آزمون های عملکردی کابل OPGW
امروزه، کابل OPGW بخش جدایی ناپذیری از شبکه انتقال همه شرکت‌های نیرو را تشکیل داده و جهت تضمین کارایی بهینه و محافظت از شبکه انتقال، استفاده می‌شود. این کابل به صورت یک کابل مرکب تعریف شده که به عنوان یک سیم زمین هوایی مرسوم، همراه با مزیت تأمین مخابرات فیبرنوری، عمل می‌کند. این حامل مخابرات نوری می‌تواند کاملا ازخط انتقال نیرو جدا تلقی شود.
تا در حالی که کابل، هدف مرسوم خود یعنی هدایت جریان‌های اتصال کوتاه به زمین و حفاظت از هادی‌ها در برابر اصابت رعد و برق را دنبال می‌کند، یک جریان درآمدی اضافی را نیز شکل دهد. با ملاحظات مناسب طراحی، کابل OPGW مورد اطمینان بودن خود در حفاظت از فیبرهای نوری در برابر فشارهای الکتریکی، مکانیکی و محیطی را ثابت کرده است.
آزمون های عملکردی کابل OPGW
با افزایش تقاضا برای انتقال اطلاعات بیشتر، مانند استفاده گسترده از اینترنت در سال‌های اخیر، کابل OPGW با تعداد فیبر بسیار بیشتر مورد نیاز است. استفاده از لوله‌های فولادی ضد زنگ به جای لوله‌های آلومینیومی مرسوم، در یک OPGW با چند تیوب قبلا مورد بررسی قرار گرفته و انجام شده است. کابل ترکیبی مورد نظر برای انجام آزمایش‌های مطرح در این مقاله، از یک لوله فولادی ضدزنگ حاوی فیبرها، شش سیم فولادی گالوانیزه و دوازده سیم آلومینیوم آلیاژی 6101-AA در لایه خارجـی، تشـکیل شـده اسـت.
مشخصات OPGW با تیوب فولادی
هـدف از انجـام ایـن آزمایـش، کنتـرل خـواص نـوری و تأییـد خواص مکانیکـی OPGW تحـت آزمایـش، تـا حـد نقطـه شکسـت اسـت.
نمونـه کابـل OPGW در دسـتگاه آزمایـش افقـی و هیدرولیکـی نصب شـد. یـک مبـدل جابه‌جایـی بـه کابـل متصـل شـد تـا افزایـش طـول کابـل بیشـتر از 8 متـر (طـول گیـج) را انـدازه بگیـرد. طول گیـج برای اندازه‌گیـری میرایـی طـول تحـت کشـش در نظـر گرفتـه می‌شـود. در ایـن آزمـون، اضافـه طـول کابل و سـیگنال خروجی از دسـتگاه‌های توانسـنج نـوری و کشـش کابل که توسـط لودسـل اندازه‌گیری شـده، بـا اسـتفاده از یک سیسـتم ثبـت اطلاعات دیجیتال، کنترل می‌شـوند.
پـس از تکمیـل آزمایـش، نتایـج مـورد بررسـی قـرار می‌گیـرد. اگـر در افزایـش طـول کابـل 0/45 درصـد، افزایش طـول فیبر بیشـتر از 0/01 درصـد باشـد و اگـر در 72 درصـد از RTS ،افزایـش تضغیـف فیبـر، در مقایسـه بـا مقـدار اندازه‌گیـری شـده قبـل از آزمایـش، بزرگتـر از 1dB/KM باشـد و یـا بعـد از انجـام آزمـون افزایـش دائمـی قابـل اندازه‌گیـری بزرگتـر از 0/021dB/KM در تضعیـف فیبـر وجـود داشـته باشـد، آزمایـش بایـد ناموفـق در نظـر گرفتـه شـود. برخـی از نتایـج آزمایش‌هـای تکمیـل شـده در اشـکال 2 و 3 ارایـه شـده‌اند.
امـروزه، کابـل OPGW بخـش جدایی ناپذیـری از شـبکه انتقـال همـه شـرکت‌های نیـرو را تشـکیل داده و جهـت تضمیـن کارایـی بهینـه و محافظـت از شـبکه انتقـال، اسـتفاده می‌شـود. ایـن کابـل بـه صورت یـک کابـل مرکـب تعریـف می‌شـود کـه بـه عنـوان یـک سـیم زمین هوایـی مرسـوم، همـراه بـا مزیـت تأمیـن مخابـرات فیبرنـوری، عمـل می‌کنـد. ایـن حامـل مخابرات نـوری می‌تواند کاملا از خط انتقـال نیرو جـدا تلقـی شـود تا در حالـی که کابل، هدف مرسـوم خـود یعنی هدایت جریان‌هـای اتصـال کوتـاه بـه زمیـن و حفاظـت از هادی‌هـا در برابـر اصابـت رعـد و بـرق را دنبـال می کنـد، یک جریـان درآمـدی اضافی را نیـز شـکل دهد. بـا ملاحظات مناسـب طراحـی، کابـل OPGW ،مورد اطمینـان بـودن خـود در حفاظـت از فیبرهای نـوری در برابر فشـارهای الکتریکـی، مکانیکـی و محیطـی را ثابـت کرده اسـت.
بـا افزایـش تقاضا برای انتقال اطلاعات بیشـتر، مانند اسـتفاده گسـترده از اینترنـت در سـال‌های اخیـر، کابـلOPGW بـا تعـداد فیبـر بسـیار بیشـتر مـورد نیاز اسـت. اسـتفاده از لوله‌هـای فولادی ضدزنـگ به جای لوله‌هـای آلومینیومـی مرسـوم، در یـک OPGW بـا چنـد تیـوب قبلا مـورد بررسـی قـرار گرفته و انجام شـده اسـت. کابل ترکیبـی مورد نظر بـرای انجـام آزمایش‌هـای مطـرح در ایـن مقالـه، از یک لولـه فولادی ضدزنـگ حـاوی فیبرها، شـش سـیم فولادی گالوانیزه و دوازده سـیم آلومینیوم آلیاژ 6101-AA در لایه خارجـی، تشـکیل شـده اسـت.
آزمایش فشار-کشش/فیبر-کشش
هـدف از انجـام ایـن آزمایـش، کنتـرل خـواص نـوری و تأییـد خواص مکانیکـی OPGW تحـت آزمایـش، تـا حـد نقطـه شکسـت اسـت. نمونـه کابـل OPGW در دسـتگاه آزمایـش افقـی و هیدرولیکـی نصب شـد. یـک مبـدل جابه‌جایـی بـه کابـل متصـل شـد تـا افزایـش طـول کابـل بیشـتر از 8 متـر (طـول گیـج) را انـدازه بگیـرد. طول گیـج برای اندازه‌گیـری میرایـی طـول تحـت کشـش در نظـر گرفتـه می‌شـود.
در ایـن آزمـون، اضافـه طـول کابل و سـیگنال خروجی از دسـتگاه‌های توانسـنج نـوری و کشـش کابل که توسـط لودسـل اندازه‌گیری شـده، بـا اسـتفاده از یک سیسـتم ثبـت اطالعـات دیجیتال، کنترل می‌شـوند.
پـس از تکمیـل آزمایـش، نتایـج مـورد بررسـی قـرار می‌گیـرد. اگـر در افزایـش طـول کابـل 0/45 درصـد، افزایش طـول فیبر بیشـتر از 0/01 درصـد باشـد و اگـر در 72 درصـد از RTS ،افزایـش تضغیـف فیبـر، در مقایسـه بـا مقـدار اندازه‌گیـری شـده قبـل از آزمایـش، بزرگتـر از 1dB/km باشـد و یـا بعـد از انجـام آزمـون افزایـش دائمـی قابـل اندازه‌گیـری بزرگتـر از 0/02dB/km در تضعیـف فیبـر وجـود داشـته باشـد، آزمایـش بایـد ناموفـق در نظـر گرفتـه شـود. برخـی از نتایـج آزمایش‌هـای تکمیـل شـده در اشـکال 2و3 ارایـه شـده‌اند.
آزمایش لرزش آئولین
هـدف از آزمایـش آئولین، سـنجش عملکرد خسـتگی کابل OPGW و خصوصیـات نـوری فیبرهای تحـت لرزش‌های معمول اسـت که دارای نوسـانات بـا فرکانـس بالا و دامنـه کـم است. آزمایش‌هـا مطابق IEC 60794-1-2 متد E19 و IEC 60794-4-1 انجام می‌شوند.
OPGW ابتـدا تـا 1795N تحـت فشـار قـرار گرفتـه و تضعیـف فیبـر در ایـن مرحلـه اندازه‌گیـری شـد. سـپس کشـش کابـل OPGW تـا۲۰ درصـد RTS کابـل افزایـش داده شـد. بـرای کابل مـورد آزمایش این مقـدار 17903N بوده اسـت. زاویـه قرارگیری کابل با قسـمت مهار آن، اندازه‌گیـری گردیـد. بـرای ایـن آزمایـش، فرکانـس لرزش هـدف کابل 5/54 هرتـز در نظـر گرفتـه شـد کـه فرکانـس تولیدشـده توسـط باد با سـرعت ۴/۵m/s اسـت. (بـه طـور مثـال، فرکانـس= 830 تقسـیم بـر قطـر OPGW برحسـب میلیمتـر) فرکانـس حقیقـی لـرزش، نزدیکتریـن رزونانـس سیسـتم بـه فرکانـس مزبـور بـود و پایـداری بهتـری بـرای سیسـتم فراهـم کـرد. در ایـن حـال دامنـه مـورد نظـر قلـه تـا قلـه ۵/۰۸ میلیمتـر و یـا یـک سـوم قطـر OPGW بـود. OPGW در معـرض 10 میلیـون چرخـه لـرزش قـرار گرفـت. اندازه‌گیری‌هـای نـوری تـا دو سـاعت پـس از تکمیـل چرخه‌هـای لـرزش، ادامـه داشـت.
نمونـه انتخـاب شـده ۳۰ متـر بود و هـر 24 فیبـر از قبل بـه هم جوش داده شـده بودنـد تـا طول کل 720 متـری فیبر (24 × 30 متـر) را ایجاد کننـد. نمونـه آزمایشـی فراتـر از هـر دو انتها محکم شـدند تـا فیبرهای نـوری در زمـان لرزش نسـبت به OPGW حرکـت نکنند. پـس از تکمیـل ده میلیـون چرخـه، تمامـی المان‌هـای کابـل از جملـه لوزتیـوب فیبرنـوری جـدا شـده و مـورد آزمایش چشـمی قـرار گرفتند.
هیـچ اثـر قابـل مشـاهده‌ای از شکسـتگی، تـرک، خرابی یـا تغییر رنگ در اجـزای تجزیـه شـده OPGW وجود نداشـت.
آزمایش گالوپینگ
هـدف آزمایش گالوپینگ ارزیابی عملکرد خسـتگی فیبرنوری سـیم زمین و خصوصیات نوری فیبرها تحت شـرایط با نوسـانات شـدید است. این نوسـانات معمولا دارای فرکانس کـم و دامنه بزرگ است. آزمایـش مطابـق بـا 1-4-60794 IEC انجام شـد. برای ایـن هـدف، یـک اندازه‌گیری نـوری ابتدایـی یک سـاعت پیش از آزمایـش، انجـام گرفت. تفاوت میان سـیگنال‌های منبـع و آزمایش بـرای اندازه‌گیـری ابتدایی، یک تفسـیر پایه اولیـه را فراهم می‌کند.
تغییـر در ایـن تفـاوت طی آزمایش، نشـان دهندۀ تغییـر در تضعیف فیبـر آزمایش بود. کابـل در معرض 100000 چرخـه گالوپینگ قرار گرفـت. دامنـه قلـه تـا قله در حـد کمینـه 0/8 متر یا یک بیسـت و پنجـم فاصلـه بیـن دو انتهـای کابل تحـت آزمون (به طـور مثال 20 متـر) انتخـاب گردیـد. اندازه‌گیری‌هـای نـوری تـا دو سـاعت پـس از تکمیـل آزمایـش گالوپینـگ انجـام می‌شـد. فرکانـس گالوپینـگ در ابتـدا و در طـول آزمایـش ۱ هرتزو بـدون هیچ گونه تغییـری بـود. دامنـه در محـدودة فعـال در حـد تقریبـی 0/9 متـر حفـظ می‌شـد.
کشـش کابـل در طـول گالوپینـگ بیـن 529N و 1432N در نوسـان بـود. پـس از تکمیـل 100000 چرخه، تمامـی المان‌های کابـل از جمله لوزتیـوب فیبرنـوری جـدا شـده و مـورد آزمایـش چشـمی قـرار گرفتند. هیـچ اثـر قابـل مشـاهده‌ای از شکسـتگی، تـرک، خرابی یـا تغییر رنگ در اجـزای تجزیـه شـده OPGW وجود نداشـت.
آزمایش اتصال کوتاه
هـدف آزمایـش اتصـال کوتاه، تأیید این مطلب اسـت کـه آیا OPGW می‌توانـد در برابـر اتصالات کوتاه مکـرر، بدون تعریـف الزامات اضافی نـوری، فیزیکـی یـا دمایـی، مقاومـت کنـد یـا خیـر. آزمایـش مطابق با 2-1-60794 IEC ،متـد H1 انجـام شـد. کابـل ابتـدا در معـرض دو مرتبه پالس کالیبراسـیون سـطح پایین و سـپس ده مرتبـه پالس جریان “رسـمی” قرار گرفت.
هـدف از اعمـال پالـس کالیبراسـیون، اطمینـان از صحت سـطح جریان بـود. برای مـوارد “رسـمی”، مقادیر هدف بـرای پارامترهـای الکتریکی کمینه، 109/5 kA2 بـه ایـن صـورت بـود: مقـدار انـرژی مـورد نظـر 1-s جریـان اتصـال کوتـاه 8/14کیلوآمپـر در مـدت زمـان 0/5 ثانیه.
جهـت اطمینـان از ثابـت بـودن سـیگنال‌های نـوری، دسـتگاه‌های اندازه‌گیـری تـوان نـوری حداقـل یـک سـاعت پیـش از اعمـال پالـس اول، روشـن شـده و عمـل می‌کردنـد. اندازه‌گیری‌هـای نـوری پیـش از اولیـن پالـس رسـمی، در صفـر نرمالسـازی شـدند. کابل‌هـا از لحاظ صدمـات احتمالـی ظاهـری بـرای بررسـی بازشـدگی هادی‌هـا دیگـر در طـول آزمایـش بررسـی شـدند. اطلاعات نـوری و دمایـی تا یـک سـاعت پـس از اعمـال پالـس دهـم، جمـع آوری شـدند. در ایـن مـدت، کابـل در دمـای 40 درجـه سـانتیگراد حفـظ می‌شـد.
مالک‌هـای پذیـرش محصول، تعیین شـده توسـط 2-1-60794 IEC ، متـد H1 ،در زیر خالصه شـده اسـت:
- دمـا درون تیـوب نـوری، بلافاصله پـس از پالـس جریـان، بایـد کمتـر از 180 درجـه سـانتیگراد باشـد. دمـای درون تیـوب نـوری توسـط ترموکوپـل اندازه‌گیـری شـود.
- افزایـش تضعیـف طـی آزمایش‌ها بایـد کمتر از 0/1dB/km باشـد. پـس از سـرد شـدن کابـل تـا دمـای 40 درجـه، نبایـد تغییـری در تضعیـف وجود داشـته باشـد.
- هیـچ گونـه birdcaging (بازشـدگی هـادی) غیرقابـل برگشـتی نبایـد وجـود داشـته باشـد. کابـل و سـخت افـزار بایـد پـس از آزمایـش تجزیـه و تشـریح شـده و از نظـر ظاهـری بـرای صدمـه در هـر انتهـای سیسـتم و نقطه میانی محدوده، بررسـی شـوند. هر بخـش قابـل تفکیـک کابل باید بررسـی شـود. هیچ گونـه اثری از birdcaging ،سـاییدگی بیـش از حـد، تغییـر رنگ، تغییرشـکل یا نشـانه‌های دیگـری از خرابـی نبایـد وجـود داشـته باشـد.
آزمایش های صاعقه
کاربـرد اصلـی OPGW در خطوط انتقـال، حفاظـت از هادی‌های هوایی در برابـر اصابـت صاعقه و کاربرد دوم آن، انتقال سـیگنال‌های اطلاعات و مخابـرات اسـت. انرژی بیش از انـدازه صاعقه عمومـا در لایه خارجی رسـانای OPGW جریان می‌یابد.
بـا ایـن وجـود، هنگامی کـه انـرژی از ابرها بـه یک رسـانای OPGW پـرش می‌کنـد، قسـمت کوچکـی از لایه خارجـی مسـتعد بیـش از حد گـرم شـدن اسـت. بنابرایـن، رسـانایی متریـال اسـتفاده شـده در یـک رسـانای OPGW، شـامل هر دو رسـانایی الکتریکی و گرمایـی، باید تا جـای ممکـن بالا باشـد. در غیـر این صـورت، ذوب نقطـه‌ای اتفاق افتـاده و نهایتا سـیم‌ها شکسـته می‌شـوند. ایـن اشـکال بـه اولیـن آزمایـش صاعقـه اشـاره دارنـد. در ایـن آزمایـش، نمونه‌هـای 2×10 متـری OPGW ، کـه بـه صـورت مـوازی و جهـت اندازه‌گیـری تضعیـف فیبرهـا و اثرات جریـان بیـش از حـد متصل شـده بودنـد، به علـت اصابت یـک صاعقه ناموفـق بودند.
آزمایـش در دامنـة 200A ،بـار الکتریکـی 100C و در مـدت زمـان 500ms انجـام شـد. اصلی‌تریـن محدودیـت پذیـرش، نگـه داشـتن افزایـش مقاومـت، پایین‌تـر از یـک تغییر 20 درصدی اسـت. این مشـابه شکسـتن سـه سـیم در لایه خارجی اسـت. اگرچه، در آزمایش اول 9 تا 10 سـیم شکسـته شـده بودند.
بـه ایـن ترتیـب، آلیـاژ آلومینیـوم 6101–AA در مرحلـه ریخته‌گری با AlB2 اصلاح شـده و سـپس رسـانایی سـیم‌ها از IACS % 5/52 بـه IACS % 58-57 افزایـش یافت. بنابراین آزمایش دوم توسـط سـیم‌های تغییریافتـه انجـام شـده و توسـط یـک طـول کوتـاه بسـته می‌شـود تـا قـوس بیـن سـیم‌ها رفع شـود. آزمایش دوم تمـام انتظـارات را به خوبی بـرآورده کـرد.
نتایج بدست آمده
پیـش از آنکـه یـک محصول OPGW جدیـد، تهیه و با ترکیبـی از مواد متفـاوت، بـه بـازار معرفی شـود، می‌بایسـت در معرض چندیـن آزمایش قـرار گیـرد تـا رفتـار الکتریکـی و مکانیکـی آن در شـرایط شبیه‌سـازی شـده مورد بررسـی قـرار گیـرد. در اینجـا، آزمایش‌هـای مهم مـورد نیاز بـر روی سـاختار کامپوزیـت OPGW انجـام شـدند. محصـول مـورد ِ آزمـون، بیشـتر ایـن آزمایش‌هـا را به خوبـی گذراند. امـا آزمایش صاعقه باعـث تخریـب کامـل آن گردیـد. بنابرایـن، سـاختار طراحـی و سـاخت کامپوزیـت می‌بایسـت تغییـر یافتـه و یـا مواد هـادی تشـکیل دهندۀ آن اصلاح شـود.
بحث و بررسی
طـرح و ســاختار اولیـه OPGW همـە آزمایــش‌های تعییـــن شـده بـه غیـر از آزمایـــش صاعقــه را بـه خوبــی گذرانـد. بـه عنـوان راه حـل، AlB و فازهـای اصلـی آلیـاژ AlB2 بـه داخـل مـذاب آلیـاژ 6101–AA) 3کیلوگرم به ازای هر تن) اضافه شـد. رسـانایی سـیم‌های 57-58 % IACS بـه 52/5 % IACSاز AA–6101 افزایـش یافت.
افزایـش در رسـانایی الکتریکـی همچنیـن سـبب افزایـش در رسـانایی گرمایـی می‌شـود. پـس از انجـام تغییر بالا، خصوصیات دیگـر از جمله اسـتحکام کششـی، افزایـش طـول، کشـش در ۱ درصـد افزایش طول و غیـره، ثابـت می‌ماننـد.
بـا اصلاح سـیم‌ها و کاهـش طـول رسـانا، یک نمونـه آزمایشـی جدید سـاخته شـد. سـپس یـک صاعقه اعمـال گردید. ایـن بار، نتایـج مطابق بـا انتظـارات و اسـتانداردهای بـه کار گرفتـه شـده در آزمایـش بـوده و محصـول تمـام آزمایش‌هـا را بـه خوبـی گذراند.
نتیجه گیری
در ایـن تحقیـق، طراحـی، سـاخت و اصلاح یـک رسـانای OPGW هوایـی بـا اسـتفاده از مـواد متفـاوت و بـا بررسـی رفتـار آن تحـت آزمایش‌هـای مختلـف، پیش از معرفی بـه بازارهای انـرژی و مخابرات، رایـه شـده اسـت. ایـن تحقیـق همچنیـن نشـان میدهـد کـه اصابت صاعقـه، دشـوارترین آزمایـش صـورت گرفتـه بـر روی کابـل اسـت. OPGW زمانـی می‌توانـد در برابـر اصابـت صاعقـه مقاومـت کنـد کـه سـیم‌ها محکـم بسـته شـده، طـول تـاب آنهـا کاهـش داده شـده و همچنیـن رسـانایی الکتریکـی آنها از طریق آغشـتن آلیـاژ آلومینیوم با AlB2 در یـک پروسـە ریخته‌گـری و در دمـای C°750 ،افزایـش داده شـده باشـد. آزمایـش اتصال کوتـاه انجام شـده بـر روی OPGW تنها روش تعییـن عملکـرد آن در هنـگام پدیـده صاعقـه نیسـت.
ترجمه: محمدعلی مساواتی، کارشناس ارشد مهندسی صنایع /کارشناس مهندسی برق و الکترونیک
