ОПТИЧЕСКИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОД ЗЕМЛЕЙ
OPTIC GROUNDING CABLE FOR UNDERGROUND USAGE

Предпосылки создания изобретения
Область применения
Настоящее изобретение в общем случае относится к кабелям, имеющим двойную функцию - заземляющих проводников и оптических телекоммуникационных кабелей. Более конкретно, изобретение относится к заземляющим кабелям, содержащим оптические волокна для телекоммуникационных целей, которые прокладываются под землей.
Описание современного уровня техники
Некоторые электрические установки, например башни систем ветрогенераторов для выработки электроэнергии, могут использовать различные кабели для подсоединения таких установок к электрической сети, а также для проведения связанного с ними технического обслуживания. В частности, электрические кабели, обычно кабели среднего напряжения, позволяют производить передачу энергии - выработанной энергии, если речь идет о башнях систем ветрогенераторов, - заземляющие кабели подсоединяются к проложенной по земле системе или сети, к которой такие аппараты принадлежат, и обеспечиваются заземлением; оптические же кабели также используются для обеспечения связи или телекоммуникационных функций, а также для управления работой аппаратуры и для выполнения других функций. Обычно три типа кабелей, описанных выше, по меньшей мере частично уложены под землю, как правило, в одной траншее.
В принципе, заземляющие кабели могут иметь очень простую конструкцию, обычно содержащую, но также и просто состоящую из металлического проводника, как правило, в виде крученых проводов. Металлический проводник предпочтительно является медным проводником. Примером такого заземляющего кабеля известного уровня техники является кабель в соответствии с фиг.4.
Оптические кабели имеют конструкцию, определенную их расположением и необходимостью обеспечения подходящей защиты содержащимся внутри оптическим волокном. Чувствительность оптического волокна к механическим напряжениям и окружающие условия, такие как присутствие воды и/или химических агентов, которые могли бы проникнуть в кабель, а также нападения животных, таких как грызуны - вот примеры обстоятельств, которые должны быть приняты во внимание при разработке таких кабелей.
Способ прокладки кабеля включает в себя укладку кабеля в песочном ложе, после чего песочное ложе покрывается слоем земли на основе мелкозернистого материала, например, выбранного из материала, извлеченного из траншеи, покрытого, в свою очередь, обычным грунтом (как правило, остатками извлеченного из траншеи материала). Этот процесс, в том случае, когда в одну траншею следует уложить множество кабелей различного типа, является утомительным и трудоемким.
Известны используемые для прокладки по воздуху кабели, содержащие заземляющий проводник и оптические волокна. Такие кабели, обычно называемые кабелями OPGW ("оптический кабель с заземленным проводом"), обычно содержат алюминиевые и/или стальные нержавеющие трубки, вмещяющие оптические волокна в комбинации с проводами из алюминия или из усиленного алюминия, например, из алюминизированной плакированной стали и/или из алюминиевого сплава для обеспечения возможности короткого замыкания, и тем самым обеспечивают кабель механической прочностью, как это требуется для прокладки по воздуху. Пример кабеля OPGW описан в публикации ЕР 1210633. Такие кабели не пригодны для использования под землей по многим причинам, включая тот факт, что присутствие алюминиевых труб, заключающих в себе оптические волокна, привело бы к коррозии и к возможному образованию водорода, который со временем скапливался бы внутри труб, приводя впоследствии к ухудшению характеристик оптических волокон.
Использование воздушных заземленных кабелей во многих случаях является невозможным или неудобным, например, в присутствии башен систем ветрогенераторов, поскольку возможные воздушные линии могли бы нарушить расположение этих башен систем ветрогенераторов. Кроме того, в отсутствии воздушных линий передачи энергии, с которыми они могли бы быть привязаны, им нужны были бы свои независимые столбы, что увеличило бы стоимость и сложность системы.
Заявитель пришел к выводу, что более простая установка могла бы быть обеспечена комбинированием подземного кабеля с кабелем связи, содержащим оптические волокна. В частности, было обнаружено, что при вводе оптического элемента, содержащего оптические волокна, в компоновку электрических проводов, пригодных для обеспечения соединения с заземлением, эти электрические провода могут выполнять для оптического элемента функцию армирования, тем самым обеспечивая подходящую защиту от почвы, в которой этот кабель проложен.
Такой наземный проводник, пригодный для укладки под землю, должен иметь конструкцию, удовлетворяющую различным требованиям. Достаточная механическая прочность для защиты заключенных в этом кабеле оптических волокон является обязательной. В то же время оптические волокна должны быть легко извлекаемы из кабеля в любой точке его длины, а не только по его концам - для выполнения предусмотренных и непредусмотренных подсоединений к зданиям. Далее должна быть обеспечена соответствующая защита для оптических волокон от повышений температуры, обусловленных током, протекающим по электрическим проводам.
Сильная механическая прочность могла бы также позволить легкую укладку кабеля под землей.
Имея в виду окружающие условия, кабель должен быть способным противостоять воздействию воды или химических агентов и/или животных, таких как грызуны.
Что касается электрического соединения заземляющего кабеля с системой заземления, оно может быть выполнено с использованием зажимов, но обычно предпочтительно использование сварки, поскольку в долгосрочном периоде это более выгодно экономически. Во время сварки выделяется существенное количество тепла, возможно, вредного для оптических волокон, которые обычно испытываются при температуре не выше чем 60°С. Желательна тепловая защита заключенных в кабеле оптических волокон.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявитель обнаружил, что кабель связи, содержащий оптические волокна, а также заземляющий кабель, содержащий проводники заземления, могут быть объединены в один кабель, пригодный для подземной прокладки, созданием конструкции, в которой оптические волокна окружены полимерным слоем, имеющим предопределенную тепловую проводимость (далее здесь называемым теплопроводным полимерным слоем). Медные проводники расположены во внешнем радиальном положении относительно вышеупомянутого теплопроводного полимерного слоя и окружают его.
Теплопроводный полимерный слой обеспечивает оптическим волокнам механическую защиту и защищает их от тепла, создаваемого, например, процедурой сварки для выполнения электрического соединения или коротким замыканием; в виду полимерной природы материала теплопроводного полимерного слоя он также позволяет водороду, возможно, образующемуся в окружении оптических волокон, "вытекать" посредством диффузии сквозь него, так что накапливания водорода не происходит; кроме того, теплопроводный полимерный слой обеспечивает легкий доступ к оптическим волокнам для их извлечения в любой точке кабеля.
Тепловая проводимость медных проводников гораздо выше, чем тепловая проводимость, например, алюминия. Использование медных проводников в присутствии теплопроводного полимерного слоя делает работу кабеля безопасной для оптических волокон даже в случае повышенной температуры кабеля, например, в случае проведения сварки.
Помимо "электрической" функции в качестве проводников заземления, медные проводники обеспечивают кабелю искомую механическую прочность, а также защиту для содержащихся в нем оптических волокон.
Соответственно, настоящее изобретение относится к оптическим заземляющим кабелям, адаптированным для укладки под землей, содержащим по меньшей мере одно оптическое волокно, теплопроводный полимерный слой, окружающий по меньшей мере одно оптическое волокно, и медные проводники, расположенные во внешнем радиальном положении относительно теплопроводного полимерного слоя.
Для целей настоящего описания и приложенных пунктов формулы изобретения, если не указано иное, все числа, выражающее величины, количества, процентности и т.д., следует понимать как заменяемые во всех примерах термином "около". Таким же образом все диапазоны, включающие любые комбинации указанных максимальных и минимальных точек, включают в себя и любые входящие в них промежуточные диапазоны, которые здесь в описании могут быть, а могут и не быть специально перечислены.
По меньшей мере одно оптическое волокно в соответствии с настоящим изобретением содержит оптически пропускающую сердцевину, обычно выполненную из стекла, окруженную одним или большим количеством защитных слоев.
Оптическое волокно может соответствующим образом свободно содержаться в буферной трубке, выполненной из полимерного материала.
Предпочтительно, теплопроводный полимерный слой кабеля по настоящему изобретению имеет тепловую проводимость (то есть свойство материала, которое указывает его способность проводить тепло), по меньшей мере 0,3 Вт/м·К, предпочтительно, по меньшей мере 0,4 Вт/м·К. Тепловая проводимость слоя теплопроводного полимерного материала по настоящему изобретению может доходить до 0,9 Вт/м·К.
Предпочтительно, теплопроводный полимерный слой материала кабеля по настоящему изобретению содержит невоспламеняемый материал.
В соответствии с настоящим описанием и пунктами формулы изобретения под "невоспламеняемым" имеется в виду материал, обладающий способностью задерживать распространение огня в соответствии с нормативом IEC 60332-1-2 (2004).
Предпочтительно, теплопроводный полимерный слой содержит безгалогенный материал.
Теплопроводный полимерный слой, предпочтительно, может быть выполнен из полимерного материала, основанного на полимерах или сополимерах этилена или пропилена, или их смеси с добавкой невоспламеняемого материала, например, гидроокиси магния. Примеры материалов, пригодных для использования в качестве теплопроводных полимерных материалов в соответствии с настоящим изобретением, описаны в публикации ЕР-А-0998747 или в публикации ЕР-А-1116244.
Предпочтительно, теплопроводный полимерный слой содержит негорючий материал. В соответствии с настоящим описанием и пунктами формулы изобретения под "негорючим" имеется в виду материал, обладающий способностью противостоять огню в соответствии с нормативом IEC 60332-3-24 (2000).
Другими иллюстративными материалами теплопроводного полимерного слоя по настоящему изобретению являются полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полиэтилен средней плотности (ПЭСП) и полиэтилен низкой плотности (ПЭНП).
Полимерный материал буферной трубки может быть по существу тем же самым, что и теплопроводный полимерный слой.
В предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения слой водоизолирующего тканого материала, например, арамидная пряжа или стекловолокно и разбухающий от воды порошок расположены во внутреннем радиальном положении относительно теплопроводного полимерного слоя. Например, упомянутый водоизолирующий слой окружает буферную трубку, свободно содержащую по меньшей мере одно оптическое волокно. Водоизолирующий тканый материал участвует в защите оптических волокон от тепла и, кроме того, предотвращает дальнейшее распространение воды в продольном направлении. Если тканый слой основан на стеклянных волокнах, достигается защита кабеля от грызунов.
Медные проводники образуют проводник заземления и вносят вклад - с помощью теплопроводного полимерного слоя в обеспечении необходимой механической прочности кабеля. Кроме того, медные проводники защищают кабель от атак животных, таких как грызуны.
Медные проводники уложены вокруг теплопроводного полимерного слоя в по существу продольной конфигурации относительно оси кабеля. Предпочтительно, проводники находятся в прямом контакте с теплопроводным полимерным слоем.
Механическая защита оптических волокон, обеспеченная связанными медными проводниками и теплопроводным полимерным слоем, такова, что позволяет выполнять более быструю и менее сложную процедуру прокладки кабеля по настоящему изобретению. В частности, использование песчаного ложа больше не является необходимым, и кабель может быть просто уложен в слой грунта, основанного на материале с частицами небольшого размера, которым может быть, например, материал, выбранный из материала, извлеченного из траншеи.
Медь является термодинамически стабильной, то есть она в присутствии воды по существу не вступает в реакции. С другой стороны, теплопроводность меди гораздо выше, чем алюминия (401 Вт/м·К против 237 Вт/м·К), и это может стать причиной повышения температуры, вредной для оптических волокон, особенно в случае короткого замыкания и процедуры сварки, особенно сварки типа Кадвела (Cadwell), которая будет описана далее. В кабеле в соответствии с настоящим изобретением факторы с повышенной температурой не создают проблем, благодаря присутствию теплопроводящего полимерного слоя, который создает условия, при которых оптические волокна очень хорошо защищены и находятся в безопасном состоянии даже в случае максимального повышения температуры.
В случае локальных максимальных повышений температуры, например, в случае сварки или короткого замыкания, если выделенное тепло удерживается ограниченным внутри относительно небольшого объема, может быть достигнута недопустимо высокая температура, которая будет в радиальном направлении передаваться волокнам внутри кабеля, вызывая его повреждение. Однако присутствие теплопроводного полимерного слоя дает возможность локально выделенному теплу передаваться вдоль по длине кабеля, тем самым распределяя тепло таким образом, чтобы достигаемый температурный максимум оставался ниже приемлемой величины для заключенных внутри кабеля волокон.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут легко понятны при рассмотрении нижеследующего подробного описания, в котором иллюстративные варианты исполнения настоящего изобретения представлены совместно с приложенными чертежами, в которых:
Фиг.1А и 1В показывают, соответственно, вид в перспективе и поперечное сечение кабеля в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения.
Фиг.2 схематично показывает пример системы, в которой может быть использован кабель по фиг.1А и 1В.
Фиг.3 схематично показывает в поперечном сечении детали подземной прокладки конфигурации кабелей по фиг.2.
Фиг.4 показывает вид в поперечном сечении заземляющего кабеля существующего уровня техники.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.4 показан заземляющий кабель известного уровня техники, где кабель 400 содержит проводники 401 в крученой конфигурации. Этот кабель называется также "голым проводником" в виду отсутствия какой-либо оплетки.
Обратимся к иллюстрациям, в частности, к фиг.1А и 1В, там кабель в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения, в целом обозначенный поз. 100, содержит, по меньшей мере, одно оптическое волокно 105, предпочтительно, множество оптических волокон, например, ряд волокон от 8 до 24 (однако кабель может содержать иные количества оптических волокон). Оптические волокна 105 могут быть одномодовыми или многомодовыми оптическими волокнами. Оптические волокна 105 свободно размещены внутри буферной трубки 110. Например, в буферной трубке, имеющей внутренний диаметр 3,10 мм и внешний диаметр 4,40 мм, содержатся 8 оптических волокон.
В кабеле 100 может быть более одной буферной трубки, каждая содержащая предопределенное количество оптических волокон 105. В том случае, когда предполагается установка более одной буферной трубки, они, предпочтительно, закручены либо в непрерывную, либо в попеременную спиральную (S-Z) конфигурацию.
Вокруг буферной трубки (трубок) 110 присутствует слой 115 водоизолирующего тканого материала, образующего водоизолирующий слой. Водоизолирующий тканый материал, используемый для слоя 115, может быть арамидной пряжей или стекловолокном, предпочтительно, покрытым разбухающим от воды порошком.
Слой 120 образован из теплопроводного полимерного материала, нанесенного вокруг слоя 115. Иллюстративный полимерный материал является огнезащитным безгалогенным материалом с тепловой проводимостью, например, 0,6 Вт/м·К. Материал, подходящий для этих целей, используется в кабелях, продаваемых компанией Prismian S.p.A. под торговой маркой Aumex™, и он содержит, например, смесь полипропилена и линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE), содержащий гидроокись магния. Другой пример материала, пригодного для слоя 120 теплопроводного полимерного материала по настоящему изобретению, основан на полимере этиленвинилацетат (EVA), содержащем гидроокись алюминия.
Теплопроводный полимерный слой 120 может иметь толщину от 0,5 мм до 3 мм. С механической точки зрения предпочтительна толщина по меньшей мере 1 мм. Электропроводящие медные проводники расположены во внешнем радиальном положении относительно теплопроводного полимерного слоя 120 в прямом контакте с ним.
Теплопроводный полимерный слой 120 участвует в механической защите оптических волокон 150, особенно он защищает их от тепла. Тепло может, например, выделяться во время процедуры сварки для выполнения электрического соединения кабеля, например, с системой заземления, как описано далее, или, когда кабель работает, в случае короткого замыкания.
Теплопроводный полимерный слой 120 дает возможность водороду, который может образовываться в окружении оптических волокон, посредством диффузии "вытекать", так что водород не накапливается во времени, так чтобы он достиг концентрации, которая могла бы вызвать ослабление сигнала в оптических волокнах.
Слой 115 водоизолирующего тканого материала участвует также в защите оптических волокон от тепла, радиально распространяющегося в кабеле, и предотвращает дальнейшее распространение воды в продольном направлении. Использование стеклянных волокон в слое 115 водоизолирующего материала имеет дополнительное преимущество, заключающееся в образовании защиты кабеля против грызунов.
Медные проводники 130 образуют проводник заземления кабеля по настоящему изобретению и вместе с теплопроводным полимерным слоем 120 участвуют в обеспечении механической прочности, тем самым обеспечивая должную защиту оптических волокон. Кроме того, медные проводники 130 помогают защищать кабель от атак животных, таких как грызуны. Например, кабель, выполненный в соответствии с этим изобретением и имеющий сопротивление ≤0,387 Ом/км, имеет шестнадцать медных проводников с диаметром 2,27 мм каждый.
Механическая защита, обеспечиваемая связанными медными проводниками и теплопроводным полимерным слоем, такова, что позволяет, как будет показано далее, выполнять процедуру прокладки кабеля по настоящему изобретению быстро и просто.
На фиг.2 условно показан пример использования кабеля по фиг.1А и 1В. В башне 200 ветрогенератора кабель 210 среднего напряжения (MV), предназначенный для передачи электрической энергии, отходит от системы 201 генератора/трансформатора, достигает ячейки 205 для подключения к энергосистеме, к которой подключается кабель 210, как и, как правило, другие MV кабели, идущие от других башен ветрогенераторов, и отключения от нее. Ячейка 205 обычно расположена вблизи основания башни 200 ветрогенератора. MV-кабель 210 связан с системой заземления (соединение не показано).
Кабель 215 в соответствии с настоящим изобретением проложен под землей в траншее, обычно, в той же траншее, что и MV-кабель 210. Для доступа, при необходимости, к оптическим волокнам кабель 215 извлекается из траншеи и укладывается над уровнем земли в соответствии с соединительной коробкой 220 волокон, расположенной, например, в башне 200 ветрогенератора, а также для подсоединения медных проводников к системе 225 заземления башни 200 ветрогенератора, которая, в свою очередь, связана с землей.
Соединение кабеля 215 с системой 225 заземления может быть выполнено в точках 230, например, посредством сварочной процедуры Кадвела. Сварочная процедура Кадвела содержит этапы зачистки свариваемых металлических участков и помещение зачищенных участков в форму с двумя клапанами. Такая форма в закрытом состоянии по одной из поверхностей формы образует место для бункера. Бункер "заряжается" сварочным порошком, а также порошком зажигания, причем последний насыпается также и по краям формы, после чего бункер плотно закрывается крышкой, и в контакт с порошком зажигания вводится пистолет для поджига.
На иллюстративном примере для обеспечения надежности соединения заземления между системой заземления каждой башни ветрогенераторов и системой заземления электрической сети (не показана) имеется две точки 230. MV-кабель 210 может быть подсоединен к системе 225 заземления, по меньшей мере, в одной точке 230 или в разных точках.
Телекоммуникационное соединение, используемое, например, для управления работой башни ветрогенератора, может быть выполнено разрезанием медных проводников кабеля 215, извлечением оптических волокон и соединением их накруткой в соединительной коробке 220. Обрезка медных проводников может быть выполнена в любой точке кабеля 215 ниже по ходу, чем соединение заземления в точках 230.
Фиг.3 схематично показывает преимущественную схему укладки для кабеля 215 в соответствии с настоящим изобретением. В земле для прокладки кабеля 215 вырывается траншея 305. На дно траншеи 305 укладывается слой 310 земли с частицами относительно небольшого размера, например, выбранных из материала, извлеченного из траншеи, и туда укладывается кабель 215 вместе с распределительным MV-кабелем 210; после этого тот же самый мелкозернистый материал используется для покрытия кабеля 215 и распределительного MV-кабеля 210: таким образом, эти два кабеля оказываются зарытыми внутри мелкозернистого материала земли. Затем траншея 301 заполняется другим материалом 315, например, остатками извлеченного из траншеи материала. Никакого песчаного ложа не требуется.
При производстве кабеля по настоящему изобретению медные провода 130 сматываются с соответствующих катушек и обматываются вокруг полимерного слоя 120 с предопределенным шагом кручения, например, 185 мм под углом 11,5°.
Тяговое усилие, приложенное к медным проводам 130 во время их обмотки вокруг теплопроводного полимерного слоя 120, должно быть отрегулировано во избежание возможных повреждений оптических волокон и с учетом обеспечения достаточной избыточной длины оптических волокон, с тем чтобы гарантировать "хорошее поведение" кабеля в различных климатических условиях.
Медные провода 130, образуют, предпочтительно, по существу непрерывное покрытие без отверстий и без непокрытых участков нижележащего теплопроводного полимерного слоя 120. Должен быть обеспечен хороший взаимный контакт между смежными медными проводами 130, как для гарантии хороших характеристик кабеля как проводника заземления, так и для защиты внутренних слоев от тепла, возникающего в материалах, использованных во время процесса сварки для выполнения электрического подсоединения к системе заземления.