کاربرد فیبرهای نوری در خطوط فشار قوی
آزادسـازی انـرژی بـه آزادسـازی بازارهـای برقی اشـاره دارد كه از 20 سـال پیـش در اتحادیـه اروپا و از طریـق ایجـاد رقابـت بیشـتر بـرای ایجـاد بازارهـای رقابتی‌تـر و كاهش قیمـت كلید خـورد و توجهی خـاص بـه بازارهـای تولید برق داشـت. این فرآینـد در بازارهـای موازی نیز بـکار گرفته شـد. در محیط جدیـد آزادسـازی بازارهـای مخابـرات و انـرژی، زیرسـاخت آینـده بـا یک شـبکه الکتریکـی منحصربه فـرد كـه پوشـش دهنده نیازهـای نیروی بـرق و همچنیـن خدمات مخابراتی اسـت، شـکل می گیـرد. در ایـن بـازار یکپارچـه، كابل هـای فیبرنوری نقـش بسـیار مهمی را بـازی می‌كننـد. در این مقاله، بررسـی اجمالـی بـر روی انـواع كابل‌هـای مخابراتـی فیبرنـوری كـه قابـل بکارگیـری در خطوط برق فشـارقوی هسـتند، انجـام شـده و سـیم زمیـن بـا فیبرنـوری OPGW ، كابل متصـل بـا فیبرنـوری OPAC و كابـل مهـاردار تمـام عایـق ADSS برای خطـوط هوایی و نیـز کاربرد فیبرهای نوری در خطوط فشار قوی زیرزمینـی و زیردریایی، شـرح داده شـده اسـت. پارامترهـای الکتریکی و مکانیکـی به همراه مسـائل مربـوط بـه در دسـترس بـودن و قابلیـت اطمینـان آنهـا مورد بحـث قـرار گرفتـه و در تركیب با موضوعـات محیطـی، مالـی و ارزیابـی چرخة عمـر، می‌توان نوع مناسـب بـرای هر مـورد را انتخـاب نمود.
کاربرد فیبرهای نوری در خطوط فشار قوی
شــرکت‌های نيرو برای الزامــات عملياتی و اجرايــی خود، نيازمند شــبکه‌های کوچک برقی هســتند. طرح‌های جديــد توليد برق به صورت توزيع شــده (يا پراکنده) از توليدکننــدگان برق در مقياس کوچــک، (مانند منابع انــرژی تجديدپذير) بــه افزايش پيچيدگی شــبکه‌های برق منجر شده اســت. با توجه به افزايش کاربرد آن ها نظارت و کنترل نيز امری ضروری اســت. حذف مقررات دســت و پاگير در صنعت برق و افزايش انعطاف پذيری شــرکت‌های نيرو، در اتخاذ تکنولوژی‌ها و روش‌های جديد، می‌تواند هزينه‌های عملياتی را کاهــش داده و عملکرد تجاری آن ها را بهبود بخشــد. بنابراين، طرح‌هــای پيچيده‌تر و کارآمدتری برای کنتــرل، حفاظت، نظارت، اندازه گيری و کسب اطلاعات در نظر گرفته می‌شوند. امروزه، برای شــرکت‌های نيرو ايجاد زيرساخت‌های مخابراتی که خدمات عملياتی و تجاری را ادغام کند، يک ضرورت است.
بسياری از شرکتهای نيرو با توجه به نيازهای خود مجبور به سرمايه گذاری در طرح های مخابراتی جديد هستند تا زيرساختی مطمئن را به دست آورند که بتواند برای چشم اندازهای تجاری جديد نيز ايجاد نمايد. به همين دليل، شرکتهای نيرو بايد به بازار جديد، يعنی مخابرات ورود نمايند تا در اين بازاری که به ســرعت در حال رشــد است، سهمی داشته باشند. علاوه براين، پيش بينی می‌شــود که شبکە برق در آينده، هم انرژی و هم اطلاعات را توزيع کند و هم نياز نيروی الکتريســيته و هم نياز به خدمات مخابراتی را پوشــش دهد. انتظار می‌رود که در ايجاد زيرساخت جديد اين بازار متحد، کابل‌های فيبرنوری نقش مهمی را ايفا کنند. انگيزه‌های مهمی برای شرکتهای نيرو برای ورود به بازار مخابرات وجود دارد. از مهم‌ترين آن‌ها عبارتند از:
- فرآيند آزادسازی همزمان بازارهای برق و مخابرات
- وجود مشتريان انبوه که از قبل به شبکۀ برق متصل شده اند
- افزايش نيازهای مخابراتی که برای ظرفيت بيشــتر و فرصت های جديد، نيازمند تکنولوژی فيبرنوری هستند.
با تکيه بر آخرين پيشرفت‌های فناوری در صنعت فيبرنوری می توان راه حل هايی را برای بکارگيری آن‌ها در خطوط برق فشارقوی AC ارائه نمود تا بتوانند ايمنی، هزينه و کيفيت، انتظارات ضروری حوزه نيرو و همچنين خدمات مخابراتی را برآورده کنند. در ادامه به بررسی راه حل‌های فنــی مربوط به تکنولوژی فيبرنــوری در حوزه خطوط فشارقوی AC ،پرداخت خواهد شد.
کابل های نوری درخطوط فشارقوی AC
امروزه، مطمئن‌ترين محيط اصلی انتقال اطلاعات، فيبرنوری است. پيشــرفت در تکنولوژی فيبرنوری در سراسر جهان (که بسيار بيشتر از حدی است که تخمين زده می شود) مزايای زيادی را ايجاد کرده اســت. در مقايســه با روش‌های مبتنی بر سيم مسی، کواکسيال و همچنين لينک‌های راديويی، مزيتهای اصلی انتقال نوری که آن را به عنوان بهترين انتخاب شبکه های نيرو قرار داده، موارد زير است:
- پهنای باند بالقوه بسيار زياد
- افت انتقال پايين
- اندازه کوچک و وزن سبک
- امنيت سيگنال
- عايق الکتريکی
- مصونيت در برابر تداخل و هم شنوايی
خطوط فشــارقوی AC از هادی های هوايی، کابل های زيردريايی و زيرزمينی تشکيل شــده اند. بنابراين، تکنولوژی های فيبرنوری در خطوط فشارقوی AC عبارتند از:
کابل های فيبرنوری برای خطوط هوايی فشار قوی
فيبرنوری گنجانده شده در کابل های زيردريايی
کابل های ترکيبی برق و فيبرنوری زيرزمينی
خطوط هوايی نمايانگر سيســتم اصلی زيرســاخت شــرکت‌های نيرو هســتند، در حالی که کابل‌هــای زيردريايی و زيرزمينی، طيف تکنولوژی‌های در دســترس را، به خصوص در نقاط انتهايی شبکۀ سراسری تکميل می نمايند.
خطوط هوایی
از ميان انواع کابل های مناســب برای استفاده در خطوط فشار قوی می‌توان به موارد زير اشاره نمود:
- سيم زمين با فيبر نوری OPGW
- کابل متصل نوری OPAC
- کابل مهاردار (خودنگهدار) تمام عايق ADSS
سیم زمین با فیبر نوری OPGW
يک رسانای ترکيبی اســت که در آن فيبرهای نوری با ســيم زمين همزيستی می‌کنند. اجزای نوری درون رشته‌های سيم زمين قرار دارند. کابل OPGW ســيم زمين ســنتی را جايگزين کرده و کامال مهاردار است. پس از نصب، OPGW عملکردی دوگانه خواهد داشــت، يعنی سيم زمين اســتاندارد با قابليت‌های مخابراتی. به ســبب ســاختارها و اشکال متفاوت يونيت فيبرنوری مورد استفاده در اين ساختار، انواع مختلفی بــرای انتخاب وجود دارند که می‌توان از نوع لوزتيوب و يا نوع بافر چســبيده، لوله‌های فلزی يا پلاستیکی و تيوب‌های استرند شده و يا با تيوب مرکزی، که عملکردهای اندک متفاوتی دارند، نام برد.
كابل متصل نوری OPAC
درکابل متصل با فيبرنوری، کابل مخابراتی، مجزا از هادی فشــارقوی است. در اين روش کابل فشار قوی، کابل فيبرنوری را که بر روی آن متصل شده است، حمل می‌کند. اين تکنولوژی، از وســايل مناسبی برای استقرار کابل نوری در طول يک مســير خط نيرو بهره می‌برد. سه نوع مختلف اتصال را می توان در اين روش دسته بندی نمود:
- استفاده از بست های پيش نصب شده
- کابل های مارپيچ شده
- تسمه بندی کابل‌ها، دارای ســايز کوچک و تمام دی الکتريــک و انعطاف پذير هستند.
متداول‌ترين نوع کابل‌ها يعنی کابل فيبرنوری مارپيــچ به دور ســيم زمين يا هــادی فاز و همچنيــن يک کابل تســمه بندی شده نشــان داده شــده‌اند. از آنجا که هادی فلزی در جايی که پيچيده شــده اســت، آن ها را حمل می‌کند، الزامی برای داشــتن مقاومت کششی قابل توجه در کابل نوری وجود ندارد. انواع مختلفی از لایه‌های پوششــی ممکن اســت برای مقاومت در برابر حملە پرندگان و ميدان‌های الکتريکی القاء شده توسط رساناهای فاز مورد استفاده قرار بگيرند
عایق تمام مهاردار (ADSS)
کابل‌های مهاردار به گونه‌ای بر روی ســازه دکل‌های خطوط انتقال قرار داده می‌شــوند که از رســاناها جدا بوده و مســيرهای ارتباطی مســتقلی را فراهم کنند. برای اين منظور، ســازه‌های سيستم برق بايد مقاوم و ايمن باشــند تا از بار اضافی پشتيبانی کنند. از آنجايی که ايــن نوع کابل، فاقد عناصر فلزی اســت، نخ‌هــای پليمری از جنس الياف آراميــد يا عنصر مقاوم پليمری تقويت شــده با الياف (FRP )Plastic Reinforced Polymer ،عملکرد مکانيکی آن را تا حد مقاومت کششــی تضمين می‌کنند. در طراحی نشان داده شده نمونه‌ای از يک کابل ADSS را مشاهده می‌شود.
كابل های زیردریایی
از کابل‌های زيردريايی، برای عبور از درياچه‌ها و رودخانه‌ها، عبور از عرض بنادر و يا بين خشــکی‌ها برای اتصال شبکە جزاير به شبکە اصلی برق اســتفاده می‌شود و گاهی اوقات ميزان زيادی ترافيک را حمل می‌کنند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، جهت پيشگيری از خساراتی که ممکن است توسط لنگر کشتی‌ها، تورهای ماهيگيری، فشــار آب دريا و غيره ايجاد شــود، کابل‌ها با لایه‌های محافظ مانند لایه‌های زره پوش سيم فولادی و پوشش‌های قيری ساخته می‌شــوند.
روکش‌های غلاف سربی، کابل‌های زيرآب را به گونه‌ای عايق بندی می‌کنند که به طور کامل جلوی نفوذ رطوبت را بگيرند. در کابل‌های ترکيبــی، لوله‌هايی حاوی حداکثر 48 فيبر در فضای بين فازهای هادی قــرار می‌گيرند و برای انتقال اطلاعات از طول موج 1550 نانومتر اســتفاده می‌شــود. ايــن کابل‌ها برای کاربردهای ولتاژ متوســط استفاده می‌شــوند و در طول يکپارچه تا 90 کيلومتر در دسترس هستند.
كابل‌های زیرزمینی کابل‌های زيرزمينی معمولا در داخل شــهرها و يا در نقاط انتهايی خطوط هوايی که شــامل آخرين لينک‌ها به ايســتگاه‌های فرعی هستند، اســتفاده می‌شوند. کابل‌های زيرزمينی يا مستقيما در زمين دفن می‌شوند و يا در مجاری لوله‌های آب يا ناودان‌های موجود قرار می‌گيرند. از آنجا که زيرزمين در معرض آســيب‌های زيادی است، در مراحل ســاخت و نصب، حفاظت ويژه‌ای نياز اســت. المان‌های قدرتی کابل، فلزی يــا دی الکتريک بوده و متداول‌ترين انواع آن‌ها شامل زره ســيم فولادی، آراميد، FRP و نوارهای فولادی موج دار (يا کروگيت) درون کابل است. نوارهای فولادی به کار رفته آن را در برابر رطوبت و جوندگان نيز محافظت می‌کنند. علاوه براين، از چند لایه مسدودکننده رطوبت جهت محافظت، در برابر نفوذ آب استفاده می‌شــود. برای اين منظور، از ژله‌های نفتی، گريس و ترکيباتی که متورم شــده و رطوبت را جذب می‌کنند، استفاده می‌شود. همانطور که در شــکل نشان داده شده است، برای محافظت در برابر حملە موريانه و جوندگان، به ترتيــب از ژاکت‌های مخصوص و نوارهای فولادی يا برنجی اســتفاده می‌شــود. در مناطقی که امکان وجود صاعقه بالاست، توصيه می‌شــود که جهت جلوگيری از خسارات جريان‌های القايی، از عناصر غيرفلزی استفاده شود.
انتخاب تکنولوژی فیبرنوری مناسب برای کاربردهای خطوط برق فشار قوی هر خط برق فشــارقوی، دارای خصوصيات ساختمانی، الکتريکی و محيطی مخصوص به خود است. انتخاب نوع مناسب کابل فيبرنوری برای هر خط نيرو، يک روند پيچيده است. پارامترهای اصلی که بايد در نصــب يک کابل نوری برای يک کاربــری به خصوص در نظر گرفته شود، به ترتيب زير است:
- پارامترهای الکتريکی خط نيرو مانند ولتاژ اســمی، سطح جريان اتصــال کوتاه، زمان تصحيح خطــا و محافظت برای يک اتصال کوتاه به زمين، امپدانس خط، ولتاژ القايی احتمالی و…
- پارامترهای مکانيکی خط نيرو مانند شرايط مکانيکی رساناها، لزوم تحمل بار اضافی و زيرساخت پشتيبانی آن ها، پيکربندی قطب‌ها، دکل‌ها و نقاط تعليق، حداکثر مقاومت در برابر اثرات فشــارهای مکانيکی و…
- ويژگی‌های انتقالی فيبرنوری مانند پهنای باند، تضعيف، پراکندگی و …
- مســائل محيطی مانند طيف دمايی، ريسک صاعقه، سرعت باد، تابش خورشيد، محيط اطراف و سازگاری الکترومغناطيسی
- پارامترهای مالی علاوه بر هزينۀ اوليه، شــامل هزينۀ نگهداری و ارزيابی چرخۀ عمر
شايان ذکر است که شرکتهای نيرو به استفاده از فقط يک نوع کابل نوری خاص محدود نيستند. در برخی موارد، به خصوص هنگامی که شبکه به تدريج گسترش می‌يابد، مانند مواردی که فيبرنوری بر روی يک سيستم حفاظتی قرار می‌گيرد، انواع مختلفی از کابل‌های نوری در يک شبکه قابل اســتفاده‌اند. به هر صورت، کابل‌های فيبرنوری و اتصالات مرتبط آن‌ها بايد آزموده شــوند تا با استانداردهای تعيين شده، مطابقت داشته باشــند و يکپارچگی و اتصال کابل‌ها در تمام طول مدت زمان پيش بينی شده حياتشان حفظ شود.
بحث و نتیجه گیری
بررســی مختصری بر روی انواع کابل‌های مخابراتی فيبرنوری که قابل بکارگيری در خطوط نيروی فشــارقوی هستند، ارائه شد. سيم زمين با فيبر نوری (OPGW) ،کابل متصل نوری (OPAC )و کابل خود نگهدار تمام عايــق (ADSS )برای کاربری خطوط هوايی نيرو بررسی شدند. علاوه برآن، بکارگيری فيبرنوری در ساخت کابل برق فشارقوی زيرزمينی و زيردريايی شرح داده شد. تمام کابل‌های فوق دارای مشــخصات نوری، عملکرد و شــرايط عملياتــی متفاوتی هســتند و می‌توانند در محيط‌هــای گوناگونی پياده سازی شوند، اما همه آن‌ها برای پاسخگويی به الزامات خدمات مخابراتی با قابليت دسترســی و اطمينان فراوان، ســاخته شده‌اند.
پارامترهای الکتريکی و مکانيکی شــبکه نيرو و مســائل محيطی و مالی، به علاوه ارزيابی چرخه عمر آن‌ها، تعيين کننده انتخاب نوع مناسب برای هر مورد است. فرآيند آزادســازی بازارهای انرژی و مخابــرات، چهارچوبی را ارائه می‌دهد که در آن يک حالت زيرســاختی جديد تدوين شود. در اين زيرســاخت آينده، يک شــبکە برق منحصربه فرد، هم انرژی و هم اطلاعات را انتقال داده و نيازهای موجــود در حيطۀ نيروی برق و خدمات مخابراتی را پوشش خواهد داد. در اين بازار متحد، کابل‌های فيبرنوری نقش بسيار مهمی را در ايجاد زيرساخت جديد شبکه برق، ايفا خواهند نمود.
