ПОЛУПРОВОДЯЩИЙ ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК G02B6/44 H01B11/22 

Данное изобретение относится к области линейных элементов, которые предполагается протягивать вдоль воздушных линий электропередач и, в частности, хотя и не обязательно, в оптических кабелях, которые на всем протяжении поддерживаются при помощи башен, мачт или других вертикальных опор, используемых также для поддержки силовых кабелей линий электропередачи.

На практике в системах такого типа принято заземлять оптический кабель или кабели на вышках, мачтах или других опорах (ниже все эти опоры для простоты называются вышками). Когда электрический силовой кабель находится под нагрузкой, то на оптическом кабеле наводятся токи, обусловленные наличием распределенной емкости между оптическим кабелем и силовой линией. Напряжение, наводимое на оптическом кабеле, достигает максимума в середине пролета между вышками, а наводимый на поверхности кабеля ток имеет максимальное значение в окрестностях вышки. В сухих условиях наводимый ток будет относительно мал вследствие относительно высокого продольного сопротивления оптического кабеля, достигающего 10¹² МОм/м, однако во влажных условиях, когда поверхностное сопротивление кабеля существенно снижается и достигает 10 МОм/м, на оптическом кабеле будут наводиться значительно более интенсивные токи. Джоулевое нагревание поверхности кабеля наведенными токами может привести к высыханию поверхности кабеля на коротком участке, обычно это происходит в окрестности вышки, где сила наводимого тока максимальная. Если это произойдет, то основная часть наведенного на кабеле напряжения будет падать на коротком участке кабеля с высоким продольным сопротивлением и может возникнуть так называемая "дуга сухого участка", которая в свою очередь может привести к серьезным повреждениям кабеля. Подобные проблемы могут возникнуть и с другими линейными элементами, натянутыми между вышками системы электропередачи, например с тросами, используемыми для установки оптического кабеля в системе электропередачи. Хотя предполагается, что такие тросы подвешиваются между вышками временно, в сырую погоду они могут впитать значительное количество влаги, в результате чего могут быть наведены опасные токи.

Преодолеть проблему "дуги сухого участки" на оптических кабелях можно, если вдоль кабеля предусмотреть дорожку с хорошей электрической проводимостью. Однако, такой оптический кабель с проводящей дорожкой имеет недостаток, связанный с соображениями безопасности, имеющий место в том случае, если кабель натянут между вышками находящейся под нагрузкой воздушной линии электропередачи, и заключающийся в опасности касания кабелем одного из проводов линии; кроме того, не всегда возможно и целесообразно прерывать подачу электроэнергии по воздушной линии электропередачи на время установки оптического кабеля.

В некоторых патентах, в заявке на Европейский патент (European Patent Application) N 214480, например, предлагается использовать кабель с полупроводниковым элементом и линейным сопротивлением от 10 до 10⁶ МОм/м. Однако, обычными методами сложно изготавливать полупроводниковые элементы с постоянным значением сопротивления, так как каждый раз значение сопротивления будет сильно зависеть от заливки заполнителя и т.д., в результате чего номинально одинаковые кабели могут иметь существенно различные сопротивления, а сопротивление кабеля может значительно меняться по его длине. Более того, нами показано, что такие величины линейного сопротивления являются нежелательно высокими, так как линейная проводимость такого кабеля может зависеть от загрязнений, т.е. кислот и солей, имеющих место на кабеле в сырых условиях.

В соответствии с представленным изобретением линейный элемент, оптический кабель, например, или трос, поддерживающий оптический кабель, включает по крайней мере одну электрически полупроводящую составную часть (компоненту), при помощи которой обеспечивается линейное сопротивление элемента в диапазоне от 0,05 до 100 МОм/м, предпочтительно менее 10 МОм/м, и которая обеспечивает отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления.

Преимуществом настоящего изобретения является то, что если некоторый участок кабеля интенсивно разогревается вследствие выделения джоулевого тепла, обусловленного какими-либо причинами; сильными наведенными токами или высоким внутренним сопротивлением, например, то любое локальное повышение температуры полупроводниковой составной части (полупроводниковых составных частей) будет приводить к понижению сопротивления этой составной части (этих составных частей) и к сокращению, таким образом, тепловыделения. С другой стороны, использование других систем, таких как фильтрационные системы (percolation systems, перколяционные системы), которые в нормальном состоянии имеют положительный температурный коэффициент (ПТК), может привести к нестабильности системы и даже к локальному тепловому пробою.

Желательно, чтобы каждая составная часть при нормальной температуре (т. е. при температуре порядка 300 K) имела отрицательный температурный коэффициент сопротивления со значением по крайней мере 1% K^-1, а лучше 1,5% K^-1, но не более 5% K^-1 и даже не более 3% K^-1. Реализация температурного коэффициента значительно выше 5% K^-1 будет приводить к чрезвычайно высокому сопротивлению составной части при нормальной температуре.

Один из вариантов составной части, практически пригодный в настоящем изобретении, состоит из углеродистых волокон и, соответственно, предпочтительная реализация изобретения включает линейный элемент, который поддерживается и может быть натянут между вышками воздушной линии электропередач, данный элемент включает одну или более составных частей, содержащих электрически полупроводящие углеродистые волокна, которые приводят к тому, что линейное сопротивление элемента лежит в пределах от 0,05 до 100 МОм/м. Использование углеродистых волокон в составной части позволяет последней управлять линейным сопротивлением элемента весьма простым способом, в результате чего может быть получен полупроводниковый элемент с воспроизводимыми (незначительно изменяющимися от копии к копии) характеристиками.

В связи с тем, что оптические кабели изготавливаются с более низкими модулем и весом, чем фазовые провода, они (оптические кабели) при сильном ветре могут отклониться в сторону более значительно, чем фазовые провода, и в результате оказаться в сильном электрическом поле. Если кабель выполнен из проводника с низким продольным сопротивлением, т.е. из металлического проводника, его потенциал вдоль всего пролета между вышками будет практически совпадать с потенциалом земли, в результате чего при сильном ветре может возникнуть коронный разряд. Более того, кабель может оказаться настолько близко от фазового провода, что между кабелем и фазовым проводом произойдет пробой, что приведет к испарению проводника, нанесенного вдоль оптического кабеля, и утечке электроэнергии. Благодаря тому, что элемент, предложенный в изобретении, имеет линейное сопротивление в диапазоне от 0,05 до 100 МОм/м, преимуществом этого элемента является то, что его потенциал достигает или приближается к потенциалу фазовых проводов в средней части пролета, в результате чего коронный разряд на поверхности элемента и пробои сокращаются, либо исключаются вовсе.

Ниже описание изобретения приводится для оптических кабелей, хотя будет ясно, что описанная реализация может быть также использована и для других линейных элементов, тросов, например.

Углеродистые волокна, использованные в полупроводниковой составной части, могут быть выполнены путем частичного пиролиза полимера, например полиакрилонитриловых или акрилонитриловых сополимеров, содержание акрилонитрила в которых достигает не менее 85 моль на процент, а сополимеров (PAN, полиакрилонитрила) - до 15 моль на процент. Такие волокна могут иметь содержание углерода от 65% до 92%, желательно менее 82%, и содержание азота от 5 до 20%, желательно от 16 до 20%. Канаты из углеродистых волокон, пригодные для использования в настоящем изобретении, изготавливаются на промышленной основе, компанией R.K. Technologies Ltd of Heaton Norris, Stockport, Cheshire, United Kingdom, например.

Углеродистые волокна могут быть включены в кабель несколькими различными способами. Обычно каждая из полупроводниковых компонент представляет собой непрерывный жгут из углеродистых волокон, при этом жгуты могут быть обернуты вокруг сердцевины кабеля под его оболочкой, или они могут быть обернуты вокруг оболочки кабеля. Если полупроводниковая компонента выполнена в виде жгута, обернутого вокруг оболочки кабеля, то жгут желательно укрыть защитным покрытием для его эксплуатационной защиты и защиты от воздействия окружающей среды. Если жгут укрыт изолирующим покрытием или размещен под оболочкой кабеля, причем использована изолирующая оболочка кабеля, то жгут будет иметь емкостную связь с водой на поверхности оболочки или покрытия. Если емкостная связь недостаточна, то могут быть предприняты меры по увеличению радиальной проводимости оболочки или покрытия без нарушения их продольного сопротивления. Эти меры могут заключаться в реализации "пятнистой" проводимости за счет неполной заливки наполнителя или использования водопоглощающих оболочек или покрытий. Каждый из жгутов должен иметь не менее 5000 волокон, желательно до 10000 волокон, но не более 40000 волокон. Конкретный размер используемого жгута будет определяться проводимостью волокон и выбирается так, чтобы жгут обладал требуемым полным сопротивлением 0,05-100 МОм/м, желательно - от 0,5 до 10 МОм/м. Углеродистые волокна могут быть непрерывными, однако это не является обязательным условием. Так, например, могут быть использованы прерывистые волокна в полимерной матрице. Кроме того, волокна могут быть использованы в качестве непереплетенных элементов, элементов, например, в виде войлочных (mat) или бумажных композиционных материалов.

Полупроводниковые компоненты могут быть включены в кабель в процессе его изготовления, как это имеет место в случае их намотки на сердцевину кабеля под оболочкой, или, если это необходимо, могут быть объединены с кабелем лишь только после того, как кабель будет подвешен между вышками, как это описано в заявке на международный патент N WO 93/23779.

Желательно, чтобы каждая полупроводниковая составная часть была растягивающейся, что позволит избежать их разрыва, а также порезов и повреждений оптического кабеля. Кроме того, требуется, чтобы электрические свойства полупроводниковой компоненты значительно не менялись при повторяющихся растяжениях на 1%.

Изобретение также обеспечивает работу совмещенных воздушных систем передачи электроэнергии и оптических передающих систем, которые включают воздушные линии электропередачи, поддерживаемые и натянутые между вышками, а также по крайней мере один оптический кабель, который свободно поддерживается и натягивается между вышками, каждый оптический кабель включает по крайней мере одну компоненту, расположенную по его длине, которая приводит к тому, что линейное сопротивление кабеля лежит в пределах 0,05-100 МОм/м и которая обеспечивает отрицательный температурный коэффициент сопротивления, компонента предпочтительно включает электропроводные углеродистые волокна.

Ниже в качестве примеров будут даны описания двух вариантов реализации оптических кабелей, предложенных в изобретении. При этом используются следующие поясняющие чертежи:
Фиг. 1. Схематический чертеж обычного полностью диэлектрического оптического кабеля и линии электропередачи, включающих распределенные емкости;
Фиг. 2. Графические диаграммы для напряжения и тока, наведенных на оптическом кабеле в сухих условиях;
Фиг. 3. Графические диаграммы для напряжения и тока, наведенных на оптическом кабеле во влажных условиях при отсутствии сухого участка;
Фиг. 4. Схематическое изображение обычного оптического кабеля с образовавшимся на нем сухим участком;
Фиг. 5. Схематический разрез одного из вариантов кабеля в соответствии с представленным изобретением;
Фиг. 6. Схематическое изображение другого варианта кабеля в соответствии с изобретением;
Фиг. 7. Графическое представление температурных зависимостей электрического сопротивления различных жгутов из углеродистых волокон, использованных в изобретении.

На поясняющих фиг. 1 и 2 иллюстрируется обычный "полностью диэлектрический самоподдерживающий" (ADSS) оптический кабель 1, который натянут на две вышки, использующиеся также для поддержки силового кабеля 2. Кабель ADSS 1 крепится к опорным вышкам при помощи металлических скоб или фитингов 4, заземленных на вышку. В этой системе распределенная емкость между оптическим кабелем 1 и силовым кабелем 2 показана при помощи сосредоточенных емкостей C₁, а распределенная емкость между оптическим кабелем 1 и землей - при помощи сосредоточенных емкостей C₂. Кроме того, кабель имеет большое, но ограниченное продольное сопротивление, обозначенное сосредоточенными резисторами R.

В сухих условиях на кабеле возникают наведенные напряжение (V_d) и ток (I_d), как это показано на фиг. 2. Наведенное напряжение максимально в середине пролета и обычно достигает значений от 3 кВ в линии с напряжением 400 кВ и равняется потенциалу земли на вышке, в то время как ток будет достигать максимума на вышке, равняясь значению примерно 100 мкА. Во влажных условиях продольное сопротивление оптического кабеля значительно ниже, в результате чего максимальное напряжение (V_w) на оптическом кабеле становится меньше, но наведенный ток (I_w) значительно возрастает, достигая обычно уровня 1-10 мА, как это показано на фиг. 3.

В этих условиях, фиг. 4, на кабеле 1 в области скоб 4 вышки может образоваться сухой участок 6, длина которого составляет обычно порядка 50 мм, что обусловлено джоулевым нагревом воды на поверхности кабеля. В результате практически все наведенное напряжение оказывается приложенным к этому участку кабеля, что может привести к появление в этом месте электрической дуги с последующим повреждением оболочки кабеля.

На фиг. 5 показан один вид оптического кабеля 1, выполненного в соответствии с изобретением и рассчитанного на свободное крепление к вышкам системы распределения электроэнергии. Кабель включает обычный силовой элемент 51, выполненный из одноосноориентированного стекловолокна (pultruded E-glass), который скрепляет несколько оптических волокон 52, используемых для передачи света с длиной волны от 0,8 до 2,1 мкм, а также внешнюю оболочку 53, изготовленную из наполненного полиэтилена или из сополимера этилена и винилацетата (EVA Composition). Два полупроводящих жгута 54 из частично пиролизованных полиакрилонитриловых (PAN) волокон обернуты вокруг силового элемента 51 в противоположных направлениях перед нанесением оболочки 53 на кабель для обеспечения полупроводящей цепи вдоль кабеля между вышками. На вышках жгуты 54 заземляются на кабельные скобы за счет емкостной связи. Каждый жгут 54 состоит примерно из 10000 волокон и имеет электрическое сопротивление около 0,8 МОм/м.

Фиг. 6 иллюстрирует короткий отрезок "Полностью диэлектрического самоподдерживающего" (ADSS) оптического кабеля 61, который включает силовой элемент и оптические волокна (не показаны), а также оболочку, подобно тому, как это показано на фиг. 5. В этом кабеле жгут 62 из 40000 частично пиролизованных полиакрилонитриловых (PAN) волокон с сопротивлением 0,4 МОм/м заключен в оболочку 63 и спирально обернут вокруг кабеля.

На фиг. 7 представлена зависимость натурального логарифма линейного сопротивления (в кОм на 10 см) различных жгутов из частично пиролизованных полиакрилонитриловых (PAN) волокон в зависимости от величины, обратной абсолютной температуре. Различие в значениях сопротивлений для различных реализаций обусловлено различиями в числе волокон в жгутах. Как нетрудно заметить, приведенные диаграммы хорошо аппроксимируются линейной зависимостью вида:
R = const • exp (2044/T),
что соответствует отрицательному температурному коэффициенту сопротивления 2,2% K^-1 при температуре 300 K.

Линейный элемент, натянутый между вышками воздушной системы электропередачи, включает одну или более электрически полупроводящих компонент, обеспечивающих линейное сопротивление элемента в диапазоне 0,05-100 МОм/м и отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Элемент может быть тросом, используемым для натягивания проводов системы, или оптическим кабелем. Предпочтительный материал для изготовления полупроводящих компонент включает углеродистый волоконный жгут, выполненный из пиролизованных акрилонитриловых волокон. Уменьшен или исключен эффект "дуги сухого участка". 4 с. и 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Линейный элемент /1,61/, выполненный с возможностью натяжения между вышками воздушной системы электропередачи и подвески к ним и включающий по крайней мере одну электрически полупроводящую компоненту /54,62/, отличающийся тем, что электрически полупроводящая компонента обеспечивает линейное электрическое сопротивление линейного элемента в диапазоне 0,05 - 100 МОм/м и отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что каждая компонента /54,62/ имеет отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления величиной не менее 1%К^-1, предпочтительно не менее 1,5%К^-1, при температуре окружающей среды. 3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что каждый имеет отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления со значением не более 3%К^-1 при температуре окружающей среды. 4. Линейный элемент /1,61/, выполненный с возможностью натяжения между вышками воздушной системы электропередачи и подвески к ним и включающий одну или более электрически полупроводящую компоненту, отличающийся тем, что электрически полупроводящая компонента состоит из электрически полупроводящих углеродных волокон, за счет которых достигается линейное электрическое сопротивление линейного элемента в диапазоне 0,05 - 100 МОм/ом. 5. Элемент по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что является оптическим кабелем. 6. Элемент по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что является тросом для установки оптического кабеля в системе электропередачи. 7. Элемент по п.4, отличающийся тем, что каждая из компонент является жгутом из углеродных волокон. 8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что каждый жгут обернут вокруг сердцевины элемента под защитной оболочкой элемента. 9. Элемент по п.7 или 8, отличающийся тем, что каждый жгут обернут вокруг оболочки элемента. 10. Элемент по п.9, отличающийся тем, что каждый из жгутов заключен в электроизоляционное покрытие. 11. Элемент по любому из пп.4 и 7 - 10, отличающийся тем, что углеродные волокна состоят из частично пиролизованного полиакрилнитрила. 12. Элемент по любому из пп.4 и 7 - 11, отличающийся тем, что линейное сопротивление элемента, по существу, полностью определяется элементом или элементами из углеродных волокон по крайней мере в сухих условиях. 13. Элемент по любому из пп.1 - 12, отличающийся тем, что имеет линейное электрическое сопротивление в диапазоне 0,1 - 10 МОм/м. 14. Совмещенная воздушная электросиловая и оптическая система, которая включает воздушные линии электропередач /2/, поддерживаемые и натянутые между вышками, и по крайней мере один оптический кабель /1,61/, который свободно поддерживается и натянут между вышками, каждый из оптических кабелей включает по крайней мере одну электрически полупроводящую компоненту /54,62/, отличающаяся тем, что электрическая полупроводящая компонента обеспечивает линейное электрическое сопротивление оптического кабеля в диапазоне 0,05 - 100 МОм/м и отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. 15. Совмещенная воздушная электросиловая и оптическая система, которая включает воздушные линии электропередач /2/, поддерживаемые и натянутые между вышками, и по крайней мере один оптический кабель /1,61/, который свободно поддерживается и натянут между вышками, каждый из оптических кабелей включает по крайней мере одну электрически полупроводящую компоненту /54,62/, расположенную по его длине, отличающаяся тем, что электрически полупроводящая компонента включает электрически полупроводящие углеродные волокна, обеспечивающие линейное электрическое сопротивление оптического кабеля в диапазоне 0,05 - 100 МОм/м.