Światłowód. Jakie światłowód pełni funkcje. Jakie są rodzaje przewodów z włóknami światłowodowymi

2019-07-04 12:03 mgr inż. Krzysztof Ściobłowski
Światłowód
Autor: Thinkstockphotos Światłowód - przekrój

Działanie światłowodu polega na przesyłaniu przez rdzeń impulsów świetlnych generowanych przez nadajnik światła, umieszczony na jednym końcu włókna światłowodowego. Światłowód to struktura składająca się z przeźroczystego, centralnie położonego rdzenia, wykonanego ze szkła kwarcowego, otoczona płaszczem oraz specjalną powłoką ochronną.

W artykule:

Światłowód - budowa

Zastosowanie odpowiednich materiałów stanowiących rdzeń i płaszcz światłowodu, mających różne współczynniki załamania światła, powoduje, że promień świetlny przemieszcza się wyłącznie w rdzeniu. Materiał rdzenia ma większy współczynnik załamania światła i dzięki temu następuje całkowite wewnętrzne odbicie światła od płaszcza do rdzenia. Powłoka ochronna wykonana jest z materiałów termoplastycznych w celu zabezpieczenia płaszcza. Według jednego z podstawowych podziałów światłowodów wyróżniamy włókna jedno i wielomodowe. W liniach elektroenergetycznych stosowane są wyłącznie włókna jednomodowe ze względu na znacznie mniejsze tłumienie, co ma istotne znaczenie przy długich liniach.

Światłowód
Autor: K. Ściobłowski Budowa włókna światłowodowego: 1. Powłoka ochronna, średnica 250 μm; 2. płaszcz, średnica μm; 3. rdzeń, średnica 10 μm

Światłowód - zadania

Podstawowym celem stosowania światłowodów w energetyce jest zapewnienie łączności pomiędzy stacjami elektroenergetycznymi. Jest to spowodowane wykorzystywaniem nowoczesnej automatyki chroniącej linie elektroenergetyczne przed skutkami zwarć. Automatyka zabezpieczeniowa znajduje się na każdej stacji elektroenergetycznej, a w celu zapewnienia jej prawidłowej pracy wymagane jest zastosowanie szybkiego połączenia pomiędzy stacjami. Napowietrzne linie elektroenergetyczne wysokich (110 kV) i najwyższych napięć (220 i 400 kV) osiągają znaczne długości. W Polsce najdłuższa linia 400 kV ma ok. 260 km, natomiast na świecie istnieją kilkukrotnie dłuższe. Zastosowanie w liniach elektroenergetycznych większej liczby włókien światłowodowych niż wynika to z wewnętrznych potrzeb energetyki daje możliwość dzierżawienia włókien innym operatorom. Pozwala to na stworzenie sieci światłowodowej o globalnym zasięgu, przeznaczonej do użytku komercyjnego (internet, telekomunikacja, multimedia itp.).

Przewód OPGW z tubami ze stali nierdzewnej
Autor: K. Ściobłowski Przewód OPGW z tubami ze stali nierdzewnej: 1. włókna światłowodowe; 2. tuba ze stali nierdzewnej wypełniona żelem; 3. druty stalowe aluminiowane; 4. druty ze stopów aluminiowych

Zalety światłowodu

Intensywny wzrost stosowania światłowodów na świecie trwa już ponad 40 lat. Wynika to z wielu zalet wyróżniających światłowody. Do ważniejszych należy zaliczyć: bardzo dużą przepustowość pojedynczego włókna, małą tłumienność sygnału, nawet przy bardzo dużych odległościach, niewielkie wymiary i małą masę własną, całkowitą odporność na zakłócenia radioelektryczne oraz działanie pola elektromagnetycznego. Ze względu na nacisk, jaki się obecnie kładzie na kwestie związane z ochroną środowiska, istotną cechą światłowodów jest brak jakiegokolwiek ich wpływu na otoczenie, co ma istotne znaczenie przy projektowaniu linii światłowodowych. Łącza te są w dużej mierze niezawodne, proste w obsłudze, zapewniają bezpieczeństwo pracy oraz znaczną wydajność, dzięki czemu cieszą się coraz większą popularnością.

Rodzaje przewodów z włóknami światłowodowymi w liniach elektroenergetycznych

Włókna światłowodowe prowadzone są w formie wiązek zawierających od kilkunastu do kilkuset włókien w jednej wiązce. Przewody z włóknami światłowodowymi mogą pełnić w liniach elektroenergetycznych funkcję: przewodów fazowych (będących pod napięciem) lub odgromowych (przewody o potencjale ziemi) oraz samonośnych kabli dielektrycznych (dodatkowy przewód w linii zawierający wyłącznie włókna światłowodowe). Rozróżnia się kilka typów przewodów skojarzonych z włóknami światłowodowymi, tzn. mających w sobie włókna światłowodowe, tj.:
OPGW (ang. Optical Ground Wire) – przewody odgromowe powszechnie stosowane w napowietrznych liniach elektroenergetycznych o napięciu od 110 kV.

Pod względem budowy rozróżnia się ich 2 rodzaje przewodów:

  • przewody składające się z jednej centralnej tuby (aluminiowej lub ze stali nierdzewnej aluminiowanej) zawierającej włókna światłowodowe oraz zewnętrznych warstw (warstwy) wykonanych z drutów ze stopu aluminium lub stalowych aluminiowanych,
  • przewody z tubą (tubami) ze stali nierdzewnej składają się z kilku drutów stalowych aluminiowanych (stanowiących rdzeń przewodu) oraz zewnętrznej warstwy wykonanej z drutów ze stopu aluminium lub stalowych aluminiowanych. Włókna światłowodowe umieszczone są w specjalnej tubie ze stali nierdzewnej, stanowiącej rdzeń przewodu.

Ze względu na narażenia przewodu OPGW na bezpośrednie wyładowanie piorunowe, niedopuszczalne jest umieszczenie tuby z włóknami światłowodowymi w zewnętrznej warstwie drutów oplotu przewodu. Włókna znajdują się w tubie wypełnionej specjalnym żelem, który chroni je przed działaniem wilgoci oraz minimalizuje naprężenia mechaniczne. W przypadku wystąpienia zwarcia jednofazowego w linii elektroenergetycznej lub na skutek wyładowania atmosferycznego przewody OPGW narażone są na działanie prądu zwarciowego o znacznej wartości. Powoduje to nagrzanie się przewodu do wysokiej temperatury w bardzo krótkim czasie. W związku z tym, w celu ochrony włókien światłowodowych przed skutkami działania wysokiej temperatury, na etapie projektowania linii istotną sprawą jest prawidłowy dobór typu przewodu OPGW do indywidualnych warunków zwarciowych. Warunkują go między innymi moce zwarciowe w stacjach elektroenergetycznych oraz czas trwania zwarcia. Przewody OPGW są powszechnie używane w liniach elektroenergetycznych wysokich napięć.

Do najważniejszych zalet tych przewodów należy zaliczyć:

  • możliwość zastosowania w istniejących liniach (w miejsce tradycyjnych stalowo-aluminiowych przewodów odgromowych typu AFL), w większości przypadków bez konieczności wzmacniania konstrukcji słupów,
  • łatwy montaż, przy wykorzystaniu istniejącego przewodu jako linki wstępnej,
  • niezawodność i trwałość.
Przewód OPGW z centralną aluminiową tubą
Autor: K. Ściobłowski Przewód OPGW z centralną aluminiową tubą: 1. włókna światłowodowe; 2. moduł światłowodowy; 3. rurka aluminiowa; 4. druty ze stopów aluminiowych; 5. druty stalowe aluminiowane

ADSS (ang. All Dielectric Self Supporting) – kable (przewody) z włóknami światłowodowymi pozbawione elementów metalowych. Zbudowane są z centralnie umieszczonego rdzenia FRP w postaci pręta, otoczonego kilkoma tubami zawierającymi włókna światłowodowe.
Pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną powłoką kabla znajdują się bardzo wytrzymałe włókna aramidowe, które nadają przewodom ADSS odpowiednią wytrzymałość mechaniczną. Przewody ADSS charakteryzuje niewielki przyrost zwisu wraz ze wzrostem temperatury otoczenia oraz duży w przypadku osadzenia się na nim sadzi (lodu). Z tego względu na etapie projektowania linii ważną sprawą jest właściwe miejsce montażu przewodów na słupach, tak aby przy wystąpieniu sadzi zachować odpowiednią odległość od ziemi i obiektów krzyżowanych. Przy wyborze punktu zamocowania przewodów ADSS na słupie należy również wziąć pod uwagę rozkład natężenia pola elektrycznego od przewodów fazowych, gdyż powłoka zewnętrzna narażona jest na mikrowyładowania elektryczne w przypadku opadów deszczu lub dużej wilgotności powietrza. Umieszczenie przewodów w strefie o zbyt dużym natężeniu pola elektrycznego powoduje szybką degradację ich powłoki.

Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie przewodów z półprzewodząca powłoką zewnętrzną oraz odpowiednio ukształtowanych drutów w uchwytach oplotowych. Ze względu na duże natężenie pola elektromagnetycznego przewody ADSS z reguły są stosowane w liniach o napięciu nie większym niż 110 kV. W przypadku wyższych napięć wykorzystuje się specjalne przewody wykonane z odpowiednich materiałów odpornych na działanie pola elektrycznego. Przy projektowaniu zawieszenia przewodów ADSS na istniejących liniach elektroenergetycznych należy uwzględnić dodatkowy naciąg działający na konstrukcje wsporcze i zrealizować odpowiednie ich wzmocnienia, co w konsekwencji powoduje wzrost kosztów inwestycji.

Tab. Zastosowanie światłowodów w liniach elektroenergetycznych

Typ przewodu Napięcie znamionowe linii
nn i SN 110 kV 220 kV 400 kV
OPGW - + + +
ADSS + +* -
MASS - + +
Sky Wrap +**
ADL -
OPPC + -

* rozwiązanie specjalne kabla; ** zawieszenie na przewodzie fazowym

MASS (ang. Metallic Aerial Self Supporting) – samonośne przewody wykonane z drutów stalowych aluminiowanych skojarzone z włóknami światłowodowymi. Zbudowane są bardzo podobnie jak przewody OPGW, lecz nie spełniają roli przewodów odgromowych ani funkcji elektrycznej w linii. Z tego względu przewody typu MASS zazwyczaj zawiesza się nieco niżej niż przewody fazowe linii.
Rozwiązanie to stanowi alternatywę dla typowych sposobów mocowania przewodów z włóknami światłowodowymi w liniach wysokich napięć i zazwyczaj stosowane jest w sytuacji, kiedy potrzeba zwiększyć liczbę włókien światłowodowych w linii, a wymiana istniejących przewodów OPGW, OPPC lub ADSS jest niemożliwa lub ekonomicznie nieuzasadniona. Duża wytrzymałość mechaniczna oraz niewielka masa i średnica sprawiają, że przewody te w nieznacznym stopniu zwiększają obciążenie konstrukcji słupów.

Sky Wrap – światłowodowy kabel dielektryczny owijany wokół tradycyjnego przewodu odgromowego lub fazowego linii elektroenergetycznej. Wykorzystuje się go od 1982 r. w sytuacjach, gdy istniejący
tradycyjny przewód światłowodowy jest w dobrym stanie, a jego wymiana na przewód OPGW nie jest ekonomicznie uzasadniona lub w przypadku konieczności zwiększenia ilości włókien w zainstalowanym przewodzie OPGW. Montaż przewodu Sky Wrap odbywa się za pomocą specjalnych robotów z własnym napędem, poruszających się po przewodzie i sterowanych zdalnie z poziomu ziemi. Zaletą stosowania tych przewodów jest: niewielkie dodatkowe obciążenie słupów linii (znacznie mniejsze niż np. przy przewodach ADSS), mała podatność na drgania (dzięki spiralnemu nawijaniu z kontrolowanym naciągiem), możliwość zainstalowania również na istniejących przewodach OPGW, prosty i szybki montaż, niski koszt całego systemu w porównaniu do pozostałych rozwiązań. Kable typu Sky Wrap mogą być również stosowane w liniach 15 kV, wówczas ich montaż odbywa się z użyciem małego robota, przesuwanego z poziomu ziemi przez montera. Technologia Sky Wrap nie znalazła szerszego zastosowania w Polsce.

ADL (ang. All Dielectric Lashed Cable) – dielektryczne kable światłowodowe mocowane do przewodu odgromowego za pomocą sznurka lub taśmy kewlarowej. Od Sky Wrap różnią się sposobem mocowania do przewodu nośnego – kabel przytwierdzany jest od dołu przewodu. Montaż odbywa się przy zastosowaniu specjalnego samojezdnego robota sterowanego z poziomu gruntu. Technologia ADL, podobnie jak Sky Wrap, nie znalazła szerszego zastosowania w Polsce.

Zastosowanie światłowodów w liniach elektroenergetycznych

W liniach elektroenergetycznych istnieje możliwość wykorzystania różnych typów przewodów skojarzonych z włóknami światłowodowymi. Na wybór zastosowania danego typu przewodu ma wpływ wiele czynników. Do najważniejszych należą: napięcie linii, występowanie przewodu odgromowego, typ, stan oraz maksymalna odległość pomiędzy konstrukcjami wsporczymi linii, lokalizacja linii w danejstrefie klimatycznej (sadziowej). Każdy typ przewodu ma określony sposób zawieszenia na konstrukcjach wsporczych linii. Ich schemat pokazano na rysunku.

Miejsce zawieszenia różnych typów przewodów skojarzonych z włóknami światłowodowymi
Autor: K. Ściobłowski Miejsce zawieszenia różnych typów przewodów skojarzonych z włóknami światłowodowymi: 1. Tradycyjny przewód fazowy; 2. Tradycyjny przewód odgromowy z przewodem Sky Wrap; 3. OPGW; 4. ADSS; 5. OPPC; 6. MASS

Światłowód - osprzęt do przewodów

W celu zawieszenia różnych typów przewodów z włóknami światłowodowymi w liniach elektroenergetycznych wymagane jest zastosowanie odpowiedniego osprzętu dla danego typu przewodu. Najczęściej do zawieszenia przewodów używa się uchwytów oplotowych (odciągowych i przelotowych) wykonanych z drutów stalowych oraz dodatkowych elementów osprzętu, umożliwiających zamocowanie ich na konstrukcjach wsporczych. Przewody z włóknami światłowodowymi praktycznie zawsze wymagają zastosowania czynnej ochrony przewciwdrganiowej, która eliminuje zagrożenie zmęczeniowe przewodów spowodowane przez tzw. drgania oelskie wywołane przez wiatr. W tym celu najczęściej wykorzystuje się tłumiki drgań typu Stockbridge, a dla przewodów ADSS specjalne tłumiki spiralne. Połączenie włókien światłowodowych wykonuje się poprzez ich spawanie. Następnie umieszcza się je w specjalnych szczelnych skrzynkach połączeniowych (mufy), mocowanych na konstrukcjach wsporczych linii. Przed każdą mufą stosuje się odpowiedniej długości zapasy przewodów, zmagazynowanych na tzw. stelażach zapasu i mocowanych do słupów, które umożliwiają spawanie światłowodów na poziomie gruntu oraz stanowią dodatkową rezerwę.

Specjalne zastosowanie włókien światłowodowych

Monitoring temperatury w liniach kablowych
Jednym z ciekawych zastosowań włókien światłowodowych jest system DTS (ang. Distributed Temperature Sensing) używany w celu monitorowania temperatury linii kablowych najwyższych napięć. Metoda ta polega na wykorzystaniu zmiany tłumienności specjalnych włókien światłowodowych, w zależności od ich temperatury. W żyle powrotnej kabli elektroenergetycznych umieszcza się takie włókna światłowodowe, które podłączone są do specjalnej aparatury umożliwiającej monitorowanie on-line temperatury żyły kabla oraz naruszenie struktury w jego otoczeniu, np. podczas wykonywania prac w pobliżu linii kablowej (wykorzystuje się tutaj zjawisko zmiany tłumienia światłowodów w zależności od odkształcenia włókna). System ten może być stosowany przez operatorów sieci w sytuacjach awaryjnych, kiedy zachodzi czasowa konieczność obciążenia linii przesyłowej większym prądem niż wynika to z długotrwałej obciążalności kabli. Ponadto umożliwia dokładną lokalizację miejsca potencjalnego uszkodzenia kabla, np. wskutek pojawienia się tzw. wyładowań niezupełnych w izolacji. Informacja ta pozwala operatorowi sieci na wcześniejsze zaplanowanie wyłączenia linii i dokonanie stosownych napraw. Dokładna lokalizacja uszkodzenia kabla skraca czas wykonywania prac ziemnych, co wpływa na zmniejszenie kosztów reperacji oraz skrócenie przerw w przesyle energii.

Światłowód - monitoring temperatury przewodów fazowych w liniach napowietrznych
Podobne rozwiązanie można zastosować w przewodach napowietrznych linii elektroenergetycznych. Specjalne włókno światłowodowe umieszczone w przewodzie typu OPPC umożliwia określenie rzeczywistej temperatury przewodów fazowych w danych warunkach pogodowych. Monitoring npozwala dyspozytorowi na dynamiczne obciążenie linii, a w szerszej perspektywie na tzw. inteligentne zarządzanie siecią „smart grids”.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”
Zobacz e-wydanie

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej