PL176009B1

PL176009B1 - Element liniowy przystosowany do rozciągania między masztami napowietrznej sieci energetycznej.

Info

Publication number: PL176009B1
Application number: PL94314958A
Authority: PL
Inventors: Simon M. Rowland
Original assignee: Bicc Plc
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1999-03-31
Also published as: DE69425639T2; AU7911094A; CN1137828A; CN1050673C; EP0660149B1; PL314958A1; EP0660149A1; WO1995016933A1; JPH09506718A; AU690928B2; AU1247695A; US5563976A; IL111892A; EG20604A; CA2138330C; IL111892A0; ES2149243T3; RU2141681C1; NO962488D0; CA2138330A1

Abstract

1. Element liniowy przystosowany do rozciagniecia m iedzy m asztam i napo- wietrznej sieci energetycznej, znamienny tym, ze zawiera co najmniej jeden skladowy element pólprzewodnikowy (54, 62), przy czym element liniowy ma rezystancje linio- wa w zakresie od 0,05 do 100 Mohm/m i ujemny wspólczynnik temperaturowy rezy- stancji elektrycznej. Fig 5 Fig. 6 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest element liniowy przystosowany do rozciągania między masztami napowietrznej sieci energetycznej, zwłaszcza kabel optyczny podtrzymywany wzdłuż linii energetycznej przez wieże, maszty lub inne podpory wykorzystywane również do podtrzymywania przewodów energetycznych.

W znanych napowietrznych sieciach energetycznych ogólną praktyką jest uziemianie kabla lub kabli optycznych na wieżach, masztach lub innych podporach, dalej określanych wspólną nazwą masztów. Wówczas gdy przewody energetyczne są pod obciążeniem, w kablu optycznym wzbudzane są pojemnościowo prądy elektryczne w wyniku rozłożonej pojemności między kablem aprzewodami energetycznymi. Napięcie indukowane w kablu optycznym osiąga maksymalną wartość w środku odległości między masztami, podczas gdy prąd płynący w kablu jest największy w obszarze masztów. W suchym powietrzu indukowane prądy są stosunkowo małe w wyniku dużej rezystancji wzdłużnej kabla, na przykład rzędu 10^ Mohm/m, ale przy

176 009 zwiększonej wilgotności, kiedy rezystancja powierzchniowa kabla jest dużo mniejsza, na przykład rzędu 10 Mohm/m, jest indukowany dużo większy prąd. Ogrzewanie powierzchni kabla przez indukowane prądy powoduje osuszenie powierzchni kabla na krótkim odcinku, zwykle w obszarze masztu, gdzie prąd ma największe natężenie. Wówczas większa część indukowanego napięcia na kablu odkłada się na krótkim, suchym odcinku, w wyniku jego dużej rezystancji wzdłużnej i może wystąpić tak zwane przebicie suchego odcinka, co wywołuje poważne uszkodzenie kabla. Podobne problemy występują w przypadku innych elementów liniowych, które są rozciągane między masztami sieci energetycznej, na przykład w linach używanych do instalowania kabli optycznych w sieci energetycznej. Chociaż takie liny są przeznaczone tylko do chwilowego zawieszenia między masztami, absorbują one znaczne ilości wody w przypadku znacznej wilgotności powietrza, w wyniku czego mogą być indukowane niszczące prądy.

Znane jest wyposażenie kabla w rozciągniętą wzdłuż niego linię przewodzącą prąd w celu uniknięcia problemu z przebiciem suchego odcinka w kablu optycznym. Jednak kabel optyczny z taką linią ma tę wadę, że muszą być przedsięwzięte środki ostrożności podczas instalowania linii między masztami napowietrznej sieci energetycznej pod napięciem, ze względu na możliwość dotknięcia linią przewodzącą prąd przewodu sieci. Ponadto nie zawsze jest możliwe lub pożądane przerywanie przesyłania energii elektrycznej przez napowietrzną sieć energetyczną na czas potrzebny do instalacji takiego kabla optycznego.

Znane jest, na przykład z europejskiego zgłoszenia patentowego nr 214 480 zastosowanie kabla zawierającego element półprzewodnikowy o liniowej rezystancji od 10 do 10⁶ Mohm/m. Jednak zwykle bardzo trudno jest wykonać elementy półprzewodnikowe o takich wartościach rezystancji w sposób powtarzalny, gdyż rezystancja jest bardzo zależna na koncentracji domieszek i podobnych czynników, w wyniku czego identyczne nominalnie kable znacznie różnią się rezystancjami, a przy tym rezystancja kabla znacznie zmienia się wzdłuż kabla. Wartości takiej rezystancji liniowej są zbyt duże, gdyż na przewodność liniową kabla mają duży wpływ zanieczyszczenia, na przykład kwasy i sole osadzające się na kablu w wilgotnym powietrzu.

Element liniowy według wynalazku zawiera co najmniej jeden składowy element półprzewodnikowy, przy czym element liniowy ma rezystancję liniową w zakresie od 0,05 do 100 Mohm/m i ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji elektrycznej.

Korzystnie każdy element półprzewodnikowy ma ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji elektrycznej, równy przynajmniej 1%/K, korzystnie przynajmniej 1,5%/K, w temperaturze otoczenia.

Korzystnie każdy element półprzewodnikowy ma ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji elektrycznej równy nie więcej niż 3%/K w temperaturze otoczenia.

Korzystnie element półprzewodnikowy stanowią włókna węglowe.

Korzystnie element liniowy stanowi kabel optyczny.

Korzystnie element liniowy stanowi linę do instalowania kabla optycznego w sieci energetycznej.

Korzystnie każdy element półprzewodnikowy stanowi wiązka włókien węglowych.

Korzystnie każda wiązka jest nawinięta wokół rdzenia elementu liniowego pod płaszczem elementu liniowego.

Korzystnie każda wiązka jest nawinięta na płaszczu elementu liniowego.

Korzystnie każda wiązka jest umieszczona w osłonie izolującej elektrycznie.

Korzystnie włókna węglowe zawierają poliakrylonitryl poddany częściowej pirolizie.

Korzystnie rezystancja liniowa elementu liniowego jest, przynajmniej przy małej wilgotności powietrza, prawie równa rezystancji liniowej włókien węglowych.

Korzystnie element liniowy ma liniową rezystancję elektryczną w zakresie od 0,1 do 10 Mohm/m.

Zaletą wynalazku jest to, że jeśli dowolny odcinek kabla zostanie bardziej ogrzany z jakiegokolwiek powodu, na przykład w wyniku indukowania większych prądów lub w wyniku większej rezystancji początkowej, to miejscowy wzrost temperatury elementu półprzewodnikowego powoduje zmniejszenie rezystancji, a więc i ogrzewania. Przeciwnie, użycie innych układów, takich jak układy zraszające, które zwykle majądodatni współczynnik temperaturowy, doprowadza do niestabilności układu i nawet do miejscowego odparowania cieplnego.

176 009

Zastosowanie włókien węglowych w elemencie liniowym umożliwia kontrolowanie liniowej rezystancji elementu w bardzo prosty sposób, a więc powtarzalne wytwarzanie elementu półprzewodnikowego. Element liniowy ma tę zaletę, że jego potencjał osiąga lub zbliża się do potencjału przewodu fazowego w środku odległości między masztami, w wyniku czego wyładowanie koronowe na powierzchni elementu lub przeskok iskry są zmniejszone lub wyeliminowane.

Wynalazek można stosować w kablach optycznych a także w innych elementach liniowych. Włókna węglowe stosowane w kablu mogą mieć wiele różnych konstrukcji. Zwykle jeden lub kilka elementów półprzewodnikowych ma postać ciągłych wiązek włókien węglowych. Wówczas gdy element półprzewodnikowy jest w postaci wiązki nawiniętej na płaszczu kabla, wiązka jest zamknięta w osłonie chroniącej przed uszkodzeniem podczas montażu i przed działaniem czynników atmosferycznych. Jeśli zostanie zastosowana osłona izolacyjna lub w przypadku, gdy wiązka zostanie umieszczona pod płaszczem kabla, a płaszcz jest wykonany z materiału izolacyjnego, wiązka sprzęga się pojemnościowo z wodą na powierzchni osłony lub płaszcza. Jeśli pojemnościowe sprzężenie nie jest wystarczające, podejmuje się środki dla zwiększenia przewodności promieniowej osłony lub płaszcza, bez pogarszania ich rezystancji wzdłużnej. Do takich środków zalicza się miejscowe zwiększenie przewodności osłony lub płaszcza w wyniku dużej koncentracji domieszki lub w wyniku wykonania osłony lub płaszcza z materiału absorbującego wodę. Stosuje się także pocięte włókna w polimerowej osnowie, a także włókna w postaci nieuporządkowanej, na przykład w postaci maty lub papieru.

Elementy półprzewodnikowe zostają dołączone do kabla podczas wytwarzania kabla, jak w przypadku, gdy są nawijane wokół rdzenia pod płaszczem lub dopiero wówczas, gdy kabel jest już zawieszony na masztach. Dzięki temu, że element półprzewodnikowy jest rozciągliwy, nie wywołuje przerwania lub uszkodzenia kabla optycznego. Własności elektryczne elementu półprzewodnikowego nie zmieniają się znacznie przy cyklicznych zmianach długości rzędu 1%.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat elektryczny konwencjonalnego, dielektrycznego kabla optycznego i przewodu energetycznego, ze wskazaniem pojemności rozłożonych, fig. 2 - wykresy napięcia i prądu indukowanego w kablu optycznym, w suchym powietrzu, fig. 3 - wykresy napięcia i prądu indukowanego w kablu optycznym w warunkach zwiększonej wilgotności, bez odcinka suchego, fig. 4 - schematycznie konwencjonalny kabel optyczny, na którym powstał suchy odcinek, fig. 5 - przekrój poprzeczny kabla według wynalazku, fig. 6 - widok z boku fragmentu innego kabla według wynalazku i fig. 7 - wykresy rezystancji elektrycznych różnych wiązek włókien węgłowych, stosowanych w kablu, w funkcji temperatury.

Figura 1 przedstawia konwencjonalny, całkowicie dielektryczny, samopodtrzymujący się kabel optyczny 1 zawieszony między dwoma masztami, które są wykorzystywane również do podtrzymywania przewodów energetycznych 2. Kabel optyczny 1 jest podtrzymywany przy pomocy metalowych uchwytów 4, które są uziemione poprzez maszt. W tym układzie istnieje rozproszona pojemność między kablem optycznym 1 i przewodem energetycznym 2, oznaczona przez pojemności C1, oraz rozproszona pojemność między kablem optycznym 1 i ziemią, oznaczona przez pojemności C 2. Kabel ma dużą, ale skończoną, rezystancję wzdłużną, oznaczoną przez rezystancję R.

Figura 2 przedstawia wykresy indukowanych w kablu, w suchym powietrzu, napięcia Vd i prądu Id. Indukowane napięcie Vd jest największe w środku między masztami, zwykle do 30 kV na linii 400 kV i bliskie potencjałowi ziemi na maszcie, podczas gdy indukowany prąd Id osiąga wartość maksymalną na maszcie, równą na przykład około 100 mikroamperów.

Figura 3 przedstawia, że w wilgotnym powietrzu rezystancja wzdłużna kabla optycznego jest znacznie mniejsza i w wyniku tego maksymalne indukowane napięcie V_w na kablu optycznym jest mniejsze, a indukowany prąd I_w znacznie większy, zwykle od 1 do 10 mA.

Figura 4 przedstawia, że w tych warunkach wytwarza się w kablu optycznym 1, w pobliżu metalowego uchwytu 4 na maszcie suchy odcinek 6, zwykle o długości 50 mm, w wyniku ogrzania wody zbierającej się na powierzchni kabla. Powoduje to, że niemal całe indukowane napięcie odkłada się na tym odcinku kabla i może w tym punkcie wystąpić łuk powodujący zniszczenie płaszcza kabla.

176 009

Figura 5 przedstawia kabel optyczny 1 przystosowany do swobodnego zawieszenia między masztami sieci energetycznej. Kabel optyczny składa się z elementu usztywniającego 51 wykonanego z prasowanego szkła typu E, podtrzymującego pewną liczbę światłowodów 52 do transmisji światła o długości fali z zakresu od 0,8 do 2,1 mikrometra oraz zewnętrznego płaszcza 53 wykonanego z polietylenu lub z kopolimeru etylenu z octanem winylu. Para wiązek półprzewodnikowych 54 z włókien PAN, poddanych częściowej pirolizie, jest nawinięta wokół elementu usztywniającego 51, w przeciwnych kierunkach, zanim wykonano wtryskowo płaszcz 53. Na masztach wiązki półprzewodnikowe 54 są uziemiane poprzez sprzężenie pojemnościowe z uchwytem kabla. Każda wiązka półprzewodnikowa 54 ma około 10000 włókien i rezystancję około 0,8 Mohm/m.

Figura 6 przedstawia krótki odcinek kabla światłowodowego 61 typu całkowicie dielektrycznego, samopodtrzymującego się, który zawiera element usztywniający i włókna światłowodowe oraz płaszcz, jak na fig. 5. W tym kablu wiązka półprzewodnikowa 62, składająca się z 40000 włókien PAN po częściowej pirolizie, mająca rezystancję 0,4 Mohm/m, jest zamknięta w płaszczu 63 i śrubowo nawinięta wokół kabla.

Figura 7 przedstawia wykres logarytmu naturalnego liniowej rezystancji w kohm na 10 cm różnych wiązek złożonych z włókien PAN, poddanych częściowej pirolizie, w funkcji odwrotności temperatury absolutnej. Różnice wartości rezystancji różnych próbek wynikają z różnej liczby włókien w wiązkach. Wartości rezystancji przybliża się linią prostą o równaniu:

R = const. x exp(2044/T) co odpowiada ujemnemu współczynnikowi temperaturowemu 2,2%/K dla 300 K.

176 009

Fig. 7.

1/T (Κ)

176 009

Fig.l

4	R -	.Ci .. Ci .	-Cl - R		.0
Γ R ' —CZh—	’ R —t=H-
a__	) J 1 ^:	:^C2 :	_;C₂ :	:^C2		:^C2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Element liniowy przystosowany do rozciągnięcia między masztami napowietrznej sieci energetycznej, znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden składowy element półprzewodnikowy (54, 62), przy czym element liniowy ma rezystancję liniową w zakresie od 0,05 do 100 Mohm/m i ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji elektrycznej.
2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy element półprzewodnikowy (54,62) ma ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji elektrycznej, równy przynajmniej 1%/K, korzystnie przynajmniej 1,5%/K, w temperaturze otoczenia.
3. Element według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każdy element półprzewodnikowy (54, 62) ma ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji elektrycznej równy nie więcej niż 3%/K w temperaturze otoczenia.
4. Element według zastrz. 3, znamienny tym, że element półprzewodnikowy (54, 62) stanowią włókna węglowe.
5. Element według zastrz. 4, znamienny tym, że stanowi kabel optyczny.
6. Element według zastrz. 4, znamienny tym, że stanowi linę do instalowania kabla optycznego w sieci energetycznej.
7. Element według zastrz. 4, znamienny tym, że każdy element półprzewodnikowy (54, 62) stanowi wiązka włókien węglowych.
8. Element według zastrz. 7, znamienny tym, że każda wiązka jest nawinięta wokół rdzenia elementu liniowego pod płaszczem elementu liniowego.
9. Element według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że każda wiązka jest nawinięta na płaszczu elementu liniowego.
10. Element według zastrz. 9, znamienny tym, że każda wiązka jest umieszczona w osłonie izolującej elektrycznie.
11. Element według zastrz. 4 albo 7 albo 10, znamienny tym, że włókna węglowe zawierają poliakrylonitryl poddany częściowej pirolizie.
12. Element według zastrz. 4 albo 7 albo 10, znamienny tym, że rezystancja liniowa elementu liniowego jest, przynajmniej przy małej wilgotności powietrza, prawie równa rezystancji liniowej włókien węglowych.
13. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że ma liniową rezystancję elektryczną w zakresie od 0,1 do 10 Mohm/m.