Грозозащитный трос со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи (варианты)
LIGHTNING PROTECTION CABLE WITH INTEGRATED FIBER-OPTIC COMMUNICATION CABLE (OPTIONS)

Изобретение предназначено для защиты воздушных электрических сетей от прямых ударов молнии, а также для организации волоконно-оптических линий связи.
Известен оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос, выполненный из стальной проволоки, плакированной алюминием, и проволок из алюминия или алюминиевого сплава (RU 145245U1, МПК G02B 6/44, 06.06.2014).
Недостатком полезной модели является низкая стойкость к ударам молнии, стальные проволоки, плакированные алюминием и проволоки из алюминия или алюминиевого сплава, имеют низкую стойкость к токам короткого замыкания, в связи с чем может произойти обрыв проволок, глубокие оплавления покрытий.
Известен грозозащитный трос с оптическими волокнами, содержащий скрученные оптические модули в виде пластиковых трубок (RU 182803U1, МПК H01B 11/22, 2017).
Недостатком изобретения является низкая стойкость к раздавливающим нагрузкам и неэффективное использование сечения из-за уменьшенного сечения металлических элементов, при увеличенных растягивающих нагрузках оптическая часть может деформироваться от давления, создаваемого в зажимах.
Известен (принят за прототип) грозозащитный трос с оптическим кабелем связи, содержащий центральную трубку с оптическими волокнами, гидрофобным заполнителем, при этом трубка выполнена из теплозащитного и высокопрочного композитного материала (RU 2441293C1, МПК H01B 11/22, 03.11.2010).
Недостатком изобретения является низкая стойкость к раздавливающей нагрузке, вследствие небольшой пластического обжатия - 2-4%, а также возможное деформирование трубки с оптическими волокнами в процессе производства троса.
Технический результат изобретения - получения грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи с повышенной стойкостью к удару молнии, раздавливающим нагрузкам, а также одновременное выполнении функции кабеля связи и передачи данных.
Технический результат достигается тем, что грозозащитный трос, состоящий из проволок стальных, свитых по типу полосового касания в 2-3 концентрических слоя вокруг волоконно-оптического кабеля связи, с одинаковым числом проволок в слое; при этом проволоки стальные в слоях свиты в одном направлении и с одинаковым шагом свивки; при этом стойкость к раздавливанию грозозащитного троса составляет 1,5-2 кН/см.
Технический результат достигается тем, что грозозащитный трос, состоящий из проволок стальных, свитых по типу полосового касания в 2-3 концентрических слоя, с одинаковым числом проволок в слое, вокруг центральной части, при этом центральная часть свита за отдельную технологическую операцию и состоит из 4-10 проволок стальных, свитых по типу полосового касания вокруг волоконно-оптического кабеля связи, при этом стойкость к раздавливанию грозозащитного троса составляет 1,5-2 кН/см.
Технический результат достигается тем, что проволоки стальные грозозащитного троса имеют цинк-алюминиевое покрытие.
Технический результат достигается тем, что проволоки стальные грозозащитного троса имеют цинковое покрытие.
Внедрение в конструкцию грозозащитного троса оптических волокон позволяет быстро и эффективно создавать на основе инфраструктуры ЛЭП высокоскоростные современные линии передачи информации.
Применение волоконно-оптического кабеля связи, встроенного в грозозащитный трос, позволяет повысить экономическую эффективность использования тросовой защиты, путем создания канала связи на основе оптических волокон. При этом не требуется использование отдельных кабелей связи, увеличивающих нагрузку на опоры и не требующих дополнительных затрат на их монтаж и эксплуатацию.
Грозозащитный трос со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи обладает чрезвычайно высокой механической и термической прочностью, в том числе, в случае удара молнии или короткого замыкания.
Грозозащитный трос содержит центральный стальной оптический модуль со свободно уложенными волокнами. Свободное пространство в оптическом модуле заполнено гидрофобным гелем. Количество волокон может достигать 144.
К отличительным признакам предлагаемых вариантов грозозащитного троса относится их конструктивное исполнение.
Выбор конструкции грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи зависит от номинального диаметра троса, так с увеличением диаметра увеличивается число концентрических слоев в грозозащитном тросе.
Конструкция грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи по пункту 1 предпочтительна для диаметров 8,0 - 15,0 мм, а по пункту 2 - для диаметров свыше 15,0 мм.
Грозозащитный трос по пункту 2 производится за две технологические операции, за первую изготавливается центральная часть, а затем производится одновременная свивка последующих слоев. Таким образом, центральная часть предохраняет волоконно-оптический кабель связи от раздавливания в процессе эксплуатации и повреждения при свивке и силовой обработке последующих слоев.
Свивка проволок по типу полосового касания обеспечивает максимальное заполнение площади поперечного сечения троса, позволяет при меньшем диаметре сохранить технические характеристики троса и увеличить прочность.
Меньший диаметр позволяет снизить вес и стрелы провеса тросов, не увеличивая для воздушных линий электропередач горизонтальные нагрузки от тяжения на опоры и не ухудшая их термическую стойкость.
Полосовое касание проволок в грозозащитном тросе обеспечивает стойкость к циклическому, знакопеременному воздействию ветровой нагрузки. В процессе эксплуатации трос подвержен вибрации, что вызывает усталостные разрушения проволок в местах контактов, что, в свою очередь, провоцирует преждевременные разрушения таких конструкций в наиболее нагруженных изгибающими нагрузками местах. Полосовое касание проволок исключает усталостные разрушения.
Полосовое касание проволок троса обеспечивает высокий модуль упругости, что снижает относительное удлинение, которое уменьшает провисания при эксплуатации. Не происходит снижения прочности, разрывов или оплавления проволок по основному металлу после ударов молнии.
За счет полосового касания проволок трос имеет гладкую, ровную поверхность. Благодаря меньшей площади, гладкой поверхности обеспечивается меньшее по массе гололедообразование и стойкость к ветровым воздействиям.
Проволоки стальные в слоях свиты в одном направлении и с одинаковым шагом свивки, таким образом снижаются внутренние контактные напряжения в проволоках, а также износ. В результате чего увеличивается срок эксплуатации грозозащитного троса.
Проведены испытания грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи, значения показателей для троса диаметром 11,0 мм приведены в таблице.
Грозозащитный трос со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи стоек к эоловой вибрации - 100 млн. циклов.
Грозозащитный трос стоек к воздействию 100 тысяч циклов галопирования (пляски) на резонансной частоте с двойной амплитудой, равной 1/25 длины пролета или к эквивалентному воздействию пульсирующей продольной нагрузки, т.е. нагрузки с частотой от 1 до 2 Гц и амплитудой от 20 % до 26 % от разрывного усилия троса.
Трос стойкий к термическому воздействию тока короткого замыкания, возникающего в процессе эксплуатации троса при однофазных и двухфазных замыканиях на землю.
Грозозащитный трос со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи обладает абсолютной молниестойкостью (класс 4) с сохранением 100% прочности; стойкостью к последовательным видам воздействий: удар молнии - полный цикл вибраций.
ТаблицаТехнические показатели грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи
Диаметр, мм
11,0
Площадь поперечного сечения троса, мм<sup>2</sup>
79,42
Маркировочная группа, Н/мм<sup>2</sup>
1770
Механическая прочность на разрыв МПР, кН
128
Электрическое сопротивление постоянному току при 20 <sup>0</sup>С, Ом/км
2,52
Внутреннее индуктивное сопротивление , Ом/км
0,34
Модуль упругости, Н/мм<sup>2</sup>
1,70*10<sup>5</sup>
Среднеэксплуатационная нагрузка (СЭН), кН
54
Максимально-допустимая растягивающая нагрузка (МДРН), кН
81
Коэффициент затухания на длине волны 1550 нм, дБ/км
Не более 0,5
Раздавливающее усилие, кН/см
2,0
Водонепроницаемость (длина образца: 3 м, время: 24 часа)
Отсутствие воды на конце отрезка
Осевые закручивания- на угол ±360° на длине 4 м
Отсутствие повреждений
Каплепадение гидрофобного компаундапри 70°С
Отсутствие каплепадения
Климатические воздействия- диапазон температур от плюс 85 <sup>0</sup>С до минус 60 <sup>0</sup>С, 3 цикла, время цикла 24 часа
Δα* ≤0,05 дБ/км
Стойкость к удару молнии(испытания)
Разряд, Кл
110
Падение прочности, после разряда, % МПР
отсутствует
Подтверждение класса молнестойкости
Соответствует 4 класс
Эоловая вибрация после ударов молнии(испытания)
Количество циклов
10<sup>8</sup>
Падение прочности, после вибрации, % МПР*
0
* - прирост затухания оптического волокна в кабеле на нормированных длинах волн.
Стойкость к раздавливанию грозозащитного троса составляет 1,5-2 кН/см (нормированное значение 1,0 кН/см), такое значение обеспечивается за счет максимального увеличения площади заполнения металлом сечения троса и многослойной конструкции троса.
Предложенные конструкции обеспечивают гарантированную защиту волоконно-оптическим кабеля связи от воздействия внешних факторов.
Особенность заявленного изобретения в том, что в зависимости от среды эксплуатации грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи выбирают проволоки стальные с цинк-алюминиевым покрытием или цинковым покрытием.
Грозозащитный трос обладает высокой коррозионной стойкостью за счет применения проволоки с покрытием.
Грозозащитный трос с проволоками цинк-алюминиевого покрытия обладает повышенной коррозионной стойкостью, а также стабильностью покрытия при высоких температурах - до 350°С, что приводит к увеличению срока службы.
Алюминий при контакте с воздухом быстро окисляется, в результате этого процесса образуется устойчивая оксидная пленка, которая химически пассивна и не разрушается с течением времени, предотвращая коррозию металла.
Изобретение иллюстрируется рисунками:
Фиг. 1 - поперечное сечение грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи конструкции 1хК17(Т+8+8), где:
1 - волоконно-оптический кабель связи;
2 - проволоки стальные 1-го слоя;
3 - проволоки стальные 2-го слоя.
Фиг. 2 - поперечное сечение грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи конструкции 1хК37(Т+6+15+15), где:
1 - волоконно-оптический кабель связи;
2 - центральная часть;
3 - проволоки стальные 2-го слоя;
4 - проволоки стальные 3-го слоя.
Рассмотрим подробное изготовление грозозащитного троса со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи.
Изготовление троса конструкции 1хК17(Т+8+8) производится за одну технологическую операцию на канатовьющем оборудовании. При этом на канатовьющем оборудовании установлена роликовая клеть-волока для получения полосового касания проволок. В отдающее устройство канатовьющего оборудования установлен барабан с волоконно-оптическим кабелем связи 1, который протягивают через полый вал оборудования в центр распределительного шаблона.
Стальные проволоки 2 и 3 с зарядных шпуль протягивают через направляющие втулки ротора машины и распределяются согласно конструкции в распределительном шаблоне, затем поступают в обжимные плашки, свиваясь вокруг волоконно-оптического кабеля связи, трос сразу же поступает в роликовую клеть-волоку, где происходит радиальное обжатие. Так образуется полосовое касание проволок в слоях. Изготовление троса производится с одинаковым шагом свивки в слоях и в одном направлении. Далее, для снятия упругих напряжений трос подвергается рихтовке в рихтовальном приспособлении, затем набирается на вытяжной шкив и укладывается на барабан, установленный в приемном устройстве.
Грозозащитный трос со встроенным волоконно-оптическим кабелем связи имеет повышенную стойкость к удару молнии, без снижения натяжения троса и обрыва проволок при разряде, при одновременном сохранении работоспособности оптического кабеля в течение длительного срока эксплуатации в составе воздушных линий электропередачи и соблюдении всех технических требований, влияющих на надежность воздушных линий электропередачи.