформации обратимы. Есть возможность производства с очень большим количеством ОВ. Одним из существенных преимуществ данной конструкции ОКГТ является полное внешнее сходство с обыкновенным грозотросом, и, как следствие, возможность использования стандартной арматуры. Отрицательными являются последствия токов КЗ для волокон, прилегающих изнутри вплотную к стенке трубки. Кроме того, кабели группы Г малого диаметра обладают низкой молниестойкостью, так как структура ОКГТ из трех слоев повива требует применения во внешнем повиве тонких проволок, которые подвержены коррозии (возникает возможность появления гальванических пар, что приводит к выделению водорода), трудны в идентификации модуля и требуют специального инструмента для разделки.

А)

Б)

В)

Г)

Рис. 1. Основные Конструкции ОКГТ:
А – группа А (NK Cables – A2);
Б – группа Б (Focas);
В – группа В (Philips-Fitel – В2);
Г – группа Г (Alcatel, Швейцария)

Данный тип конструкции разработан позднее других и его повсеместное распространение было ограничено высокой стоимостью изготовления трубок. Несмотря на это сегодня по такой технологии производят свои кабели компании Alcatel (Германия), Alcoa Fujikura Ltd. (США), Alcatel (Швейцария), (Brugg Telecom (Швейцария, США)), Draka (Нидерланды, бывший Phillips), NKT Cables (Германия), Samsung (Корея), Siemens (Германия) (теперь подразделение Corning Optical Cables).

Общее условное сравнение конструкций ОКГТ, обобщающее рассмотреные особенности конструктивного их исполнения, представлено в табл. 3.

Важно отметить стремление отечественных производителей освоить выпуск столь сложного в технологии кабельного производства изделия как ОКГТ. Здесь пионером можно считать Самарскую Оптическую Кабельную компанию, конструкция ОКГТ которой подробно описана [11] и вместе с детальными техническими характеристиками дана в справочнике [10]. Также разработки по выпуску ОКГТ ведет завод Севкабель-Оптик (С-Петербург) в сотрудничестве с японской компанией Fujikura. Однако коммерческих проектов с использованием этого кабеля не было.

На рис. 1 и 2 схематически представлены основные конструкции ОКГТ и дана фотография общего вида основных конструкций ОКГТ различных производителей. Основные характеристики ОКГТ, рекомендуемых для подвески на ВЛ 220 кВ, приведены в табл. 4.

Рис. 2. Общий вид ОКГТ различных производителей

Таблица 3. Условное сравнение конструкций ОКГТ

Таблица 4. Основные характеристики ОКГТ

Примечания:

1. Характеристики ОКГТ приведены для ВЛ 220 кВ и III климатической зоны.
2. Рабочая температура окружающей среды -50 - +50 0С.
3. Цены даны справочно

ОКСН

Оптические самонесущие диэлектрические (неметаллические) кабели (ОКСН) предназначены для монтажа на опорах действующих ВЛ с подвеской либо ниже фазных проводов (обычно на уровне нижней траверсы), либо по оси опоры ВЛ – в точке «нулевого потенциала».

Опыт многих проектов в различных странах мира показал, что кабели типа ОКСН являются весьма привлекательной возможностью превращения ВЛ электропередачи в воздушную линию связи. Смысл их применения традиционными операторами связи заключается в том, что такое решение позволяет "разделить" собственность - кабель не является неотъемлемой частью ВЛ и подвешивается, как правило, ниже фазовых проводов. Это является преимуществом, так как многие традиционные операторы - поставщики услуг связи хотят иметь свой, отдельный от энергосистем, оптический кабель.

Одним из наиболее важных решений при разработке технического проекта ВОЛС на ОКСН является выбор ОК соответствующей конструкции, который мог бы выдержать различные напряжения, возникающие в кабеле в процессе строительства и эксплуатации ВОЛС-ВЛ. Важными характеристиками конструктивного исполнения ОКСН являются допустимые внешние механические нагрузки, такие как ветровая, гололедная и нагрузка собственного веса. При разработке подобного проекта важно понимать и учитывать влияние наведенных на ОКСН токов и напряжений, возникающих под действием соседних фазовых проводов. Для этого требуется знание свойств материалов, из которых изготовлен ОК, и правильный выбор (расчет) точек подвески ОКСН на опорах ВЛ, чтобы минимизировать наведенные токи без уменьшения расстояния ОК от земли или увеличения риска контакта (перехлеста) кабеля с фазными проводами. Обычно для успешного проектирования и монтажа ОКСН необходим полный анализ распределения электрических полей по поперечному сечению ВЛ, включая сечения по оси опор ВЛ. Также очень важно иметь в виду, что, только используя специальную арматуру можно обеспечить надежную работу ОКСН. В качестве силовых элементов ОКСН обычно применяют арамидные нити и/или стеклопластик. Из-за возникающей индукции от подвешенных параллельно фазовых проводов применение металлических силовых элементов не рекомендуется.

Традиционно область применения ОКСН – ВЛ с относительно небольшими пролетами (до 200-300 м). Так на ВЛ напряжением 10, 35 и 110 кВ, при отсутствии грозозащитного троса на линиях, кабель ОКСН является практически единственным решением для ВОЛС-ВЛ. Однако в некоторых случаях ОКСН используют и на ВЛ с рабочим напряжением 220 кВ и выше с длиной пролетов 300-400м. Известное ограничение применения ОКСН на ВЛ класса напряжения выше 150 кВ связано с явлением так называемого сухого дугового разряда, возникающего после загрязнения оболочки ОКСН из-за наведенных потенциалов электромагнитного поля. Математическая модель и анализ указанного явления проведен в [18].

Последние исследования [19, 20] и классификация МЭК позволяют ограниченно использовать ОКСН даже на ВЛ класса напряжения 500 кВ, что, однако экономически неэффективно в связи с большими длинами пролетов (обоснование этого будет дано ниже).

Поскольку одной из уязвимых черт ОКСН является низкая стойкость кабеля к повреждению дробью, разработаны и выпускаются модификации кабеля с защитой от огнестрельного оружия (баллистическая защита).

Типовая конструкция ОКСН

Наиболее распространенная конструкция ОКСН представляет собой оптический сердечник модульной скрутки, защищенный арамидными нитями, которые используются в качестве армирующих элементов (см. рис.3). При этом ОВ находятся внутри трубок (модулей), выполненных из прочного полибутилентерефталата (ПБТ) или полиамида, которые заполнены водоотталкивающим гелем. Различные компании используют, как правило, 5-ти или 6-ти элементную скрутку на центральный элемент, выполненный в виде стеклопластикового стержня, который, обладая отрицательным температурным коэффициентом, «держит» конструкцию при высоких температурах. Поверх скрученных модулей накладывается полиэтиленовая оболочка типа ПЭВП или ПЭНП, в зависимости от необходимой стойкости к раздавливанию. Для конструкций ОКСН, обеспечивающих баллистическую стойкость, внутренняя оболочка выполнена из специальных материалов повышенной прочности. На промежуточную оболочку приклеиваются арамидные нити, которые укладываются, как правило, в два слоя противоположного повива. Прочная внешняя оболочка обеспечивает защиту ОКСН от внешних воздействий. Предусмотрены варианты оболочки с повышенной стойкостью к электрическому пробою и агрессивным средам. Данные модификации рекомендованы для применения в тех случаях, когда велика напряженность внешнего электрического поля, или если предполагается эксплуатировать изделие в загрязненных средах, когда обычная изоляция может оказаться недостаточно эффективной.

Таблица 5. Основные характеристики ОКСН

Примечания:

1. Характеристики ОКСН приведены для ВЛ 220 кВ и III климатической зоны.
2. Рабочая температура окружающей среды -50 - +500С.
3. Цены даны справочно.

На рис. 3 схематически представлена конструкция ОКСН.

Рис. 3. Типовая конструкция ОКСН

Следует иметь в виду, что кабели типа ОКСН практически очень трудно подвесить в точке нулевого потенциала, для минимизации электромагнитных полей, воздействующих на кабель. Поскольку новый ОКСН подвержен ползучести (явление аналогичное осадке в строительстве) необходимо контролировать и знать его конечные характеристики после начала эксплуатации ВОЛС-ВЛ и по ним произвести пересчет стрел провеса и повторно провести анализ распределения электромагнитного поля. Все это требует высокой квалификации персонала, осуществляющего планирование, проектирование и организацию эксплуатации ВОЛС-ВЛ, а также тесных контактов проектных институтов с производителями кабелей.

Теоретически можно разработать ОКСН для очень большой длины пролета ВЛ из-за его малой массы, однако, для пролетов длиной более 500м ОКСН выпускают редко, поскольку цена на кабель растет логарифмически с увеличением количества используемых арамидных нитей. Кабель типа ОКСН удобно подвешивать и осуществлять его стыковку. В настоящее время выпускаются и поставляются ОКСН, емкостью свыше 100 ОВ.

Кабели такой конструкции выпускают Alcatel (Швецария); Alcoa Fujikura Ltd. (США); Focas (Великобритания); Pirelli (Италия); Siemens (Германия) (теперь подразделение Corning Optical Cables); Севкабель-Оптик (С-Петербург); Самарская Оптическая Кабельная Компания (СОКК); Оптен (С-Петербург); Трансвок (Боровск, Калужской обл.). Следует отметить, что ОКСН отечественного производства не имеют описанных выше специальных решений в конструкции оболочек - промежуточной и внешней, за исключением компании ЗАО «Севкабель-Оптик», которая освоила выпуск кабелей типа ОКСН с баллистической защитой.

Выпускаются и другие варианты конструкций ОКСН, в частности с профилированным пластиковым сердечником, но они пригодны для подвески на ВЛ напряжением до 110 кВ и имеют несколько худшие технические и эксплуатационные характеристики [10], или разработаны специально для применения в многоволоконных ленточных кабелях.

На рис. 3 схематически представлена типовая конструкция ОКСН. В табл. 5 приведены основные характеристики типовых ОКСН, рекомендуемых для подвески на ВЛ 110 и 220 кВ

ОКН

На существующих ВЛ, находящихся в хорошем состоянии, применялись различные технологии по подсоединению ОК к несущим проводам линии: с помощью ленты, зажимов и навивки. Навивка, как показала практика, оказалась наиболее удачной из всех этих технологий по всем показателям, таким как надежность системы, низкая стоимость монтажа, малые затраты на эксплуатацию, продуктивная работа, и на сегодняшний день является наиболее жизнеспособной технологией присоединения ОК. Основная идея этой технологии состоит в том, чтобы использовать уже существующий грозозащитный трос или один из фазовых проводов в качестве несущего проводника, на который наматывается специальный ОК - ОКН. При этом ОКН может быть малогабаритным и иметь малую массу (около 40-50 кг/км), так как основная силовая нагрузка в этом случае приходится на несущий проводник. Для ОКН емкостью в 24 ОВ его диаметр составляет порядка 6 мм. Никаких работ по усилению несущей структуры не требуется, поскольку дополнительные нагрузки, привносимые ОКН, ничтожны.

Испытания в аэродинамической трубе как с моделированием гололеда, так и без него, и более чем двадцатилетняя практика применения ОКН, показали, что навитый ОК не вызывает появления нестабильностей и неустойчивых состояний в несущем проводнике. Следует также отметить, что спирально навитый ОКН дополнительно помогает противостоять вибрации и раскачиванию грозотроса или фазного провода с кабелем так, как это делает петля спирали, намотанная вокруг трубы, при сильном ветре.

Современные кабели типа ОКН разработаны для навивки на грозотрос ВЛ любого номинального напряжения или на фазный провод ВЛ напряжением до 150 кВ при обеспечении равномерного и постоянного тяжения кабеля. ОКН обеспечивают целый ряд преимуществ при строительстве ВОЛС-ВЛ, включая возможность их навивки на грозотрос действующих ВЛ напряжением 220 кВ и выше при достаточно высокой скорости подвеса и монтажа.

Кабели типа ОКН выпускаются традиционно английскими и японскими производителями. Конструкция кабелей западного и восточного производства различаются только в применении свободно уложенных и плотно упакованных ОВ соответственно. Мировым лидером в производстве ОКН является английская компания Focas, которая произвела и смонтировала свыше 15 000 км ОКН под торговой маркой Skywrap.

Конструкция ОКН Skywrap является классической и представлена на Рис. 4

Рис. 4. Конструкция ОКН

Таблица 6. Основные характеристики ОКН

Примечания:

1. ГТ - навивка на грозотрос
2. ФП - навивка на фазный провод.
3. *) - Цены даны справочно

В ОКН вокруг центрального силового стержня располагаются трубки со свободно уложенными ОВ вместе с заполнителем и системой водоустойчивости, заключенными в специальную внешнюю оболочку. Кабель должен обеспечивать защиту от воздействия как электромагнитных полей, наведенных параллельно проходящими фазовыми проводами, так и любых внешних факторов и нагрузок, например, клевки птиц или выстрелы из огнестрельного оружия.

По всей длине ОКН независимо от навивки и нагрузки на кабель, должно обеспечиваться нулевое напряжение в ОВ. С этой целью для защиты внутренних ОВ от проникновения влаги и предотвращения воздействия возможных внешних нагрузок свободно уложенные трубки с ОВ заполнены специальным гелем.

Кроме упомянутой компании Focas, кабели типа ОКН выпускают компании Corning Optical Cables (бывшее BICC, Великобритания), Fujikura (Япония), Hitachi (Япония), Furukawa (Япония). Были попытки произвести кабель ОКН и отечественными производителями (Оптен, С-Петербург), однако создать законченную навивную систему не удалось.

Другим путем создания системы присоединенных кабелей пошли фирмы Siemens (Германия) (теперь подразделение Corning Optical Cables); Alcatel (Германия). Однако о широком внедрении присоединенных кабелей говорить пока рано.

Основные характеристики и параметры типичных ОК отечественного и зарубежного производства, рекомендуемых для подвески на ВЛ 110 и 220 кВ и имеющих необходимый уровень надежности в соответствии с правилами [9], представлены в таблицах 4–6. Подробные технические характеристики ОКГТ и ОКСН отечественного производства можно найти в справочниках [10, 17].

Выбор технологии ВОЛС-ВЛ

В процессе планирования и принятия решения по выбору технологии ВОЛС-ВЛ следует учитывать и принимать во внимание различные факторы, такие как конструкция, класс напряжения и состояние ВЛ, географические особенности региона, климат, желательное время инсталляции, вопросы связанные с последующем гарантийным обслуживанием, общая стоимость проекта и надежность системы. Несмотря на то, что начальное вложение капитальных затрат является важной статьей расходов, непродуманная эксплуатация ВОЛС-ВЛ может существенно увеличить затраты на ВОЛС-ВЛ и даже привести к значительным потерям не только телекоммуникационных услуг, но и от поставок электроэнергии. Поэтому очень важно выбрать правильную систему ВОЛС-ВЛ, как с технической точки зрения, так и с экономической.

Обсуждая практическую реализацию ВОЛС-ВЛ, приходится сталкиваться со следующими основными вопросами, касающимися исходных данных по строительству ВОЛС-ВЛ. Будет ли ВОЛС-ВЛ строится с нуля или на основе уже существующей ВЛ электропередачи? Если планируется использовать существующую ВЛ, то нуждается ли в замене грозотрос? Если ВЛ только создается и необходимо проложить новый грозотрос, либо если грозотрос нуждается в замене в ближайшие 5 лет, то наиболее рациональным и экономичным решением будет применение кабеля типа ОКГТ. Разумеется, в случае, если грозотрос не предусмотрен на ВЛ, то лучшим решением для строящейся линии можно считать применение кабеля типа ОКФП.

Следующий вопрос - какое на ВЛ рабочее напряжение? Для кабеля ОКСН существует рекомендуемое ограничение по типу ВЛ. ОКСН не может применяться на ВЛ напряжением более 150 кВ, что обусловлено риском разрушения оболочки из-за наведенных соседними фазовыми проводами электрических зарядов и возрастающих токов. Применение технологии навивки ОК на фазных проводах ограничено напряжением примерно 175 кВ. Более высокое напряжение ВЛ может вызвать электромагнитную эрозию кабеля, хотя следует отметить, что при этом ОВ остаются неповрежденными.

Еще один вопрос - какая длина пролетов на ВЛ? Длинные пролеты ВЛ могут ограничить применение кабеля ОКСН, и даже ОКГТ, так как заложенный запас прочности может оказаться недостаточным в условиях предельных климатических нагрузок от гололеда и ветра. Другим важным фактором при подвеске ОКСН является высота его подвеса. Расстояние от ОКСН до земли должно быть не меньше определенного минимального, что может оказаться весьма важным при сложных рельефных особенностях местности, в местах пересечения ВЛ со сложными инженерными сооружениями, такими как магистральные дороги, железные дороги и т.п., и на речных переходах. Сложные особенности местности могут привести к дополнительным затратам и неэффективной подвеске ОКГТ и ОКСН из-за неопределенных размеров дополнительного оборудования и необходимости дополнительных сооружений.

Рис. 5. Схема выбора ОК-ВЛ и технологии подвески ВОЛС-ВЛ

ВОЛС-ВЛ, как это видно из нашего рассмотрения, подразделяются по видам ОК-ВЛ и имеют определенные особенности, связанные как с выбором ВЛ для ВОЛС на этапе планирования и проектирования, так и самим проектированием и строительством ВОЛС-ВЛ. Нормативным документом, определяющим общие технические требования к ОК-ВЛ и ВОЛС-ВЛ на этапе проектирования, строительства и их эксплуатации, являются Правила [9].

Основы технологии подвески ОК-ВЛ методом тяжения. Метод протяжки или тяжения ОК является единственным, которым обычно рекомендуется производить подвеску и монтаж кабелей типа ОКГТ и ОКСН. Метод раскатки и подвески ОК-ВЛ тяжением состоит в том, что сначала через монтажные блоки пропускают легкий шнур (что необязательно), который используется для протяжки более прочного тянущего каната (лидер-троса), к которому затем крепят кабель ОК-ВЛ. В процессе протяжки кабеля осуществляется контроль его тяжения и в процессе монтажа ОК-ВЛ обеспечивается необходимая величина усилия для его тяжения, для установки проектных значений стрел провеса кабеля на каждом пролете между опорами ВЛ.

Основное оборудование, необходимое для раскатки и подвески ОК-ВЛ методом тяжения, включает тянущее устройство с катушкой или барабаном, натяжное устройство с барабаном ОК-ВЛ и тормозом (тормозную машину), монтажные блоки, устройства, препятствующие скручиванию ОК, шарниры, витой кабельный зажим («чулок»), заземлители.

Монтаж ВОЛС-ВЛ с применением кабеля типа ОКН (как для ГТ, так и ФП) осуществляется с использованием специального оборудования, которое поставляет фирма-производитель ОКН (навивная машина с комплектом вспомогательного оборудования). Таким образом, компания изготовитель поставляет не только ОК, но и предоставляет технологию подвески и монтажа ОКН. Это несколько сужает область применения ОКН, однако дает гарантии на смонтированный комплекс ВОЛС-ВЛ, в отличие от производителей ОКГТ и ОКСН, которые, как правило, несут ответственность только за поставленный ОК. Монтажное оборудование для подвески ОКН малогабаритное и позволяет обеспечить высокую скорость монтажа, беспрерывную работу, работать без снятия напряжения (для ОКН ГТ) [7, 9]. Технология подвески ОКН является идеальным методом проведения монтажных работ при переходах ОК через водные преграды, городские кварталы и другие подобные объекты, а также в труднодоступной и горной местности. При этом не требуется возводить специальные сооружения при пересечении ВОЛС-ВЛ автомобильных или железных дорог. Применение метода подвески ОКН позволяет строить ВОЛС-ВЛ со средней скоростью прокладки примерно до 4 км кабеля за смену.

Вопросы надежности ВОЛС-ВЛ

Проблема надежности ВОЛС охватывает широкий круг вопросов и по своей сути является комплексной проблемой. Несмотря на важность и практическую значимость проблеме надежности ВОЛС посвящено не так много работ. Однако подробное рассмотрение вопросов и параметров надежности ВОЛС-ВЛ далеко выходит за рамки настоящей статьи и требует отдельного специального рассмотрения.

Здесь считаем возможным дать лишь введение в общее понимание проблемы и привести некоторые основные параметры надежности и общую оценку механизмов отказов ВОЛС-ВЛ. Основой для рассмотрения и комплексного анализа проблем надежности ВОЛС являются результаты, представленные и обобщенные в Правилах [9] и в работах [7, 19]. Учет требований к ОК по показателям надежности и основных факторов, влияющих на надежность ВОЛС, позволяют определять допустимые параметры надежности составных частей и участков ВОЛС, что является крайне важным при планировании и проектировании ВОЛС.

Известно, что воздушные кабельные линии связи гораздо меньше подвержены повреждениям, нежели кабели, уложенные в грунт, главным образом из-за механизированных раскопок. Некоторые авторитетные источники заявляют, что повреждаемость ОК-ВЛ примерно в сто раз ниже, чем кабелей уложенных в грунт.

По материалам, приведенным в [7], суммарная средняя плотность отказов ОК, уложенных в грунт, составляет 0,3438. Исключая повреждения от стихийных явлений и влияния ВЛ электрифицированных железных дорог, для ОК уложенных в грунт, плотность отказов ВОЛС определена значением 0,1955. В случае ОК-ВЛ типа ОКГТ экстраполированные показатели надежности для ВЛ 110 (220) кВ и выше дают плотность отказов не более 0,08 (0,05) [9]. Другими словами для обеспечения требуемого коэффициента готовности ВОЛС с укладкой ОК в грунт в соответствии с Руководящими техническими материалами [20] необходимо применять специальные меры по уменьшению интенсивности отказов. В противоположность этому ВОЛС-ВЛ, подвешенные на ВЛ напряжением 110 кВ и выше в соответствии с требованиями [20] по параметрам надежности полностью соответствуют перспективной цифровой сети связи.

Рассмотрим основные причины отказов ОК-ВЛ. Существует ряд основных причин повреждения и выхода из строя ОК-ВЛ:

1. Скрытый брак при производстве ОК.
2. Некачественный монтаж.
3. Неподходящая арматура.
4. Повреждения из-за влияния электромагнитного поля.
5. Вандализм.
6. Природные явления.
7. Самопроизвольный обрыв ОВ.

Скрытый брак при производстве ОК маловероятный случай ввиду того, что практически все производители ОК сертифицированы по системе ISO 9000, и контроль на стадии производства гораздо легче организовать, чем на более поздних стадиях. Это может произойти с любой из технологий.

Некачественный монтаж обычно вскрывается при введении ВОЛС в эксплуатацию, и в большинстве случаев может быть исправлен и устранен в сжатые сроки. Это может произойти со всеми тремя типами ОК-ВЛ.

Неподходящая арматура – это в основном проблема для ОКСН, реже для ОКГТ. Известно три механизма отказа ВОЛС по причине неподходящей арматуры: выскальзывание кабеля из натяжных зажимов; вибрация, приводящая к обрыву, из-за неправильного выбора и/или расположения крепления гасителей вибрации; раздавливание кабеля в зажимах (ОКГТ типа A). Для того чтобы избежать данных отказов, необходимо на этапе проектирования уделять внимание совместимости арматуры и кабеля, а также, следить за тем, что монтажные бригады подрядчика укомплектованы необходимым оборудованием (динамометрические ключи и пр.).

Отказы, возникающие вследствие влияния электромагнитного поля – это в основном проблема ОКСН, и только на ВЛ выше 110кВ. Многие ВОЛС на ОКСН в начале 90-х годов вышли из строя по этой причине. Для избежания этого рекомендуется не применять ОКСН на линиях 220 кВ и выше и контролировать степень компетентности проектной организации, а методики расчета согласовывать с изготовителем кабеля.

Примерно треть всех повреждений, как правило, возникает в результате вандализма, в основном из-за стрельбы из охотничьих ружей. Наиболее уязвим здесь ОКСН, поскольку расположен ниже других кабелей. ОКН ввиду его малого диаметра повреждается существенно реже. ОКГТ практически неуязвим для дроби. Известны также случаи повреждения кабеля в результате падения опоры из-за столкновения автомобиля с ней, но вероятность подобных случаев пренебрежимо мала. Довольно частой проблемой является воровство ОК. Вредители воруют в основном ОКГТ, из-за большого содержания алюминия в нем. ОКСН, как правило, разрубают по подозрению на содержание меди и оставляют на месте, что может быть смертельно опасно из-за индуцированных на нем токов. ОКН в данном случае «защищен лучше», поскольку из-за малого диаметра вызывает меньший интерес в этом смысле. Во избежание описанных случаев рекомендуется учитывать при выборе технологии ВОЛС-ВЛ специфику местного населения, его душевой доход, наличие доступных пунктов по приему лома цветных металлов, близость к ВЛ жилых построек, особенно дачных участков.

Природные явления и стихийные бедствия, например, такие как пожар под ВЛ могут повредить любой тип ОК-ВЛ. Но здесь опять ОКСН является наиболее уязвимым. Известны случаи, когда кабель ОКГТ и кабель ОКН успешно пережили несколько пожаров вблизи и под линией.

Усталость, накапливаемая ОВ, приводит к их обрыву в ОК. Этому явлению более подвержены ОК с плотной упаковкой волокон и существенно реже остальные типы ОК. Для предотвращения подобных случаев в расчетах времени жизни ОВ при проектировании ВОЛС-ВЛ необходимо задавать требуемую вероятность обрыва ОВ.

Цена вопроса

Рассчитать стоимость внедрения будущей ВОЛС-ВЛ трудно даже на этапе проектирования. Однако ниже в таблице №7 мы попытались дать некоторое представление о затратах на строительство линии на основе различных технологий применявшихся в последние годы на линиях АО «Мосэнерго». Все приведенные ниже цифры достаточно условны и мы не рекомендуем сравнивать Ваши затраты с ними, они лишь отражают тенденции соотношения затрат между различными технологиями и дают общее представление о финансовой стороне дела. Для более точного определения используемой технологии с финансовой точки зрения необходимо также принимать во внимание будущую эксплуатацию ВОЛС. Нужно примерно представлять себе бюджет на эксплуатацию системы. Если делать выбор основываясь только на стоимости ОК, то решение, пожалуй, будет неправильным.

Также в приведенных ниже цифрах не были учтены следующие расходы, которые понесла энергосистема: расходы, связанные с обесточиванием ВЛ на время проведения работ; потрав посевов под ВЛ.

Таблица 7 Условная стоимость решений

Заключение

Выбор технологии строительства ВОЛС-ВЛ – непростое и нелегкое дело, требующее серьезного как технического, так финансово-экономического анализа. Главный вывод состоит в том, что каждый проект ВОЛС по-своему уникален и однозначного единого подхода к решению задачи не существует. Ресурс ВЛ электропередачи как уникальной на сегодняшний день «воздушной канализации» для строительства ВОЛС далеко еще не исчерпан.

На вопрос энергетиков, нужно ли им самим строить ВОЛС-ВЛ или это нецелесообразно, авторы настоящей статьи отвечают однозначно - нужно. И чем раньше это будет сделано, тем больше преимуществ получит компания, имеющая в своем арсенале ВОЛС-ВЛ и освоившая как строительство, так и эксплуатацию таких ВОЛС. В западных странах процесс освоения ВЛ как ресурса для ВОЛС уже пройден, наступает это время и для нашей страны.

Список литературы

1. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи / Л.М. Андрушко, В.А. Вознесенский, В.Б. Каток и др.; Под ред. С.В. Свечникова и Л.М. Андрушко. – К.: Техника, 1988. –239 с.
2. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справочник / И.И. Гроднев, А.Г. Мурадян, Р.М. Шарафутдинов и др. – М.: Радио и связь, 1993. –264 с.
3. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Сайрус Системс, 1999. –671 с.
4. Волоконно-оптическая техника; история, достижения, перспективы // Сб. статей под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.: Изд. Connect, 2000. -376 с.
5. Шмалько А.В. Построение современных цифровых сетей связи: основные понятия, принципы и вопросы терминологии. – ВКСС. Connect! , 2000, №2.
6. Механошин Б., Смирнов Б. Подвеска оптических кабелей на опорах линий электропередачи. Часть 1. – Мир связи. CONNECT! 1999, №10, с. 72-73.
7. Цым А.Ю. Научные основы сооружения волоконно-оптических линий передачи (Технология ВОЛП-ВЛ) // В кн. Связь России в XXI веке./ Под ред. проф. Л.Е.Варакина. – М.: МАК, 1999, с. 673-688.
8. Конструкции, прокладка, соединение и защита оптических кабелей связи. – Женева: МСЭ – Т. Сектор стандартизации МСЭ. 1994, -161 с.
9. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи напряжением 110 кВ и выше. – М.: РАО «ЕЭС России» , 1999. –108 с.
10. Кабели, провода и материалы для кабельной индустрии: Технический справочник. / Сост. и редакция Кузенева В.Ю., Креховой О.В. – М.: Изд. «Нефть и газ», 1999. – 304 с.
11. Богданова О.И. Конструкция оптических кабелей. – Электрические станции, 1997, №2, с. 36-43.
12. Скляров О.К. Зарубежные оптические кабели для ВОЛС. Технологии и средства связи, 1988, №6, с. 18-26.
13. Антонян А.Б., Гренадеров Р.С. Оптические кабели связи, применяемые на ВСС РФ. – Технологии и средства связи, 1999, №4, с. 14-21.
14. Ларин С.Г. Перспективные оптические кабели: решения для энергетики. – Технологии и средства связи, 1999, №2, с. 16-20.
15. Шарле Д.Л. Оптические кабели российского производства. – Вестник связи, 2000, №9, с. 68-77.
16. Симичев Н.И., Ермашов А.А., Шмалько А.В. Цифровая сеть связи АО «Мосэнерго» - ИнформКурьер-Связь, 2000, №11.
17. Кеннет Э.Корнелисон, Майкл Л.Оглзби, Дж. Ник Уэр Оптические кабели второго поколения, встроенные в грозозащитный трос (Обзор конструкции и характеристик) www.tt.ru
18. Carter, Waldron Mathematical model of dry-band arcing on self-supporting, all-dielectric, optical cable strung on overhead power lines, IEEE Proceedings s-c, vol.139, No. 3, May 1992, pp. 185-196.
19. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов. 2-е изд., стер. – М.: Высшая школа, 2000. –383 с.
20. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Ширман Я.Д., Лосев Ю.И., Минервин Н.Н. и др./ Под ред. Я.Д. Ширмана. – М.: ЗАО «МАКВИС», 1998. –828 с.