DE3225228C2 - Lichtleiter-Freileitungskabel mit einem Bündel verseilter elektrischer Leiter und Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Description

Claims

DE3225228C2

Publication number: DE3225228C2
Application number: DE3225228A
Authority: DE
Inventors: Yasunori Yokohama Kanagawa Saito
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1981-07-07
Filing date: 1982-07-06
Publication date: 1986-10-02
Also published as: IT1149001B; DE3225228A1; GB2105059B; JPS587607A; HK48286A; ZA824643B; IT8248755A0; US4793686A; KR840000809A; GB2105059A; CA1194714A

Ein geschichtetes Lichtfaser-Freileitungskabel enthält ein Distanzelement, das mit spiralförmig verlaufenden Nuten ausgebildet ist, die mit einem galertartigen Material ausgefüllt sind und in die die Lichtfasern eingebettet werden. Eine Abdeckung oder eine Hülle umgibt das Distanzelement, um die innen liegenden Bauteile zu schützen.

Die Erfindung betrifft ein Freileitungskabel mit einem Bündel verseilter elektrischer Leiter und einem Lichtfasern enthaltenden Kabelelement.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Freileitungskabels.

Lichtleitfasern werden in jüngerer Zeit immer häufiger zur Nachrichtenübertragung verwendet, weil sie nicht nur eine große Datenübertragungsleistung haben, sondern weil sie auch frei von elektromagnetischer Induktion sind. Es ist daher möglich, Lichtleitfasern enthaltende Kabelelemente in oberirdischen Starkstromkabeln vorzusehen.

Ein Freileitungskabel mit einem Bündel verseilter elektrischer Leitungen und einem Lichtleitfasern enthaltenden Kabelelement ist z. B. aus der DE-AS 26 04 766 bekannt.

Dort ersetzt ein die Lichtleitfasern enthaltendes Kabelelement einen Leiter eines Überlandkabels.

Das die Lichtleitfasern enthaltende Kabelelement ist an der Peripherie der verseilten elektrischen Leiter

angeordnet und zusammen mit diesen Leitern zu einem gemeinsam verseilten Kabelbündel eingefaßt. I'm die Lichtleitfasern selbst zu schützen, sind diese über ein Isoliermaterial mit einer Metallumhüllung versehen, so daß der Durchmesser des die Lichtleitfasern enthaltenden Kabelelementes etwa dem Durchmesser eines elektrischen Leiters in dem Leiterbündel entspricht.

Da die Lichtleitfasern bei dieser bekannten Lösung unmittelbar an die Längenausdehnungen der elektrischen, miteinander verseilten Leiter gekoppelt sind, erfahren die Lichtleitfasern enorme Spannungen, wenn die bei t Überlandleitungen aufgrund von Temperatur, Witterung und sonstigen Einflüssen auftretenden starken Zugbe-

anspruchungen das Kabel dehnen. Da die Ausdehnungskoeffizienten der für die Lichtleitfasern verwendeten Materialien im allgemeinen wesentlich geringer als die von elektrischen Leitern sind, können die Lichtleitfasern die starken Dehnungen der verseilten Leiter nicht ohne erhebliche Beschädigungsgefahr aushalten. Diese erheblichen Beanspruchungen des Kabels, treten auch beispielsweise bei Dehnungen des Kabels während der \ Installation desselben und auch aufgrund des üblichen Durchhangs derartiger Freileitungskabel auf.

Aus der DE-AS 29 28 678 ist es prinzipiell bei optischen Kabeln bekannt, die Lichtleitfasern in Kammern eines sich in Kabellängsrichtung erstreckenden, tragenden Profilkörpers anzuordnen. Die Kammern sind nach außen durch eine Bespinnung abgedeckt und verhindern das Herausfallen der einzelnen Lichtleitfasern.

Aus der DE-OS 29 23 132 ist ebenfalls ein optisches Kabel bekannt, bei dem die Lichtleitfasern in wellenartig am Umfang eines Profilkörpers in Längsrichtung verlaufenden Nuten verlegt werden. Durch die Ausbildung der wellenförmigen Nuten sollen die Lichtleiter in Längsrichtung des Kabels ausreichend Spiel haben, so daß sie, ohne selbst eine starke Dehnung zu erfahren, sich auf durch Beanspruchungen hervorgerufene Längenveränderungen des Profilkörpers einzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Freileitungskabel und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, wobei die Lichtleitfasern des Freileitungskabels der eingangs genannten Art von mechanischen Beanspruchungen geschützt sind, die infolge von Dehnungen des Kabels bei Installation desselben, Durchhang des Kabels und unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen Leiter und der Lichtfasereinheit bei Temperaturänderungen auftreten.

Diese Aufgabe wird bei einem Freileitungskabel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die elektrischen Leiter auf das mittig angeordnete Kabelelement aufgeseilt sind, wobei dieses ein Distanzelement umfaßt, das spiralförmig verlaufende Nuten hat, in denen die Lichtleitfasern in der Nähe des Außenumfangs angeordnet sind und daß das Kabelelement eine Metallrohrabdeckung aufweist.

Das Verfahren zur Herstellung eines Freileitungskabels dieser Art ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Distanzelement mit spiralförmig verlaufenden Nuten in der Außenwandung vorgesehen wird, daß die Nuten mit

einem gelartigen Material gefüllt werden, und daß die Lichtleitfasern in das gelartige Material jeder Nut radial außen nahe am Abdeckungselement abgelegt werden.

Dadurch, daß das Kabelelement mit den Lichtleitfasern in der Mitte des elektrischen Leiters verlaufend angeordnet wird, wird schon ein gewisser Schutz der Lichtleitfasern bei den Beanspruchungen de* Freileitungskabels erzielt, weil das Kabelelement dann nicht die extremen Stauchungen auf der Innenseite des Durchhangs bzw. die extremen Dehnungen auf der Außenseite des Kabeldurchhangs erfahren.

Durch die Anordnung der Lichtleitfasern in der Nähe des AuPenumfangs von im Distanzelement spiralförmig verlaufenden Nuten werden den einzelnen Lichtleitfasern zusätzlich zu den möglichen Wegen in Längsrichtung auch noch beträchtliche radiale Spielräume eingeräumt, so daß bei der Beanspruchung des Freileitungskabels die Lichtleitfasern radial nach innen in den Nuten wandern können, so daß durch den hierdurch zur Verfügung gestellten weiteren Bewegungsfreiheitsgrad ein sehr wirksamer Schutz der Lichtleitfasern bei den genannten Beanspruchungen erhalten wird. Die Metallabdeckung schließlich dient nicht nur dem Schutz des Kabels vor äußeren Kräften (axiale Beanspruchungen, Reibungskräfte zwischen elektrischen Leitern und Distanzelement, Passionsbeanspruchungen des Distanzelementes), sondern verhindert auch das Eindringen von Feuchtigkeit in das Distanzelement Darüber hinaus sind die relativ weit außenliegenden Lichtleitfasern gleitbeweglich an der Innenfläche des Metallrohrs geführt

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Untei'ansprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Darin zeigen

F i g. 1 und 2 Schnittansichten eines Freileitungskabels, F i g. 3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens,

F i g. 4a bis 4e Schnittansichten des Freileitungskabels in den verschiedenen Herstellungsstufen und

F i g. 5a und 5b erläuternde schematische Ansichten zur Verdeutlichung eines Sammelwerkzeugs, wie es beim Verfahren gemäß F i g. 3 verwendet werden kann.

In F i g. 1 ist ein Freileitungskabel im Schnitt gezeigt. Ein Lichtleitfasern enthaltendes Kabelelement 2 ist längs

f der gemeinsamen Achse verseilter elektrischer Leiter 1 angeordnet Das Kabelelement 2 setzt sich aus einem

Distanzstück 2-1 mit spiralförmigen Nuten 2-2 in seinen Außenwandungen, einem Metallrohr 2-3, das die Außenwandung des Distanzelementes 2-1 bedeckt und aus den Lichtleitfasern 3 zusammen. Die spiralförmigen Nuten 2-2 sind mit einem galertartigen Material 4 ausgefüllt, das flüssig oder nahezu flüssig bei Raumtemperatur ist. Hierfür kommt beispielsweise eine wäßrige Lösung vor Petroleumgalerte, Polyisobutylen, nicht vernetzendes Silikonharz, Silikonöl oder Polyvinylalkohol in Frage.

Die Lichtleitfasern 3 befinden sich in den in das Distanzelement eingeschnittenen Nuten. Das Distanzelement wird von dem Metallrohr 2-3 bedeckt. Dadurch sind die Lichtleitfasern 3 gegen äußere Kräfte geschützt und im wesentlichen wasserdicht gepackt.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Nuten des Distanzelementes mit dem galertartigen Material gefüllt sind, ist das Freileitungskabel wirksam gegen das Eindringen von Wasser auch dann geschützt, wenn das Metallrohr beschädigt werden sollte.

Die Lichtleitfasern werden in den Nuten in unmittelbarer Nähe zur Außenwandung des Distanzelementes angeordnet. Dadurch sind sie über eine maximale Länge verlegt, und können so alle Dehnungen absorbieren, die auftreten, wenn das Freileitungskabel installiert wird.

Die F i g. 2 zeigt das Freileitungskabel nach einer bei der Installation erfolgten Dehnung.

Durch die bei der Installation auftretende Dehnung wandern die in die Nuten eingebetteten Lichtleitfasern von der äußeren Wandung im wesentlichen in radialer Richtung zu den Mittelpunkten der jeweiligen Nuten, wobei sie aber selbst nicht gedehnt werden. Die Absorption der Dehnung hängt vom Außendurchmesser D des Distanzelementes, der Nuttiefe h und der Spiralsteigung Fab. Die Absorption ist in der nachstehenden Tabelle 1, bezogen auf einen Außendurchmesser ei von 0,7 mm, für jede Lichtfaserlitze angegeben:

Bei dem zuvor beschriebenen Freileitungskabel werden die Nuten des Distanzelementes 2-1 mit einem galertartigen Material ausgefüllt.

Um zu erreichen, daß die Lichtleitfasern in der angegebenen Art möglichst nahe an der Außenwandung der Nuten abgelegt werden, können die Lichtleitfasern 3 bei der Herstellung mit einer größeren Vorschubkraft wie das Distanzelement auf diesem abgelegt werden. Durch die dadurch erhaltene Überlänge wird auch jede Zugbeanspruchung der Lichtleitfasern während der Montage vermieden.

Das Distanzelement 2-1 mit der Metallabdeckung 2-3 sorg; außerdem dafür, daß selbst bei einer geringen Stärke der Metallabdeckung 2-3 ein Kabelbruch nicht auftreten kann und daß das Kabel wasserdicht bleibt, auch ohne daß die Nuten mit dem galertartigen Material gefüllt sind.

Um die Stabilität der Lichtleitfasern in den Nuten zu verbessern, sollten die Nuten sich mit gleicher Größe von

der öffnung her oder aber sich nach innen hin erweiternd ausgebildet sein.

Die Metallrohrabdeckung 2-3 dient nicht nur zum Schutz des Kabels vor äußeren Kräften oder Feuchtigkeit, sondern dient auch zur Verbesserung der Temperaturkennwerte der Lichtleitfasern. Das Freileitungskabel ist häufig einer hohen Temperatur von einigen Hundert °C ausgesetzt, und zwar infolge von Induktionsströmen, von Blitzen oder von Kurzschlußströmen. Wenn der Wärmedehnungskoeffizient der Lichtleitfasern größer als jener des Distanzelementes ist, dann berühren die Lichtleitfasern die Innenwandung der Metallrohrabdeckung, wie das in Fig. 1 gezeigt ist, wenn die Temperatur zunimmt. Sie bewegen sich von der Metallrohrabdeckung weg (F i g. 2), wenn die Temperatur abnimmt. Wenn der Wärmedehnungskoeffizient der Lichtleitfasern kleiner als jener des Distanzelementes ist, befinden sich die Lichtfasern bei niedrigen Temperaturen in der in F i g. 1 gezeigten Lage (beispielsweise bei Nacht) und sie nehmen bei höheren Temperaturen die in F i g. 2 dargestellte fi Lage ein (beispielsweise bei Tage). Trotz der aufgrund der Wärmeeinwirkung erfolgenden Ausdehnung und des

Zusammenziehens der Lichtleitfasern werden sie jedoch nicht abgebogen, da die Kunststoffabdeckungen der Lichtleitfasern gleitbeweglich auf der Oberfläche des Metallrohres geführt werden. Dies führt auch dazu, daß die Obertragungsverlustschwankungen äußerst gering werden. Versuche haben bestätigt, daß sich die Fasern nicht gleichmäßig bei Temperaturänderungen bewegen können und sich dann starke Übertragungsverluste ergeben, wenn als Abdeckungsmaterial beispielsweise eine Bespannung zwischen den Distanzelement und einem Außenmantel verwendet wird.

Das Distanzelement selbst kann aus Metall oder einem Nicht-Metall bestehen. Um die Kennwerte der Lichtleitfasern stabil zu halten, ist es jedoch wünschenswert, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem das Distanzelement gefertigt wird, etwa gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallrohrs ist. Sowohl im Hinblick auf den Wärmedehnungskoeffizienten als auch im Hinblick auf die mechanische Festigkeit kann das Distanzelement beispielsweise aus Metallen wie Aluminium, Eisen oder Kupfer oder aber auch aus nicht-metallischem Material, wie faserverstärktem Kunststoff, bestehen.
Anhand von F i g. 3 wird nun das Herstellungsverfahren des Freileitungskabels erläutert. Das Distanzelement 2-1, in das spiralförmige Nuten eingeschnitten worden sind, wird von einem Aufgaberad 5 zugeführt. Das so zugeführte Distanzelement 2-1 wird durch eine Fülleinrichtung 6 für ein galertartiges Material geführt, so daß die Nuten 2-2 mit Petroleumgalerte 4 gefüllt werden. Dann werden die Lichtleitfasern 3 von Drehkäfigen zugeführt und in die Petroleumgalerte 4 in der Nähe der Öffnungen der Nuten eingebettet. In diesem Zustand wird das Distanzelement zu einer Metallrohrbedeckungseinrichtung überführt, in der dann das Distanzelement und die eingelegten Lichtleitfasern mit einem Metallrohr bedeckt werden. Das Metallrohr 2-3 wird auf übliche Weise unter Verwendung einer Formungseinrichtung 9 hergestellt. Die Formungseinrichtung 9 kann eine Stumpfstoßverbindung eines Metallbandes 8 zur Bildung eines stumpf gestoßenen Zylinders erzeugen. Der so gebildete Zylinder wird dann stumpf geschweißt. In F i g. 3 ist mit 10 eine Schweißelektrode bezeichnet.
F i g. 4 zeigt Schnittansichten des Kabelelementes mit den Lichtleitfasern in verschiedenen Stufen des Herstellungsverfahrens. F i g. 4a zeigt das Distanzelement in einem Punkt A der F i g. 3 unmittelbar nach der Fülleinrichtung 6. wobei bereits Petroleumgel 4 eingefüllt worden ist. Im Zustand der F i g. 4b wurden die Lichtleitfasern auf das Petroleumgel 4 an den Öffnungen der Nuten in Punkt B gelegt. Die F i g. 4c zeigt nun die Lichtleitfasern am Punkt Cunmittelbar nach dem Sammelwerkzeug 7. Fig.4d zeigt das Kabelelement einschließlich des Metallrohrs an einem Punkt D unmittelbar nach einer Kühleinrichtung 11. Fig.4e zeigt das Kabelelement an einem Punkt funmittelbar nach einer Einrichtung 12 zur Verminderung des Durchmessers, die vor einem Aufwickelrad 13 angeordnet ist Bei diesem Verfahren werden nach dem Einfüllen des Petroleumgels die Lichtleitfasern in den Nuten möglichst weit außen am Umfang des Distanzelementes eingebettet. Dann wird das Distanzelement mit dem Metallrohr bedeckt, und bildet so das Kabelelement. Das Verfahren erlaubt es, die Lichtleitfasern stabil und zwangsläufig in die Nuten in dem Distanzelement in den Nuten weit außen abzulegen.

Zur Herstellung der Metaüabdeckung muß nicht unbedingt ein Schweißverfahren verwendet werden. Es können andere übliche Rohrherstellungsverfahren, beispielsweise das Fließpreßverfahren, eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise ist das Sammelwerkzeug derart beschaffen (siehe F i g. 5a und 5b), daß es einen inneren Hohlraum 7-1 und einen Durchgang 7-2 hat, der sich von dem Hohlraum 7-1 nach außen erstreckt. Selbst wenn hierbei beim Einbetten der Lichtfasern in die Nuten das Petroleumgel teilweise aus den Nuten herausgedrückt wird, kann das herausgedrückte Petroleumgel abgetragen werden und das Eindringen der Lichtleitern in die Nuten kann ohne Beeinflussung durch überschüssiges Gel stattfinden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Tabelle 1 (P= 150 mm)

h (mm)
Absorption der Dehnung ε (⁰Zo)
2a²(D-h)(h-d)

Patentansprüche:

1. Freileitungskabel mit einem Bündel verseilter elektrischer Leiter und einem Lichtleitfasern enthaltenden Kabelelement, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (1) auf das wittig angeordnete Kabelelement aufgeseilt sind, wobei dieses ein Distanzelement (2-1) umfaßt, das spiralförmig verlaufende Nuten (2-2) hat, in denen die Lichtleitfasern (3) in der Nähe des Außenumfangs angeordnet sind und daß das Kabelelement eine Metallrohrabdeckung (2-3) aufweist

2. Freileitungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gelartiges Material (4) in den Nuten (2-2) eingefüllt ist.

ίο

3. Freileitungskabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gelartige Material (4) aus der

Gruppe gewählt ist, die Vaseline, Polyisobutylen, nicht vernetzenden Silikonharz, Silikonöl, Polyvinylalkohol umfaßt.

4. Freileitungskabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzelement (2-1) und die Abdeckung (2-3) etwa den gleichen Wärmedehnungskoeffizienten haben.

5. Verfahren zur Herstellung eines Freileitungskabels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Distanzelement mit spiralförmig verlaufenden Nuten in der Außenwandung vorgesehen wird, daß die Nuten mit einem gelartigen Material gefüllt werden, und daß die Lichtleitfasern in das gelartige Material jeder Nut radial außen nahe dem Abdeckungselement abgelegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern auf das gelartige Material gelegt und durch ein Formwerkzeug (7) in das gelartige Material eingedrückt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Abdeckungselement ein bandförmiges Metallblech aufgebracht wird, das zu einem Zylinder verschweißt wird.