Cable óptico conectado

La tecnología de cable de fibra óptica envuelto se desarrolló de forma independiente en el Reino Unido y Japón a principios de la década de 1980. En el Reino Unido, Raychem Ltd tenía experiencia en materiales poliméricos con resistencia a entornos de alto voltaje ; utilizados, por ejemplo, en terminaciones de cables termorretráctiles de 33 kV y en aisladores de polímero . ^{[ 10 ]} El desarrollo inicial implicó un cable de fibra óptica totalmente dieléctrico con una cubierta hecha de material resistente al seguimiento. ^{[ 11 ]} La primera instalación se llevó a cabo en una línea de distribución aérea de 33 kV entre subestaciones en Hartley y Goudhurst en Kent , Reino Unido en diciembre de 1982. La elección de una línea de 33 kV indica el mercado esperado para la tecnología: construir redes de comunicación sobre líneas de distribución locales cuando se esperaba que las líneas de transmisión y subtransmisión estuvieran equipadas con OPGW. Durante los siguientes cinco años, se realizaron instalaciones en Noruega, Nueva Zelanda, EE. UU., India, Alemania, Francia y Finlandia, con un total aproximado de 180  km, tanto en instalaciones de cable de tierra como de conductor de fase , y en líneas de distribución y transmisión. Raychem vendió la tecnología de cable de fibra óptica envuelto a Cookson Group plc en 1987. Una filial de Cookson Group fue FOCAS Limited, que completó el trabajo de desarrollo y comercializó el producto como SkyWrap, suministrando más de 16 000  km a clientes en más de 30 países. FOCAS fue adquirida por AFL en 2000 ^{[ 8 ].}

En Japón, Furukawa Electric Company desarrolló un producto específicamente para su instalación en el cable de tierra de líneas de transmisión, lo que se reflejó en su nombre: cable óptico envuelto en cable de tierra. La primera instalación se realizó en 1985 en una línea de transmisión de 275 kV propiedad de Chubu Electric Power e incluyó un dispositivo de tracción controlado a distancia y un contrapeso autocompensante en la máquina de envoltura. ^{[ 12 ]} Ambas son tecnologías necesarias para una instalación exitosa de cables envueltos en el cable de tierra de líneas de transmisión de alta tensión de gran envergadura.

Para 1995, varias otras empresas habían entrado en el mercado de cables envueltos: ^{[ 13 ]} en Europa, British Insulated Callender's Cables (BICC) (en el Reino Unido) introdujo un producto llamado Fibwrap' y la filial de Alcatel , IKO Kabel de Suecia, comercializó GWWOP bajo licencia de Furukawa. En Japón, el desarrollo de GWWOP se había convertido en un esfuerzo conjunto que involucraba a Sumitomo Electric Industries , Hitachi Cables , ^{[ 14 ]} Furukawa Electric y Fujikura ^{[ 6 ]} y cada una de las 4 empresas suministraba sus propios sistemas de cables envueltos ligeramente diferentes a las empresas de servicios eléctricos en el mercado doméstico japonés. BICC también tenía una licencia de tecnología de Furukawa, pero llevó a cabo un extenso trabajo de desarrollo para que el producto fuera adecuado para el mercado europeo: BICC rediseñó el cable para usar tecnología de tubo suelto y así proporcionar un entorno de tensión cero para las fibras ópticas en todas las condiciones de operación de la línea aérea; la máquina de tracción y envoltura se rediseñó para reducir la carga total en el conductor durante el proceso de instalación. Esto incluía el uso de un tambor de cable de fibra de carbono ligero (pero muy costoso) para maximizar la longitud del cable con una carga útil fija. Al derivarse del sistema GWWOP, tanto el sistema BICC como el de Alcatel se limitaban a instalaciones de cable de tierra y no se realizaban instalaciones de conductores de fase .

^{A principios de la década de 2000, la empresa rusa Teralink [ 15 ]} desarrolló una novedosa tecnología de enrollado . La máquina de enrollado se autoequilibra gracias a que la carga útil del cable de fibra óptica se sostiene sobre dos tambores, uno a cada lado del conductor principal y, por lo tanto, a cada lado del eje de la máquina. El cable se desenrolla de un tambor durante 100-150 m, luego del otro, y así sucesivamente, alternando entre los tambores. El  desequilibrio de los tambores nunca supera los 2 kg, por lo que la máquina no requiere un sistema de contrapeso externo. Esto permite que la máquina sea más compacta que otros diseños de equipos de enrollado, y la carga útil representa una mayor proporción del peso total. Dos operarios pueden colocar manualmente la máquina con el tambor lleno de cable sobre el cable.

Una segunda empresa rusa, Scientific Innovations, introdujo a mediados de la década de 2000 un diseño más convencional de máquina de envoltura, con un único tambor de cable de fibra óptica y un brazo contrapesado. Existen varios registros de instalaciones exitosas que utilizan este equipo.

El desarrollo comercial definitivo de los sistemas de cable envuelto tuvo lugar en Francia alrededor de 2005, cuando RTE, la empresa nacional de transmisión de electricidad, comenzó a instalar cantidades sustanciales de cables de fibra óptica, incluidos OPGW y cables envueltos. Dos contratistas franceses, Transel (parte del grupo Bouygues ) y Omexom (una empresa de Vinci SA ), desarrollaron de forma independiente sus propios sistemas de cable envuelto (conocidos como câble optique enroulé (COE) en francés) para participar en este programa. Ninguno de los sistemas tenía otro nombre comercial que COE ni se comercializaba fuera de Francia. Ambos sistemas fueron retirados alrededor de 2010 después de haber instalado un total de aproximadamente 1000  km de cable envuelto para RTE.

El cable de fibra óptica envuelto debe proporcionar las siguientes características:

• Diámetro pequeño para tener el menor impacto posible en la carga de viento del conductor principal;
• Su diseño ligero permite mantener el peso total de la máquina de bobinado y la carga útil de cables lo más reducido posible.
• Cubierta exterior resistente para brindar protección contra los tipos de mecanismos de daño que se encuentran en las líneas aéreas: luz solar, lluvia, contaminación atmosférica, garras y picos de aves, perdigones de escopeta (los cazadores disparan a las aves que se posan o vuelan cerca de las líneas aéreas) y vibraciones inducidas por el viento .
• Se requiere un margen de tensión suficiente para proteger las fibras ópticas en los extremos del rango de temperatura de funcionamiento de la línea aérea : las bajas temperaturas nocturnas o invernales provocan la contracción del conductor principal, mientras que las altas temperaturas diurnas o estivales provocan su expansión. El diseño del cable óptico debe permitir que las fibras continúen transmitiendo datos en todo el rango de temperaturas diarias y estacionales. Los vientos fuertes y la acumulación de hielo provocan que los conductores se estiren aún más, lo que exige un alto margen de tensión en el diseño del cable de fibra óptica.

Estas características son exclusivas de OPAC y significan que los cables envueltos están diseñados y fabricados específicamente para esta aplicación: no se pueden utilizar cables de fibra óptica genéricos para instalaciones de cables envueltos.

Los requisitos de margen de tensión tienden a favorecer los diseños de cables que utilizan múltiples tubos sueltos. Los diseños de cables con amortiguación ajustada no proporcionan suficiente margen de tensión y el rendimiento de la transmisión de fibra óptica se ve comprometido bajo vientos fuertes, grandes acumulaciones de hielo y a altas temperaturas. En cables basados ​​en un diseño de tubo suelto único, las fibras ópticas tienen demasiada libertad de movimiento a lo largo del eje del cable. En consecuencia, la energía mecánica en forma de vibración inducida por el viento en el conductor principal hace que las fibras ópticas se muevan gradualmente "cuesta abajo", permitiendo que la longitud sobrante de fibra se acumule en el punto más bajo del tramo. Esta distribución desigual de la longitud sobrante de fibra compromete el rendimiento óptico del cable, con una mayor atenuación óptica a bajas temperaturas en las secciones de tubo relativamente congestionadas en el centro de los tramos y a altas temperaturas donde las fibras están sometidas a tensión en las secciones altas cerca de las torres. Estos problemas se agravan en tramos más largos.

La resistencia al calor es un aspecto importante del diseño de cables envueltos. Los conductores en líneas aéreas están sujetos a dos fuentes diferentes de fluctuaciones de temperatura severas: rayos y corrientes de falla . Los rayos producen un aumento grande y repentino de la temperatura del conductor (desde la temperatura ambiente hasta más de 200  °C en menos de 40 μs ), seguido de una disminución exponencial en decenas de segundos hasta volver a la temperatura ambiente. La cantidad de energía convertida en calor en un rayo puede ser suficiente para fundir varios hilos en un conductor multifilar. Las corrientes de falla tienden a producir tiempos de subida más largos ( ms en lugar de μs) a temperaturas algo más bajas (normalmente por debajo de 200  °C) y con un tiempo de caída más prolongado. Para soportar estas temperaturas, la cubierta de un cable de fibra óptica envuelto debe estar hecha de un material de alta temperatura o debe estar reticulada para evitar la fusión. Los proveedores realizan pruebas a sus cables para demostrar que pueden soportar varios rayos o episodios de corrientes de falla.

La maquinaria de instalación transporta un tambor de cable de fibra óptica a lo largo del conductor principal en la línea aérea, haciéndolo girar repetidamente alrededor del conductor. La máquina desenrolla el cable con una tensión controlada y lo enrolla alrededor del conductor principal con un paso helicoidal de aproximadamente 1 metro. La máquina de enrollado puede ser arrastrada manualmente con una cuerda desde el suelo o puede ser autopropulsada y controlada por radio. La energía motriz puede ser proporcionada por un motor de gasolina o un paquete de baterías. La unidad motriz puede estar integrada en la máquina de enrollado o ser una unidad separada. Las unidades separadas se denominan frecuentemente "remolcador" o "tirador" y tienen la ventaja de que dos piezas más pequeñas son más fáciles de manejar en la parte superior de una torre o poste que una sola pieza grande.

El diseño de los equipos de envoltura varía de un proveedor a otro, sin que exista consenso sobre el diseño ideal. Algunos proveedores ofrecen más de un tipo de máquina de envoltura, adaptada a diferentes clases de líneas aéreas. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

La limitación más importante en el diseño de la maquinaria de envoltura es el peso total combinado del equipo y la carga útil del cable. Este peso se aplica a la línea aérea durante la instalación de la envoltura, por lo que el conductor principal y sus soportes deben ser capaces de soportar la carga adicional durante el proceso. Una limitación típica es que la tensión en el conductor principal no debe aumentar a más del 50 % de su resistencia a la rotura nominal durante la instalación de la envoltura. También pueden aplicarse otras limitaciones, como las cargas de flexión en un brazo transversal o la carga en voladizo en un aislador de poste. Por lo general, cuando las instalaciones se realizan en condiciones climáticas favorables, las cargas en la línea aérea se encuentran dentro de los límites impuestos por las tolerancias para eventos climáticos extremos.

Este límite de peso bruto supone una limitación importante en el diseño de sistemas de cable enrollado, ya que restringe la longitud del cable óptico que se puede instalar en una sola pieza. Las longitudes mayores de cable añaden peso de tres maneras: el tambor es más pesado porque contiene más cable; el contrapeso es más pesado para equilibrar el tambor; y la máquina debe ser más grande y robusta para soportar las cargas adicionales y resistir las fuerzas que implica enrollar un tambor más pesado. Pequeños incrementos en la longitud del cable se vuelven significativos debido a este triple efecto.

El peso total de la máquina de instalación comprende: el tambor y el cable; el mecanismo de enrollado; la unidad motriz; el mecanismo de control de tensión y el sistema de contrapeso. Todos estos componentes son necesarios, pero algunos pueden combinarse para optimizar la eficiencia del diseño. Por ejemplo, los diseños que utilizan motores eléctricos suelen incorporar la batería como parte del sistema de contrapeso. Los contrapesos cumplen dos funciones principales: contrarrestar el momento de giro de la máquina de enrollado y equilibrar la carga del tambor.

El momento de giro surge porque la máquina de enrollado hace girar un pesado tambor de cable alrededor de su eje para enrollar el cable de fibra óptica sobre el conductor principal. Este movimiento se logra mediante una caja de engranajes que convierte el desplazamiento lineal de la máquina a lo largo del conductor en un movimiento de rotación del portatambor. La fuerza que ejerce el tambor al girar en una dirección (por ejemplo, en sentido horario alrededor del conductor) genera una fuerza resultante que actúa sobre la máquina en sentido opuesto, haciendo que la máquina gire sobre su propio eje (en sentido antihorario en este ejemplo). Si bien la fricción ejercida por la máquina al sujetar el conductor puede contrarrestar este efecto hasta cierto punto, en la práctica resulta insuficiente. La estabilidad requerida solo se consigue suspendiendo rígidamente un peso considerable debajo del conductor, desde la parte no giratoria de la máquina. La unidad motora es pesada, sujeta firmemente el conductor y, por lo tanto, se utiliza con frecuencia para proporcionar la estabilidad necesaria. En el caso de las máquinas de tracción por cable sin unidad motora, se utiliza un contrapeso adicional para lograr el mismo efecto.

Durante la operación de bobinado, el centro de rotación del equipo se sitúa a lo largo del eje del conductor principal.

La mayoría de las máquinas de enrollado llevan un solo tambor de cable en un lado y, por lo tanto, requieren un contrapeso en el lado opuesto para proporcionar estabilidad lateral. Como mínimo, el contrapeso es ajustable en cada poste o torre para compensar la disminución del peso de la carga útil al final de cada tramo. Los diseños más sofisticados de máquinas de enrollado cuentan con contrapesos de ajuste automático que mantienen el equilibrio a lo largo del tramo a medida que el tambor de cable se vuelve progresivamente más ligero. Esto se logra normalmente haciendo que el contrapeso se mueva hacia el eje de la máquina a medida que esta avanza. Estos dispositivos son esenciales para tramos de más de 250-300 m. Idealmente, el centro de gravedad de la parte giratoria de la máquina de enrollado debe estar siempre sobre el eje del conductor principal. El centro de gravedad de la máquina de enrollado completa siempre estará por debajo del eje del conductor principal.

Existen diseños de máquinas de bobinado autoequilibradas que utilizan dos tambores de cable, uno a cada lado del eje de la máquina: el dispositivo Teralink (ruso) dispensa un solo cable preenrollado en dos tambores. ^{[ 15 ]} La máquina AFL (Reino Unido/EE. UU.) puede configurarse para bobinar dos cables simultáneamente desde un par de tambores, con el fin de lograr el doble de la cantidad normal de fibras.

Los sistemas de cable envuelto incorporan varios componentes específicos necesarios para anclar el cable de fibra óptica al conductor, protegerlo al pasar por encima o alrededor de los postes y torres de la línea aérea, y controlar los efectos del campo eléctrico en las instalaciones sobre conductores de fase. Cada proveedor tiene sus propios diseños para estos componentes, por lo que no existe compatibilidad ni intercambiabilidad de los mismos entre los sistemas.

Existen dos variantes de sistemas de cable de fibra óptica envuelto para su instalación en líneas eléctricas aéreas: se diferencian en la naturaleza del conductor principal . Cuando el conductor principal es un conductor de fase , uno de los conductores que transportan la corriente eléctrica en la red eléctrica, se requiere un aislador de fase a tierra en cada punto donde el cable envuelto sale del conductor. El aislador de fase a tierra (PTG) es un dispositivo que proporciona aislamiento eléctrico a la vez que permite la continuidad óptica. Esto significa que se puede acceder al cable de fibra óptica y a las juntas de empalme en el lado de tierra del PTG y trabajar en ellas de forma segura, incluso si la línea aérea está energizada a la tensión máxima del sistema. El sistema más simple está diseñado para instalarse en el cable de tierra (también conocido como cable de tierra o cable de apantallamiento) de la línea aérea. Dado que los cables de tierra no están energizados durante el servicio, este tipo de instalación no requiere un aislador de fase a tierra.