Kable optoenergetyczne

Sieć energetyczną wykorzystuje się do szerokopasmowej transmisji sygnałów telekomunikacyjnych również na duże odległości poprzez instalację wzdłuż słupów energetycznych wysokich napięć różnorodnych kabli optotelekomunikacyjnych: samonośnych, podwieszanych lub z wbudowanym modułem optycznym. Nowym rozwiązaniem jest budowa sieci dostępowych z zastosowaniem hybrydowych kabli energetycznych, zawierających kompleksowy moduł światłowodowy lub pustą tubę do montażu włókien wewnątrz kabla energetycznego, uzupełnianą włóknami w trakcie instalacji sieci.

Cechą charakterystyczną kabli energetycznych z umieszczonym wewnątrz modułem światłowodowym lub tubą jest brak bezpośredniego dostępu do włókien optycznych na całej trasie przekazu między nadawcą a odbiorcą. Moduł optotelekomunikacyjny jest zwykle instalowany w osi kabla energetycznego, toteż zewnętrzne powłoki żył miedzianych (znajdujące się pod napięciem) stanowią wystarczające zabezpieczenie nawet przed celowym uszkodzeniem toru optycznego. Z cechy tej korzysta się w aplikacjach poprawiających stan bezpieczeństwa nadzorowanych obiektów (monitorowanie budynków za pomocą stacjonarnych i ruchomych wideokamer), w miejscach zagrożonych przestępczością czy do szerokopasmowej komunikacji w obiektach sportowych.

Podstawową przeszkodą w wykorzystaniu linii energetycznych jako miedzianego medium transmisyjnego są zakłócenia generowane przez urządzenia energetyczne (przełączniki, stacje transformatorowe, windy), a także przez domowe odbiorniki energii elektrycznej (sprzęt AGD i RTV). Udostępnienie aplikacjom cywilnym zaawansowanych technologii zwielokrotnienia kodowego CDMA pozwoliło na bardziej efektywną budowę sieci dostępowych DPL (Digital Power Line), w których do przesyłania informacji współużytkuje się żyły miedziane niskiego (0,6/1 kV) i wysokiego (18/30 kV) napięcia. W tych aplikacjach standardowo korzysta się z częstotliwości nośnej znajdującej się powyżej 1 MHz, a do instalacji usług szerokopasmowych - częstotliwości nośnych w zakresie 1,6-30 MHz. Większe możliwości dają kable energetyczne z wbudowanym modułem optotelekomunikacyjnym.

Postęp w tej dziedzinie odnotowano po opanowaniu technologii produkcji kabli energetycznych z żyłami miedzianymi zawierającymi włókna optyczne. Hybrydowe kable energetyczne z żyłami miedzianymi niskiego napięcia i włóknami światłowodowymi odpornymi na działanie wyładowań, przepięć i zmiennych pól elektromagnetycznych można obecnie doprowadzać nie tylko bezpośrednio na stanowisko pracy (maszyny górnicze, nadzór operacji technologicznych w obiektach przemysłowych, automatyzacja procesów produkcyjnych), ale także stosować do szeroko pojętej ochrony obiektów (telewizja przemysłowa czy ruchome kamery sterowane siłownikami). Zasięg łączy optokomunikacyjnych w takich aplikacjach sięga do kilkunastu kilometrów.

W Polsce wytwarza się kable energetyczne (18/30 kV oraz 0,6/1 kV) z modułem optycznym, wypełnianym w procesie produkcyjnym włóknami światłowodowymi lub z tubą do wdmuchiwania włókien w trakcie instalacji na obiekcie. Liczba instalowanych fabrycznie włókien w tubie o średnicy wewnętrznej 2,2-4 mm wynosi 4-12 włókien. W tubach o średnicy 2,8-6 mm można umieścić do 24 włókien optycznych. Największą trudnością w produkcji kabli optoenergetycznych z centralnie umieszczoną pustą tubą światłowodową jest utrzymanie jej wewnętrznej średnicy podczas nakładania zewnętrznej powłoki kabla (w temperaturze ok… 200°C) - na całej długości kilkukilometrowego odcinka fabrykacyjnego.

Jedną z aplikacji kabli optoenergetycznych jest ciągłe monitorowanie temperatury wysokonapięciowych kabli energetycznych. Ze względu na to, że instalacja kablowych systemów energetycznych wysokich napięć wymaga znacznych inwestycji, stała kontrola maksymalnego obciążenia kabla i jego dopuszczalnej temperatury pracy stanowi istotny element niezawodności dosyłowych linii energetycznych. Rozkład temperatury pracy energetycznych linii dosyłowych zależy od wielu czynników, takich jak konstrukcja kabla, miejsca jego ułożenia (nasłonecznione, napowietrzne, podziemne, teren wilgotny lub suchy), obecność bliskich śródeł ciepła czy lokalnego przeciążenia fragmentu linii energetycznej.

Do monitorowania temperatury włókna optycznego stosuje się technikę rozproszonego pomiaru temperatury DTS (Distributed Temperature Sensor), za pomocą której z dużą dokładnością można określać temperaturę włókna w dowolnym punkcie jego długości. W celu określenia temperatury medium światłowodowego przesyła się impuls laserowy wzdłuż włókna. W trakcie jego propagacji przez medium część światła ulega wstecznemu odbiciu, a składową odbicia sygnału optycznego próbkuje się bezpośrednio przy śródle światła, co pozwala wyznaczyć poszukiwaną odległość niejednorodności toru.

Na podstawie tak uzyskanych wartości określa się profil temperaturowy włókna, będący odzwierciedleniem bieżącej temperatury włókna wzdłuż jego trasy. Z profilu temperaturowego włókna można ekstrapolować profil temperaturowy żyły miedzianej, a na tej podstawie obliczyć dopuszczalne obciążenie elektryczne eksploatowanego kabla energetycznego. Dokładność mierzonych przez włókno temperatur sprawdza się w zakresie 90-250°C.

Podziemne i wysokonapięciowe kable energetyczne są wytwarzane z włóknem optycznym przylegającym bezpośrednio do izolacji żyły lub znajdującym się w najbliższej dogodnej produkcyjnie odległości od niej. W kablach naziemnych średniego i wysokiego napięcia moduł światłowodowy zwykle umieszcza się w obrębie miedzianej żyły powrotnej.