Самонесущие оптические кабели

Самонесущие оптические кабели: конструкция, типы, применение и монтаж

Самонесущий оптический кабель (СОК, также известный как ADSS – All-Dielectric Self-Supporting) представляет собой кабель волоконно-оптический, предназначенный для подвеса на опорах воздушных линий электропередачи (ВЛ) и связи без использования дополнительного несущего троса. Его ключевая особенность – способность выдерживать механические нагрузки, обусловленные собственным весом, ветром, гололедом, в течение всего срока службы (не менее 25 лет) благодаря интегрированным силовым элементам диэлектрической природы.

Конструктивные особенности и материалы

Конструкция СОК является многослойной и строго рассчитанной под конкретные условия эксплуатации. Каждый слой выполняет определенную функцию.

• Оптическое волокно: Сердечник кабеля содержит одномодовые (реже многомодовые) оптические волокна, обычно в количестве от 2 до 144 и более. Волокна располагаются в свободном буфере в виде модулей, заполненных гидрофобным гелем, что обеспечивает защиту от влаги и механические демпфирующие свойства.
• Силовой элемент: Центральный или периферийный силовой элемент изготавливается из диэлектрических материалов высокой прочности: стеклопластиковых (стеклоармированных пластиковых, САП) или арамидных (кевларовых) нитей. Его задача – воспринимать растягивающие нагрузки. В кабелях с центральным силовым элементом он часто выполняется в виде стержня, вокруг которого уложены оптические модули.
• Внутренняя оболочка: Полимерная оболочка (обычно из полиэтилена) скрепляет внутренние элементы конструкции, формируя единый цилиндрический сердечник с гладкой поверхностью.
• Армирующие слои: Часто применяются дополнительные слои из арамидных нитей или стеклопластика, наложенные поверх внутренней оболочки, для увеличения прочности на разрыв и стойкости к удару.
• Внешняя защитная оболочка: Наружная оболочка является основным барьером от внешних воздействий. Критически важным является выбор материала оболочки в зависимости от места подвеса на опоре ВЛ:
  • Полиэтилен (PE): Стандартная защита для умеренных условий.
  • Термопластичный полиэтилен (TPE): Повышенная стойкость к УФ-излучению и перепадам температур.
  • Полиэтилен, устойчивый к трекингу (AT/UV PE): Наиболее распространенный материал для подвеса в зоне действия электрического поля ВЛ. Содержит специальные добавки, повышающие сопротивление поверхностному пробою (трекингу) и эрозии под воздействием коронного разряда, влаги и загрязнений.

Классификация и типы самонесущих оптических кабелей

СОК классифицируются по нескольким ключевым признакам, определяющим область их применения и монтажные характеристики.

1. По месту подвеса на опоре ВЛ

Зона подвеса	Уровень электрического поля	Требования к оболочке	Типичное расстояние от земли
Ниже фазных проводов (в зоне защищенного заземленного троса)	Относительно низкий	Стандартная UV-стабилизированная оболочка (PE, TPE)	Над просекой, в соответствии с ПУЭ
В зоне фазных проводов (между фазами или на уровне фаз)	Высокий, наличие переменного электрического поля	Обязательно применение оболочки, устойчивой к трекингу (AT/UV PE)	Определяется расчетом габаритов и типа ВЛ

2. По конструкции силового элемента

• С центральным силовым элементом (СЭ): Стеклопластиковый стержень расположен в центре, оптические модули навиты вокруг него. Конструкция обеспечивает высокую стойкость к растяжению и сдавливанию. Наиболее распространенный тип.
• С повивной силовой арматурой: Силовые элементы (арамидные или стеклопластиковые нити) расположены повивом вокруг внутренней оболочки. Обеспечивает гибкость и высокую прочность на разрыв.
• Комбинированная конструкция: Сочетает центральный СЭ и внешний армирующий слой, используется для кабелей с большим количеством волокон или для особо тяжелых условий подвеса.

Ключевые технические параметры и расчет подвеса

Выбор и проектирование трассы подвеса СОК требуют тщательного инженерного расчета, основанного на следующих параметрах:

• Допустимое растягивающее усилие (ДРУ, или Maximum Allowable Tension, MAT): Максимальная продольная нагрузка, которую кабель может выдержать в процессе монтажа без остаточной деформации и без превышения допустимого затухания в волокнах. Измеряется в кН.
• Эксплуатационное растягивающее усилие (ЭРУ, или Everyday Tension, EDT): Нагрузка, которая может действовать на кабель постоянно в течение всего срока службы (при температуре +15°C, без ветра и гололеда). Обычно составляет 20-25% от предельной прочности на разрыв (UTS).
• Предельная прочность на разрыв (UTS): Усилие, при котором происходит разрушение силовых элементов кабеля.
• Модуль упругости (Е): Определяет удлинение кабеля под нагрузкой. Важен для расчета стрелы провеса.
• Коэффициент линейного расширения (α): Влияет на изменение стрелы провеса при колебаниях температуры.
• Стрела провеса: Рассчитывается для двух основных состояний: при максимальной нагрузке (ветер, гололед, низкая температура) и при среднеэксплуатационных условиях. Расчет должен гарантировать соблюдение габаритов до земли и до фазных проводов ВЛ согласно ПУЭ.

Монтаж и арматура для подвеса

Монтаж СОК требует специализированной арматуры и соблюдения технологических карт.

• Подвесная арматура: Для крепления кабеля к опоре используются спиральные виброгасители или специальные поддерживающие зажимы, которые фиксируют кабель, но позволяют ему двигаться при температурных деформациях. Крепление осуществляется к кронштейну на стойке опоры.
• Анкерная арматура: На конечных и угловых опорах, где кабель подвергается значительному натяжению, применяются анкерные зажимы. Они надежно обхватывают силовые элементы кабеля, передавая механическую нагрузку на опору. Места установки анкеров определяются расчетом трассы.
• Технология монтажа: Подвес осуществляется, как правило, с помощью размотчиков и подъемников, без контакта с землей. Натяжение контролируется динамометрами. Запрещается превышение ДРУ. Особое внимание уделяется радиусам изгиба (обычно не менее 20-25 наружных диаметров кабеля).

Преимущества и недостатки СОК

Преимущества:

• Полная диэлектричность и невосприимчивость к электромагнитным помехам.
• Возможность подвеса на действующих ВЛ без их отключения и реконструкции.
• Высокая скорость строительства магистралей по сравнению с подземной прокладкой.
• Отсутствие затрат на грозозащитный трос или отдельную несущую проволоку.
• Длительный срок службы (более 25 лет) в агрессивных атмосферных условиях.

Недостатки и ограничения:

• Чувствительность к точечным механическим повреждениям (выстрелы, вандализм).
• Зависимость от состояния опор ВЛ и необходимости согласования с владельцем линии.
• Требовательность к точности расчетов нагрузок и выбору типа оболочки.
• Потенциальная опасность возникновения трекинга при неправильном выборе кабеля для зоны с высоким электрическим полем.

Области применения

• Магистральные и зоновые линии связи вдоль трасс ВЛ 6-1150 кВ.
• Создание волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) для цифровых подстанций и систем релейной защиты, требующих высокой надежности канала.
• Оптические кабели для подвеса на опорах городского освещения и контактной сети транспорта.
• Ответвления к подстанциям и распределительным пунктам.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как правильно выбрать тип оболочки СОК для подвеса на ВЛ 110 кВ?

Выбор зависит от конкретного места подвеса на опоре. Необходимо выполнить расчет распределения электрического поля вдоль опоры. Если подвес планируется в зоне, где напряженность поля превышает 1-3 кВ/см (как правило, в районе расположения фазных проводов), обязательным является применение кабеля с оболочкой из материала, устойчивого к трекингу (AT/UV PE). Для подвеса в нижней части опоры, значительно ниже фаз, может быть достаточно кабеля со стандартной UV-стабилизированной полиэтиленовой оболочкой. Окончательное решение должно быть закреплено техническим расчетом.

В чем разница между ДРУ (MAT) и ЭРУ (EDT)? Почему нельзя нагружать кабель близко к ДРУ постоянно?

ДРУ (Допустимое Растягивающее Усилие) – это кратковременная монтажная нагрузка. ЭРУ (Эксплуатационное Растягивающее Усилие) – это постоянная нагрузка в нормальных условиях. Если нагружать кабель на уровне, близком к ДРУ, в течение длительного времени, произойдет необратимое удлинение силовых элементов (ползучесть), что приведет к увеличению стрелы провеса, возможному нарушению габаритов и, в конечном итоге, к разрушению кабеля от усталости материалов. ЭРУ гарантирует отсутствие таких процессов в течение всего срока службы.

Можно ли использовать СОК для пересечения больших пролетов (реки, дороги)?

Да, но это требует специального, индивидуального расчета. Для больших пролетов (свыше 300-500 м) выбираются кабели с особыми характеристиками: высоким значением ДРУ и UTS, часто с комбинированной силовой конструкцией. Расчет выполняется для обеспечения требуемой стрелы провеса при максимальных нагрузках (гололед + ветер) и проверки минимального допустимого расстояния до земли/препятствий. Часто такие пролеты требуют установки промежуточных анкерных креплений или использования специальных высокопрочных кабелей.

Как осуществляется сращивание и ответвление СОК?

Механическая нагрузка на кабель в местах сращивания не передается. Силовые элементы кабеля разрываются. После сварки оптических волокон и размещения сплайс-кассеты в муфте, механическая непрерывность линии обеспечивается за счет независимого крепления обоих концов кабеля к конструкции опоры или к муфте с помощью анкерных зажимов. Таким образом, муфта не несет механической нагрузки. Ответвление осуществляется с помощью специальных разветвительных муфт, обеспечивающих вывод части волокон.

Что такое «трекинг» и как ему противостоит специальная оболочка?

Трекинг – это процесс образования проводящих углеродных дорожек на поверхности полимерной оболочки под воздействием коронного разряда, загрязнений и влаги. Эти дорожки постепенно углубляются, приводя к пробою оболочки и разрушению кабеля. Оболочка AT/UV PE содержит специальные минеральные наполнители (например, гидратированный оксид алюминия), которые:

• Подавляют развитие поверхностной дуги.
• Увеличивают путь утечки.
• Образуют непроводящий остаток при воздействии дуги, «залечивая» поврежденный участок.

Это многократно увеличивает срок службы кабеля в зоне сильного электрического поля.

Как влияет количество волокон в СОК на его механические характеристики?

Увеличение количества волокон ведет к увеличению диаметра и веса кабеля. Для сохранения механических характеристик (ДРУ, UTS) производитель должен усилить силовые элементы – увеличить диаметр центрального СЭ или количество арамидных нитей. Поэтому кабели с большим числом волокон (более 48) часто имеют больший диаметр, вес и, как следствие, большую ветровую и гололедную нагрузку. Это необходимо учитывать при расчете нагрузок на опоры и стрелы провеса.