(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと共に使用する高圧碍子であって、
絶縁支持ロッドと、
前記支持ロッドの外部表面の周りに巻き付けられた少なくとも１本の光ファイバと、
前記少なくとも１本の光ファイバおよび支持ロッドを覆う、支持ロッドに対して少なくとも１つの光ファイバを圧迫するように膨張状態から収縮することができるゴム弾性絶縁外部スリーブと、
支持ロッドとゴム弾性絶縁外部スリーブとの間の光ファイバの隣の間隙を充填するように、光ファイバに近接して設置された７５０ポアズ以下の粘度を有する絶縁シーラント材料と、
を具備する碍子。
【請求項２】
前記絶縁外部スリーブが、前記碍子の誘電トラッキング長を増大させるためにスカート部を含む、請求項１に記載の碍子。
【請求項３】
前記支持ロッドと前記光ファイバとの間に配置されたゴム弾性絶縁材料の内部層をさらに具備する、請求項１又は２に記載の碍子。
【請求項４】
前記支持ロッドに近接したひずみセンサと、絶縁材料の前記内部層と前記絶縁外部スリーブとの間に配置された温度センサとをさらに具備する、請求項３に記載の碍子。
【請求項５】
光ファイバと共に使用する高圧碍子を形成する方法であって、
絶縁支持ロッドを提供するステップと、
前記支持ロッドの周囲に少なくとも１本の光ファイバを巻き付けるステップと、
支持ロッドとゴム弾性絶縁外部スリーブとの間の光ファイバの隣の間隙を充填するように、光ファイバに近接して設置された７５０ポアズ以下の粘度を有する絶縁シーラント材料を提供するステップと、
前記光ファイバおよび支持ロッドの上に、支持ロッドに対して少なくとも１つの光ファイバを圧迫するように膨張状態から収縮することができるゴム弾性外部スリーブを適用するステップと、
を含む、方法。
【請求項６】
前記外部スリーブの適用中に前記光ファイバ付近にシーラント材料を適用するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記支持ロッドの周囲に少なくとも１本の光ファイバを巻き付ける前に前記支持ロッドの上に内部ゴム弾性層を適用するステップをさらに含む、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
光ファイバと共に使用する高圧碍子であって、
絶縁支持ロッドと、
該支持ロッドの上に設置されたゴム弾性絶縁材料の内部層と、
該ゴム弾性絶縁材料の内部層の外部表面の周りに巻き付けられた少なくとも１本の光ファイバと、
前記少なくとも１本の光ファイバおよび支持ロッドを覆うゴム弾性絶縁外部スリーブと、
支持ロッドに近接するひずみセンサ及び絶縁材料の内部層と絶縁性外部スリーブとの間に位置する温度センサと、
を具備する碍子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景技術
本発明は、光ファイバに関し、特に、高圧電力導体など、高圧電気設備と接触して、またはそれに近接して設置される光ファイバに関する。
【０００２】
架空高圧導体上への光ファイバの適用数は、光ファイバシステムの一般的な使用が高速で増加し続けると益々増大する速度で拡大する。高圧用途は、一般に、電気的ネットワークの動作状態を監視するためにそのネットワークに設置される電流、電圧および温度センサなどの光ファイバ素子と関連している。さらに、光ファイバケーブルは、しばしば高圧導体に取り付けられ、長距離の音声、映像およびデータ通信に使用される。
【０００３】
光ファイバは本来良好な誘電体材料であるが、それらは尚も、光ファイバシステムが電気的に接地された光電子信号処理設備に接続される全ての転移点において正規の予防処置がとられない場合、それらが設置される高圧電力システムの集結度に対する脅威となる。光ファイバシステムが高圧電位から接地電位まで及ぶ場合に遭遇する特定の問題は、誘電トラッキングである。誘電トラッキングは、絶縁材料の表面上を流れる漏電電流が表面温度を、材料の崩壊が起こるレベルまで上昇させるときに起こる。誘電トラッキング問題は、雨、霧、塩水噴霧、埃および多数の産業汚染物などの環境条件で増大する。一旦、誘電トラッキングが始まると、それは、絶縁システムの絶縁耐力がそのシステムの絶縁破壊を起こすほど、通常、線路接地間せん絡によって、十分に減少するまで永続する傾向がある。
【０００４】
光ファイバに使用される被覆、バッファ、およびジャケットは、高圧用途に対する誘電トラッキング防止に関してほとんどまたは全く考慮せずに、主に、光ファイバの取り扱いおよび物理的性能特性を高めるために配合され、設計されている。故に、光ファイバを支持し、保護するように特に設計された碍子が高圧用途でも使用されなければならないことが必須となる。
【０００５】
高圧用途の碍子の第１の機能は、昇圧および汚染した条件下での線路接地間せん絡を防止するのに十分な拡大沿面漏れ長を有する耐誘電トラッキング表面を提供することであるが、適合しなければならない他の重要な性能基準もある。特に、高圧送電線路用途では、接地と高圧線路との間に１０〜２５フィートの距離があるのが普通である。光ファイバが正規に支持され、包含されて、高圧導体や光ファイバの環境により引き起こされる振動のために起こる過度な動きを防止することが、故に、重要となる。
【０００６】
高圧電力導体と共同しての光ファイバの使用は、従来技術で知られている。例えば、米国特許第４，７７２，０９０号は、光ファイバケーブルが接地電位を含む様々に異なる電位の設備を通過、または周辺を通って配線される配置構成を開示する。米国特許第４，７１７，２３７号は、光ファイバ用貫通穴を有するテンション碍子によって架空電線が機械的に支持構造体に固定される架空電気および光伝送システムを開示する。米国特許第５，１２４，６３４号は、光ファイバ配線管として碍子台を使用する光電流トランスデューサを開示する。
【０００７】
従来技術の碍子システムは、克服することが望ましい欠点を有する。特に、水分の侵入が、最終的に絶縁システムの故障を起こすというひどい問題がある。光ファイバと共に使用するように修正されている既存システムは、碍子の両端部における機械的封止機構に頼って、水分の侵入を防止する。このような機械的封止は、繰り返される熱サイクル後に故障しやすい。故に、機械的封止に頼らない絶縁システムを考案することが望ましい。さらに、従来技術の碍子は、典型的にセラミックまたは他の重量のある材料から製造されるので、ある状況ではそのような碍子を使用するのが難しくなる。さらに、従来技術の碍子を、異なる線路接地間距離など、異なる用途の構成に容易に適合できない。故に、異なる用途に容易に適合し、軽量でもある絶縁システムを提供することが望ましい。
【０００８】
発明の開示
本発明は、光ファイバと共に使用する、軽量で、異なる用途に容易に適合でき、繰り返される熱サイクルおよび長期間にわたって水分の侵入に耐える高圧碍子を提供する。この碍子は、少なくとも１本の光ファイバがその周りに巻かれる絶縁支持ロッドを含む。その光ファイバと支持ロッドとは、支持ロッドに対して光ファイバを圧迫するゴム弾性スカート状絶縁スリーブによって覆われる。シリコーンゲルなど、誘電性シーラントが、光ファイバに沿って分散されて、光ファイバ付近に生じるいかなるボイドも充填し、それによって碍子の内部表面間にボイドのない接合を提供する。光ファイバを覆うそのゴム弾性絶縁スリーブは、水分の侵入に対する弾性遮断壁を提供する。好適態様では、材料のゴム弾性層が支持ロッドと光ファイバとの間に提供されて光ファイバの付加的緩衝性を提供し、光ファイバ付近に生じる恐れのあるいかなるボイドのサイズも低減する。ゴム弾性絶縁材料は、好ましくはシリコーンである。碍子を、碍子の長さを単に変更するだけで様々に異なる電圧条件に容易に適合することができる。
【０００９】
碍子は、着氷、風荷重などの線路状態を監視するための「高性能」碍子を造るために追加的感知素子を組み込んでも良い。
【００１０】
好適な実施態様の説明
本発明の碍子システムは、高圧導体と電気的接地との間の光ファイバを保護し、支持するように設計される。碍子は、構造的に堅固な高圧導体または導体アセンブリへの高圧端と、構造的に安全な接地取付部への他端との、両極端部において固定されるように設計される。本発明の碍子は、自立構成で適用される場合に限定的荷重のみを支持するように構成される。碍子システム構成は、高級誘電性材料の中実ロッドのまわりに基礎が形成される。ロッドの外径は、組み込まれる光ファイバの長さおよび本数などの特定用途基準に合致するように変更できる。ロッドの長さは、主に、それが使用されるシステムの電圧レベルにより決まる。碍子システム構造の好適実施例を以下で説明する。
【００１１】
本発明の碍子システム１０の第１好適構造が図１に示される。碍子システム１０は、ガラスファイバまたはＰＶＣなど、適当な材料から形成された支持ロッド１２を含む。被覆されても未外被であっても良い光ファイバ１４は、支持ロッド１２の長さ方向にわたって巻数がほぼ１回以上から成るらせん状で支持ロッド１２の表面の周りに巻き付けられる。支持ロッド１２周りの光ファイバ１４の巻回数は、使用者の特定用途に適するように変更されても良いが、特に支持ロッド１２の全長に依存し、それは、完成した碍子システム１０の電圧条件によりまちまちである。支持ロッド１２周りに光ファイバ１４をらせん状に巻き付ける目的は、支持ロッド１２と光ファイバ１４との間に膨張または収縮の速度に差を生じさせる大きな温度変化の際に光ファイバ１４に加わる物理的力を最小限に抑えるためである。
【００１２】
碍子スリーブ１６は、支持ロッド１２と光ファイバ１４との上に適用される。碍子スリーブ１６は、好ましくは、ジメチルポリシロキサンなど、シリコーン材料から形成されるが、エチレン−プロピレンゴムなど、他の絶縁材料を使用することもできる。さらに、碍子スリーブ１６は、碍子システム１０の誘電性トラッキング長を増大させるためのスカート部１８を有することが好ましい。碍子スリーブ１６は、碍子スリーブ１６を拡張状態に保つ支持コア２０（図３に示された）を取り外すことによって支持ロッド１２と光ファイバ１４とに適用されるのが好ましい。支持コア２０が取り外されると、碍子スリーブ１６が支持ロッド１２と光ファイバ１４との上に収縮して光ファイバ１４を支持ロッド１２と碍子スリーブ１６との間で固定する。このような絶縁スリーブや支持コアは、当業界では周知されており、例えば、本発明の譲受人に譲渡された、Ｓｉｅｖｅｒｔの米国特許第３，５１５，７９８号に記述されており、それは引用によりここに含める。好適なスカート状碍子スリーブは、ミネソタ州、セントポールのＭｉｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ社から入手できるＱＴＭ  ＣｏｌｄＳｈｒｉｎｋTMスカート状シリコーン碍子である。
【００１３】
碍子システム１０の内部境界の集結度が、繰り返される温度サイクルを通じて、高圧電気産業での製品の一般に予想される現場耐用年数である３０年にも及ぶ期間維持されることが重要である。高圧送電線路付近に見られるような高圧電界を受ける場合、微小な空気ボイドでさえ、イオン化し、最終的に、光ファイバ１４や誘電性絶縁システムそれ自体の故障となるコロナ放電を始める。故に、完全にボイドのない碍子システムを達成することが必要である。
【００１４】
図２ａおよび図２ｂに見られるように、碍子スリーブ１６が支持ロッド１２および光ファイバ１４上に適用されると、くさび状ボイド２２が光ファイバ１４の間近に形成される。ボイド２２の完全なボイドのない充填を達成するために採用される方法が、図３に例示される。ボイド２２は、支持ロッド１２と絶縁スリーブ１６との間にシールを形成するために十分な支持コア２０が取り除かれると直ちに、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｓｙｌｇａｒｄ  ＃５２７  Ｓｉｌｉｃｏｎｅ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｅｌなどの低粘度シーラント２４を、碍子スリーブ１６のコア内に注入することによって充填される。少量の貯蔵されたシーラント２４が、支持コア２０の端部と碍子スリーブ１６との間の転移部分内に維持されており、コア２０が取り除かれると、碍子スリーブ１６を支持ロッド１２上に収縮させる。シーラント２４は、支持コア２０が、図３の矢印Ａの方向に支持コア２０の自由端部２５を引っ張ることによって取り外されると、碍子スリーブ１６の「スキージ」作用によって光ファイバ１４に沿って間隙ボイド２２内に分散される。この作用は、支持コア２０が取り外されると貯蔵されたシーラント２４を連続的に進め、非常に効率的なシーラント２４の適用となる。ボイド２２を巧く充填するためには、シーラント２４が７５０ポアズ以下の粘度を有することが好ましく、最も好ましくは、約３００〜３５０センチポアズの粘度を有する。シーラント２４の粘度が高すぎる場合、それは均一にボイド２２を充填せず、これは最終的に碍子の初期故障に結びつく。支持コア２０が完全に取り外された後に得られる結果は、最も求められている高圧用途条件に適合する完全に封止したボイドのない碍子アセンブリケーブルとなる。
【００１５】
光ファイバ碍子システム１０’の第２の好適実施例が、図４ａ〜４ｂおよび図５に示される。碍子システム１０’は、支持ロッド１２が最初に連続長のゴム弾性管２６で覆われて光ファイバ１４に弾性基部を提供することを除いて、上述のものと同じである。光ファイバ１４はゴム弾性管２６上に適用され、上述され、図１〜３で示されたものと同じ技術を利用してゴム弾性管２６と碍子スリーブ１６との間で封止される。ゴム弾性管２６は、好ましくはシリコーンから形成されるが、代わりにエチレン−プロピレンゴムなどの他の絶縁材料から形成されても良い。図４ａおよび図４ｂで示された構成では、光ファイバ１４は、ボイドのないように封止され、２つのゴム弾性管２６、１６の間で緩衝される。碍子システム１０’の構成は、光ファイバ１４に加わる圧縮力があまり大きくない所望のボイドのない封止を提供する。これは、光ファイバ１４が、偏光または偏波保存光ファイバなど、外力に敏感であるタイプのものである場合、特に重要となる。絶縁システム１０’の構成は、光ファイバ１４付近により小さなボイド２２’を造るさらなる利点を有する。
【００１６】
図５は、碍子システム１０’が終端され、固定される様子を例示する、碍子システム１０’の端部の縦部分断面図を示す。（碍子システム１０が同様に終端されても良い）。図５に見られるように、支持ロッド１２は、ネジ山付き端子３０内に延在し、それは、順に高圧ネットワークの一部に、または接地された光電システムに固定される。保護バッファ管３２は、光ファイバ１４を内部端子３０から転移領域３４を通ってゴム弾性管２６上に導く。光ファイバ１４は、上述のように碍子スリーブ１６で覆われ、転移領域３４も、他の絶縁管で覆われる。絶縁管３６が、転移領域３４を覆うために適用されると、転移部分３６におけるバッファ管３２付近のいかなるボイドも、シーラント２４でボイドがないように充填される。転移部分３４におけるボイドを充填するために使用される方法は、図３を参照して上述された方法と同じである。
【００１７】
ここで説明した碍子システム１０、１０’は、既存の碍子システムよりも遙かに軽量で、設置費用がより低く、高圧電力線路への光ファイバ素子の設置を容易にするのに欠かせない設計柔軟性を提供する。本発明の碍子システムが有用となる特定用途は、高圧ネットワークの性能を監視するために使用される光感知および監視素子を備えている。新規の小型且つ軽量光センサは、センサの場所に電力線路を再配線するのではなく、既存の電力線路に感知素子を設置できるようにする。但し、既存電力線路に感知素子を設置すると、ここで開示されたように効果的絶縁および支持素子が必要となる。
【００１８】
どんな誘電性絶縁システム内への水分の侵入も、最終的にはそのシステムの故障の原因となる。光ファイバの用途のために修正されている既存の碍子システムは、碍子の両極端部における機械的封止機構に頼って水分の侵入を防ぐ。長期信頼性は、碍子がその動作寿命期間中に経験する多数回の熱サイクル中の機械的封止からの比較的小さな漏れによっても弱められる。光ファイバの全長にわたって連続してボイドのない接合を形成するために独特の方法で適用された誘電性充填材料に関連したゴム弾性碍子材料の上述の使用法は、ここで説明した実施例によって提供される唯一の利点である。本発明の碍子システム内で使用される材料の天然柔軟度およびレジリエンスは、機械的封止システムのみに頼る碍子に深刻で不利益な影響を及ぼし得る、熱サイクルや線路振動などの、条件への長期間にわたる暴露に対してシステムの集結度を確保する。
【００１９】
当業者は、ここで説明した基本構成に修正が行われて、他のタイプの革新的な碍子を提供するようにしても良いことは理解されよう。例えば、ここで説明した碍子システムは、それ自体がセンサシステムである碍子、すなわち、高性能碍子を製造する可能性をも提供する。例えば、着氷状態、風荷重、急速に動く導体および導体温度に対する高圧送電線路を監視することができる碍子は、支持ロッドに取り付けられた、光ファイバブラッグ回折格子など、光ひずみセンサ、線路接続クランプに取り付けられた温度センサ、および周囲温度を感知し、他のセンサに基準ソースを提供する第２温度センサしか必要ない。この構成で、支持ロッド上のひずみセンサが、取り付けられた導体の重量を測定する。着氷条件下では、その重量は次第に且つ連続的に比較的均一な速度で増大するが、風荷重および急速に動く導体は高速負荷変化を伴う循環的な荷重を生じさせることとなろう。
【００２０】
線路荷重条件の正確な測定を達成するために、線路上に作用する、先に記述された、他の要素により生じた変化から変動する温度条件によって生じたロッド内の変化を区別することができることが重要である。これを可能にする、ここで説明した、本発明の碍子システムの非常に独特な特徴は、同じアセンブリ内に非常に近接してひずみセンサと基準温度センサとを配置し、尚もそれらの２つのセンサ間の機械的隔絶を維持することができることである。図６に示されたこのシステムの構成は、光ひずみセンサ４０がロッド１２の長さ方向における全ての増分変化を検出することができるように、それを支持ロッド１２上に固定することを含む。上記実施例１０’で説明したように、連続押出ゴム弾性管２６が、次に、支持ロッド１２、光ファイバ１４およびひずみセンサ４０の上に配置される。ひずみセンサ４０と同様の光ファイバブラッグ回折格子など、光温度センサ４２が、ゴム弾性管２６の表面上に適用され、次に、外部碍子スリーブ１６で覆われる。これは、二つのゴム弾性層間で緩衝され、測定したひずみ要素から機械的に隔絶される温度基準を提供する。
【００２１】
本発明を、好適実施例を参考にしてここで特に示し、説明してきたが、形式上および詳細に様々な変更が、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなくここで実施されても良いことは当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  新規の碍子の部分の、絶縁カバーの一部を除去した、立面図である。
【図２ａ】  図１の線２−２についての新規の碍子の断面図である。
【図２ｂ】  図２ａの円で囲まれた部分の拡大図である。
【図３】  光ファイバ上へのシーラントおよび絶縁スリーブの適用を例示する部分断面立面図である。
【図４ａ】  新規の碍子の代わりとなるべき実施例の断面図である。
【図４ｂ】  図４ａの円で囲まれた部分の拡大図である。
【図５】  図４ａおよび図４ｂの碍子の終端部を例示する部分断面立面図である。
【図６】  碍子システム内へのひずみセンサおよび温度センサの組み込みを例示する部分断面立面図である。
【図１】
0004258124.tif 000002
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
0004258124.tif 000005
【図４ａ】
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【図４ｂ】
0004258124.tif 000007
【図５】
0004258124.tif 000008
【図６】
0004258124.tif 000009