Оптический кабель совмещенный с фазным проводом: опыт и перспективы применения в сетях ФСК ЕЭС России

В статье «Металлические самонесущие оптические кабели ОКСМ: Применение и преимущества», опубликованной в журнале «Фотон-Экспресс» (№3 (123), май 2015) рассмотрены способы организации связи путем подвески оптических кабелей (ОК) на высоковольтных линиях электропередач.

В этой же статье упомянуты ограничения и недостатки основных применяемых типов кабелей: ОКГТ (оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос) и ОКСН (диэлектрический самонесущий оптический кабель).

В качестве альтернатив возможно применение оптических кабелей:

• ОКСМ — самонесущего металлического, возможности применения и преимущества, которого и были рассмотрены в упомянутой статье.
• ОКНН — неметаллический навиваемый кабель.
• ОКФП — встроенный в фазный провод, преимущества и перспективы применения которого будут рассмотрены в данной статье.

Конструкция ОКФП

Рис 1. Эскиз кабеля ОКФП с оптическим модулем в центре

Кабель (рис. 1.) содержит центральный оптический модуль со свободно уложенными оптическими волокнами. Свободное пространство в оптическом модуле заполнено гидрофобным гелем. В центральном модуле возможно размещение до 48 оптических волокон.

На центральный оптический модуль спирально накладываются несколько повивов (слоев). Внутренние слои состоят из стальных проволок, плакированных алюминием. Внешние слои состоят из проволок из алюминиевого сплава.

Таким образом достигаются следующие характеристики:

• стальные проволоки обеспечивают требуемую механическую стойкость кабеля на растяжение, а также раздавливание, кручение и изгиб;
• проволоки из алюминиевого сплава обеспечивают требуемую электрическую проводимость;
• покрытие стальных проволок алюминием (плакирование) – обеспечивает высокую коррозионную стойкость и требуемый срок службы не менее 50 лет.

Возможно изготовление ОКФП, когда стальной модуль с оптическим волокном находится в первом повиве (рис 2.). При этом обеспечивается несколько большая защита оптического волокна при эксплуатации.

Рис. 2. Эскиз кабеля ОКФП с оптическим модулем в первом повиве

В зависимости от расчетных характеристик провода по сечению и числу волокон на основании заполненного опросного листа, Заводом рассчитывается подходящая конструкция, обеспечивающая выполнение всех заявленных требований:

• вес;
• прочность на разрыв;
• модули упругости для обеспечения габаритов при воздействии ветра и гололеда;
• электрическое сопротивление;
• термическая стойкость.

Фазный провод с оптическим кабелем (рис. 3.) рассчитан на работу при следующих климатических условиях: минимальная температура до минус 60 градусов Цельсия, максимальная рабочая температура до плюс 85 градусов Цельсия.

При этом во всех конструкциях ОКФП применяются оптические волокна ф. Corning (США), с пониженным затуханием (не более 0,18 дБ/км) и стойкие к изгибным потерям (соответствующие стандарту G.657A1).

Рис. 3. ОКФП на ЛЭП 110/220 переход через р. Лена

Соответствие отраслевым стандартам

Основным нормативным документом, определяющим применение ОКФП на объектах ПАО «Россети» является СТО 56947007- 33.180.10.176-2014 «Оптический кабель, встроенный в фазный провод, натяжные и поддерживающие зажимы, муфты для организации ВОЛС-ВЛ на линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше. Общие технические условия»

Этот стандарт определяет технические требования к ОКФП, нормирует формат и порядок составления технических требований на поставку ОКФП, охватывает методологию выбора параметров ОКФП при проектировании ВОЛС-ВЛ, рассматриваются методы испытаний ОКФП, натяжных и поддерживающих зажимов и подвесных оптических муфт.

Стандартом определено, что ОКФП должен требованиям ГОСТ 839 и при этом отклонение электрического сопротивления допускается не более, чем на 5% от фазного провода, аналогом которого он является.

Типовой состав технических требований на поставку ОКФП:

• Общее число оптических волокон в кабеле;
• Класс напряжения ВЛ;
• Марка фазного провода, для которого требуется поставить аналог ОКФП (может быть добавлено значение требуемой номинальной токовой нагрузки).

Конструкции муфт должны обеспечивать надежную эксплуатацию при условии нахождения муфты под рабочим напряжением ВЛ в течение срока службы ОКФП, а также не должны иметь деталей, приводящих к возникновению коронных разрядов при их эксплуатации на ВЛ с классом напряжения, на который эти муфты рассчитаны.

Конструкция зажимов должна обеспечивать надежное крепление ОКФП, исключать прокручивание кабеля в зажиме, не должна приводить к возникновению коронных разрядов при их эксплуатации на ВЛ с классом напряжения, на который эти зажимы, арматура и протекторы рассчитаны.

Вся система «ОКФП-муфта-зажимы» должна соответствовать предъявляемым в СТО требованиям по механическим, электрическим и климатическим воздействиям.

Методики испытаний на соответствие подробно изложены в разделе 5 данного СТО.

Возможности применения

• В ряде случаев применение ОКФП является экономически оправданным решением при проектировании новых ВЛ. 
• Этот способ организации ВОЛС позволяет дублировать канал связи при наличии ОКГТ и (или) организовать независимый, например, в случае столкновения интересов собственников каналов.
• Данный способ особо актуален при необходимости замены фазных проводов в связи с их физическим износом.
• Еще одним фактором в пользу применения ОКФП является износ опор и как следствие не возможность увеличения нагрузки на несущую инфраструктуру линии.
• Целесообразно использовать ОКФП при жестких требования к стрелам провиса, например, переходах через судоходные реки, при значительном перепаде высот в горных районах.

Анализируя приведенные доводы можно считать организацию канала связи в фазном проводе актуальной, в некоторых случаях предпочтительной, а в некоторых единственно возможной.

Мировой опыт применения

Стоит отметить, что в технологически развитых странах использование ОКФП получило достаточно широко распространение. Однако зарубежные компании, обладающие технологиями производства данного типа кабеля и сопутствующих комплектующих, отказывают в предоставлении информации, документации и материалов по запросам из России по политическим причинам. В открытых источниках, в том числе в сети Интернет доступна крайне скудная информация, что является дополнительным барьером для потенциальных потребителей.

Один из мировых лидеров в производстве оптических кабелей, компания «AFL» (США), предоставляет лишь общую информацию о возможностях производства ОКФП, без указания каких-либо подробностей.

Китайская компания «ZTT» имеет большой опыт реализации проектов на основе ОКФП в Китае на ЛЭП 10-500 кВ. Однако данная информация и технологии реализации этих проектов не являются открытыми.

Таким образом, единственно возможным вариантом реализации данных решений на территории России является создание полностью отечественных разработок, отвечающим намеченному курсу на импортозамещение, особенно в высокотехнологичных и стратегически важных сферах.

Сдерживающие факторы применения ОКФП

Основными сдерживающими факторами в развитии технологии применения ОКФП в сетях России является:

• Отсутствие интеграторов, обладающих полным набором компетенций, а также технических возможностей;
• Отсутствие достаточно подробных регламентов и норм по проектированию, монтажу и эксплуатации данной технологии;
• Отсутствие аттестованной системы «ОКФП, натяжных и поддерживающих зажимов и подвесных оптических муфт»;
• Отсутствие компетентных кадров на всех этапах проекта: технического задания, проектирования, поставки материалов, монтажа, пуско-наладки, подготовки исполнительной документации и регламентов по ремонту и устроению аварий и ЧС;
• Низкая осведомленность заказчиков (титулодеражтелей) о возможностях применения данной технологии;
• Низкий уровень культуры строительства ВОЛС-ВЛ, узкая специализация компаний, проводящих пусконаладочные работы.

Комплексное решение

Для устранения вышеперечисленных сдерживающих факторов, с целью развития энергетики и связи, повышения надежности строящихся ВОЛС-ВЛ, Новосибирской компанией «Глобал Оптика» в тесном сотрудничестве с Пермским заводом по производству оптического кабеля «Инкаб» было разработано и реализовано техническое решение по организации оптического канала связи в фазном проводе. Данное решение в полной мере отвечает ПУЭ, стандартам ФСК и полностью состоит из комплектующих отечественной разработки. Абсолютное большинство компонентов изготовлено на территории России. Теоретический расчет работоспособности произведен на базе институтов СО РАН с привлечением инженеров разработчиков и производителей арматуры. Техническое решение основано на широко применяемых элементах ВОЛС-ВЛ с доработками под специфику проектов.

Спроектированная муфта отвечает требованиям СТО ФСК ЕЭС и монтируется путем подвеса через гирлянду изоляторов на ту же траверсу, что и провод, с соблюдением ПУЭ (рис. 4). Муфта находится под напряжением и не является токонесущей. Основная токовая нагрузка идет через обводной шунт. Тупиковые муфты, на которых предполагается отпайка самонесущим кабелем, представляют из себя две оптические муфты, соединенные между собой проходным полимерным изолятором, подобранным в соответствии с проектируемым напряжением.

Для проверки соответствия муфт проведены испытания по методикам, изложенным в СТО 56947007- 33.180.10.176-2014.

В соответствии с техническими характеристиками кабеля и линии были подобраны спиральные зажимы, исключающие возможность повреждения оптических волокон и обеспечивающие необходимую прочность заделки. Зажимы состоят из двух U-образных силовых прядей с разным направлением повива.

Рис. 4. Эскиз поддерживающего крепления с концевой муфтой

Опыт применения

Пилотным проектом для новой технологии стал сложнейший объект — ВЛ 110/220 переход через реку Лену в районе Табагинского мыса под городом Якутск. Линия имеет две цепи грозозащиты, обе использованы операторами связи и реконструкции не подлежат.

Переход представляет собой масштабное инженерное сооружение, состоящее из 6 анкерных опор, расположенных в пойме реки Лена, 4 из них высотой 140 метров (рис. 5)

Рис. 5. Опоры ЛЭП перехода через Лену

Максимальное расстояние по свету 1700м, при этом перепад высот между этими опорами 105м. Минимальное расстояние между нижней точкой стрелы провиса и судовым габаритом 13 метров (рис. 6)

Рис. 6. ВЛ 110/220 переход через р. Лена с применением ОКФП

Общая протяженность перехода по сумме строительных длин — 5,5км. При реконструкции было задействовано 4 высококвалифицированных бригады и 19 единиц спецтехники.

Для замены был выбран провод правой цепи верхней траверсы. Особой сложностью в реализации данного проекта явилась необходимость монтажа муфт для сварки ОВ на опоре на высоте 133 метра (рис. 7)

Рис. 7. Монтаж муфты для ОКФП на опоре

Для соединения строительных длин было смонтировано 6 муфт: 4 проходных и две тупиковых. В процессе монтажа было сделано множество выводов по поводу улучшения технологий монтажа провода и муфт (рис. 8)

Рис. 8 Монтаж муфты для ОКФП

Этап проектирования, технических согласований, производства и поставки материалов: ноябрь-март 2016–2017 года.

Проведение работ по реконструкции: март-апрель 2017 года.

Линия встала под напряжение: 26.04.2017.

Столь сжатые сроки реализации проекта – это удачный пример слаженной работы заказчика, титулодержателя, подрядчиков, разработчиков и производителей материалов. Работы по шеф-монтажу и пуско-наладке были осложнены весенней распутицей и близостью ледохода (рис. 9.)

Рис. 9. Монтаж ОКФП

К примеру, время восхождения на опору для физически подготовленного человека составляло порядка 50 минут.

При изготовлении комплектующих для реализации проекта были применены преимущественно отечественные материалы и российский научный потенциал. Комплексный подход и единый надзор при построении данной линии позволили произвести высокотехнологичный продукт, который по праву может считаться отечественным, и полностью соответствует курсу импортозамещения.

Проекты ВОЛС с использованием кабеля типа ОКФП имеют большую актуальность и перспективы к внедрению и применению на объектах электроэнергетики.

На основе реализованного пилотного проекта, обладая уникальным техническим решением, компания «Глобал Оптика» предлагает структурным подразделениям ПАО “Россети” комплексную реализацию и полное сопровождение проектов ВОЛС на базе ОКФП:

• разработка общих технических решений, технического задания;
• проектирование;
• согласование со всеми службами;
• поставка материалов;
• генподрядные работы;
• шеф-монтаж;
• исполнительная документация;
• регламенты взаимодействия по устранению ЧС.