ADSS 光ファイバー ケーブルは張力に耐えられますか?
ADSS 光ファイバー ケーブルは張力に耐えるように特別に設計されており、標準ケーブルはスパンの長さと設計仕様に応じて 4 ～ 50 キロニュートンをサポートします。ケーブルの引張強度は、内側と外側のシースの間に埋め込まれたアラミド繊維糸（ケブラーに似たもの）によってもたらされ、金属支持構造なしでもケーブルが最大 800 メートルのスパンにわたって自己支持することができます。-
これらのケーブルが張力にどのように対処するかを理解するには、設置張力 (展開中の一時的な力)、最大許容張力または MAT (ケーブルが耐えられる設計制限)、および動作張力 (通常の耐用期間中の平均力) の 3 つの異なる張力状態を調べる必要があります。ケーブルの信頼性を確保する上で、それぞれが異なる目的を果たします。
3 層テンション システム-
ADSS ケーブルは、ポール間の適切なたるみを維持しながら、内部の繊細な光ファイバーを保護する、慎重に計算された張力階層の下で動作します。
取り付け張力これは、通常、展開の引っ張り段階でケーブルが受ける最大の力を表します。{0}}設置ガイドラインでは、ほとんどの ADSS ケーブルでこれが 600 ポンドの力 (2,700 N) を超えないよう指定しています。これは、ケーブルの MAT 定格の約 50-70% に相当します。この控えめな制限が存在するのは、シーブの上を通過したり、高低差を通過したりするなど、設置中の動的な力によって、単純な引っ張り力の計算を超える応力集中が生じる可能性があるためです。{9}}
最大許容張力(MAT)最悪の環境条件（最大氷負荷、最大風速、予想最低気温が同時に発生する）におけるケーブルの設計閾値を定義します。- 100 メートル スパンのケーブルの場合、MAT は 2,700 N になる可能性がありますが、400 メートルのスパン用に設計されたケーブルの MAT 定格は 20,000 N を超える可能性があります。信号の減衰を防ぐために、MAT 条件下でのファイバーのひずみは、リボン設計では 0.05% 未満、中央チューブ構成では 0.1% 未満に保つ必要があります。
日常のデザインストレス (EDS)年間平均張力とも呼ばれる、-年間平均気温での無風条件で通常計算される長期作戦力-を表します。- EDS は疲労寿命と防振要件を決定し、通常は MAT の 15～25% で動作します。-
この 3 層システムにより、エンジニアはケーブルコストとパフォーマンスのバランスをとることができます。{0}設置張力だけを求めて過剰に構築すると、不必要に重くて高価なケーブルが作成されてしまいます。段階的なアプローチにより、安全マージンを維持しながら材料の使用を最適化します。
アラミド繊維が引張強度を生み出す仕組み
ADSS ケーブルの自己支持機能は、鋼と同等の引張強度を持ちながら重量が 5 分の 1 であるアラミド繊維糸-高性能-から生まれています。{3}} DuPont の Kevlar、Teijin の Twaron、Kolon の Heracron は、ケーブル製造で使用される一般的なブランドです。
これらのアラミド糸は、ケーブルの内側のシースの上、外側の保護ジャケットの下に螺旋状の層として適用されます。定格 10 kN のケーブルの場合、メーカーは、それぞれ dtex (10,000 メートルのグラム単位の重さ) で指定された 24 ～ 48 本の個別の糸の束を使用する場合があります。一般的なデニール評価には、1,610 dtex、3,200 dtex、8,400 dtex などがあります。-数値が大きいほど、糸が太くて丈夫であることを示します。
アラミド層の主な特性は次のとおりです。
引張弾性率70 ～ 112 GPa (ギガパスカル)、負荷時の剛性を提供
破断伸び4% 未満、つまり故障するまでの最小限のストレッチを意味します
温度安定性-40 度から +70 度まで、大幅な強度低下なし
誘電特性、高電圧環境にとって重要なゼロ導電率を維持します。{0}
ケーブルメーカーは、スパン長、1 メートルあたりのケーブル重量、および予想される天候負荷を使用して、必要なアラミド糸の量を計算します。氷が大量に蓄積する地域の 200 メートルのスパンでは、穏やかな気候の同じスパンよりも 30 ～ 40% 多くのアラミド糸が必要になる可能性があり、ケーブルの直径とコストに直接影響します。
ADSS 光ファイバーケーブルの張力が危険になったとき
ADSS 光ファイバー ケーブルは、世界中の公共施設を悩ませている張力に関連した 2 つの主な故障メカニズム、つまり風振動と設置損傷に直面しています。{0}}
エオリアン振動安定した風がケーブルに対して垂直に流れ、ケーブルの上面と下面に交互の渦が発生するときに発生します。これらの渦は、3 ～ 150 Hz の周波数で振動揚力を生成します。 ADSS ケーブルは比較的質量が小さく、張力が高く、内部減衰が最小限であるため、150 メートルを超えるスパンでは特にこの現象の影響を受けやすくなります。
振動の振幅は小さいように見えますが、{0}}多くの場合、ケーブル直径の 0.5 ～ 2 倍-ですが、ケーブルがサスペンション クランプに入る支持点では、これらの振動により周期的な曲げ応力が発生します。数か月または数年にわたって、この応力集中により外側のジャケットが摩耗し、アラミド層が損傷し、最終的にはストランドの切断が発生する可能性があります。現場での故障は、適切な減衰を行わずに強風の廊下でたった 6-12 か月後に発生したことが記録されています。
スパイラル バイブレーション ダンパー（SVD）は、ケーブルをグリップし、材料のヒステリシスを通じて振動エネルギーを消散する柔軟なロッドを解決します。{0}通常、各サスペンション ポイントから 0.5-1.0 メートルの位置にダンパーを適切に配置すると、振動振幅を 60 ～ 80% 低減できます。しかし、Karady らの研究では、不適切に設計されたダンパーが別の故障モードであるドライバンド アーク放電を実際に悪化させる可能性があることを明らかにしました。
設置上の損傷より差し迫った脅威を表します。取り付け張力の制限を-たとえ一時的にでも-超えると、アラミド糸が永久変形したり、光ファイバーに微小な曲がりが生じたりする可能性があります。 2011 年の研究では、設置中に 0.3% を超えるファイバーの歪みがあると、張力が解放された後でも測定可能な信号損失が発生することが判明し、これはグラスファイバー自体の塑性変形を示唆しています。
展開中のケーブルのねじれにより、さらに微妙な損傷が発生します。引っ張り中にケーブルが 100 メートルあたり 1 回転を超えて回転すると、アラミド糸にらせん状の応力パターンが発生し、有効引張強度が 15-30% 減少します。これは、取り付け手順で、ねじれの蓄積を防ぐために、牽引ラインとケーブル グリップの間にスイベル回転コネクタを使用することが義務付けられている理由を説明しています。
吊り下げられたケーブルにかかる環境の力
ADSS ケーブルが耐えなければならない張力は気象条件によって大幅に変化するため、設計時に高度な工学計算が必要になります。
氷の積載氷雨が降った場合、ケーブルの重量が 300-500% 増加する可能性があります。直径 12 mm、重さ 0.22 kg/m の 200 メートル スパンは、放射状の氷を 6 mm 支える可能性があり、裸のケーブル重量の 8 倍以上となる 1.8 kg/m が追加されます。この追加の質量により、サポート ポイントでのケーブルのたるみと張力が直接増加します。メーカーは設置地域に基づいて氷の厚さの想定（通常は0～25mm）を指定していますが、予想外の激しい氷嵐に見舞われた地域では計算ミスにより多数の故障が発生しています。
風圧F=0.613 × V² × D × L (ここで、F は力 (ニュートン)、V は風速 (m/s)、D はケーブル直径 (メートル)、L はスパン長 (メートル) に従います。風速 40 m/s (90 mph) では、15 mm ケーブルはスパン 1 メートルあたり約 37 N の力を受けます。 300 メートルのスパンでは、これは 11,100 N の横力に相当し、垂直力と水平力の成分間のピタゴラスの関係によって追加の張力が生じます。
の複合積載シナリオ-最大の風と最大の氷-により、最悪の設計条件が作成されます。-ただし、これらが同時に発生することはほとんどありません。氷は通常、穏やかな条件で形成されますが、強風では氷の蓄積が流される傾向があります。 NESC (国家電気安全規定) などの規格は、さまざまな地域の設計の組み合わせを定義する統計的負荷地区を提供します。
温度効果は別の次元を加えます。アラミド糸は、ほとんどの素材とは異なり、負の熱膨張係数を持っています (加熱すると収縮します)。温度が 30 度上昇すると、ケーブルの長さが 0.3% (0.03%) 減少する可能性があります。これは、500- メートルのスパンで 15 cm の収縮に相当し、ケーブルの弾性率に応じて張力が 8 ～ 12% 増加する可能性があります。
ドライ-バンドアーク放電の脅威
直接的な機械的張力の故障ではありませんが、ドライバンド アーク放電は、電気環境と機械的応力との間の重要な相互作用を表しており、注意が必要です。{0}
高圧送電線（110 kV 以上）に敷設された ADSS ケーブルは、相導体との容量結合を受けます。{0}汚染された環境では、-特に塩水噴霧のある沿岸地域や工業地帯-では、空気中の汚染物質が霧や小雨に濡れるとケーブル表面に導電層を形成します。
この層が不均一に乾燥すると、通常は接地された支持構造の近くで、高抵抗の「ドライ バンド」が形成されます。{0}これらのドライバンド全体の電圧降下は 7-14 kV に達する可能性があり、これは電気アークを発生させるのに十分です。これらのアークは、-電流がわずか 2 ～ 5 mA であるにもかかわらず、局所的な箇所で 2,000 度を超える温度を生成し、ポリエチレン ジャケットを劣化させます。
アリゾナ州立大学の研究では、アークを繰り返すと炭化トラックが生成され、そのトラックが徐々に深くなり、電圧レベルに応じて 65- 330 サイクル以内にアラミド強度部材層に到達することがわかりました。アラミドが露出すると、その誘電特性が低下し、機械的強度が急激に低下します。汚染のひどい 220 kV 送電線では 2 ～ 3 年以内に故障が発生します。
張力との関係: 操作張力が高くなると、ジャケット材料の機械的応力状態が増大し、アーク損傷領域から亀裂が伝播しやすくなります。{0}}これにより、電気的損傷によって亀裂が発生し、機械的張力によって亀裂が伝播するという相乗的な破壊メカニズムが形成されます。
より高いトラッキング耐性（電界強度 25 kV 以上）を持つ特別に配合されたポリマーを使用したアンチトラッキング（AT）ジャケットは、高電圧ラインを保護します。-あるいは、一部の電力会社は、電流分布を制御し、アークの形成を制限する半導電性ロッド、つまり 50 メートルの抵抗素子を実装することに成功しています。ただし、これらのソリューションではケーブルのコストが 15 ～ 30% 増加します。
ADSS 光ファイバーケーブルの張力容量を決定する設計変数
特定の設置に ADSS 光ファイバー ケーブルを指定するには、相互に依存する複数の要素のバランスを取る必要があります。
スパン長さが主な推進力です。標準製品には通常次のものが含まれます。
50～100m スパン: 2～4 kN MAT、シングルジャケット、直径 11～13mm
100～200m スパン: 6～10 kN MAT、シングルまたはダブル ジャケット、直径 13～15 mm
200～400m スパン: 12～20 kN MAT、ダブルジャケット、直径 15～18mm
400～700m スパン: 25～50 kN MAT、ダブルジャケット、直径 18～22mm
スパンが長くなると、それに比例してより多くのアラミド糸が必要になり、ケーブルの直径と重量の両方が増加します。-その結果、風や氷の負荷が増大し、補強フィードバック ループの強度をさらに高める必要があります。
繊維数ケーブルコアの直径に影響します。メーカーは通常、最大 144 ファイバのケーブルに対してバッファ チューブあたり 12 ファイバを使用します。その後、扱いやすいケーブル直径を維持するために、ファイバ数が増える場合はチューブあたり 4 ファイバに切り替えます。 288 芯のケーブルには、複雑な撚りパターンで配置された約 72 本のバッファ チューブが必要で、アラミドを適用する前に 18 ～ 20 mm のコアが作成されます。
ジャケットセレクション標準ポリエチレン（PE）とアンチトラッキング（AT）配合の違いは、重量、コスト、電気的性能に影響します。{0} AT ジャケットは通常、ケーブル直径が 1 ～ 2 mm、重量が 10 ～ 15% 増加するため、同じスパン性能を維持するには、それに対応してアラミド糸を増やす必要があります。
気候帯氷と風の荷重の仮定が決まります。 NESC は、重負荷、中負荷、軽負荷の地区を次のように定義しています。
ヘビー: 氷厚 12.5 mm、風速 18 m/s、-20 度
中: 氷厚 6 mm、風速 21 m/s、-9 度
光: 氷0mm、風速34m/s、15度
軽負荷で 300 m スパンと定格されたケーブルは、追加の環境力により、重負荷では 180 m しかサポートできない場合があります。
電圧環境主に引張設計ではなくジャケットの仕様に影響しますが、220 kV を超える設置では、タワー上の最適な取り付け高さを決定するために慎重な電界強度の計算が必要です。より高い位置に配置すると電界強度は低下しますが、風への曝露が増加する可能性があります。{2}これはもう 1 つの工学的トレードオフです。
強度を保つための設置方法
適切に設計された ADSS ケーブルであっても、取り付け手順でアラミド強度部材が損なわれると、耐用年数が短くなる可能性があります。
張力監視導入時には、リアルタイムの力測定を備えた特殊なテンショナーを使用します。{0}}目標は MAT の 50 ～ 70% ですが、これは特定の条件に合わせて調整する必要があります。標高の変化が大きいルートでは、設置者は、低い地点で制限を超えないようにするために、上りセクションで目標張力を MAT の 40 ～ 50% に下げる必要がある場合があります。
引っ張り速度毎分20メートルを超えてはなりません。速度が速いと、方向変化によってケーブルが加速および減速するときに動的負荷が発生し、定常状態の引っ張り張力の 150-200% のスパイク力が発生する可能性があります。この速度制限は、40 ～ 50 m/min が一般的な導電体の設置に慣れている設置作業員をイライラさせます。
最小曲げ半径ルールはインストール全体に適用されます。動的（展開中）の最小値はケーブル直径の 25 倍です。静的（永久設置）はケーブル直径の 15 倍です。 14mm ケーブルの場合、これは、引っ張り中に 350mm よりきつく曲げないこと、および最終的なクランプ構成で 210mm よりきつく曲げないことを意味します。違反があるとアラミド層に応力集中が生じ、光ファイバーにマイクロベンド損失が発生する可能性があります。
スイベル展開ケーブルのねじれを防ぎます。二重の-スイベル アセンブリ-がグリップの取り付けポイントに 1 つと、2-3 メートル後方にもう 1 つあり、冗長性を提供します。 「フラグ テスト」では、適切なスイベル機能を検証します。スイベルの後ろのケーブルに布製のフラグを取り付け、シーブの各通路を通してそれを観察します。フラグは一定の方向を維持する必要があります。回転し始めた場合は、スイベルが故障しているため、すぐに修理する必要があります。
サグ調整設置後は、複数のスパンにわたって張力が適切に分散されるようにします。連続マルチスパン設置（7-15 極）では、設置者はセクションの端近くの 2 つの「観察スパン」を選択し、たわみを正確に測定し、たわみ張力表からの計算値と一致するように張力を調整します-。これにより、個々のスパンが過度に張力をかけられ、他のスパンが-張力不足-になることがなくなり、高張力スパンではジャケットの損傷、低張力スパンでは過剰なギャロッピングが発生する可能性があります。-
ADSS 引張性能の比較
ADSS は、それぞれが異なる張力特性を持つ架空ファイバー ケーブル テクノロジーの中で独自の位置にあります。
8の字ケーブル通常直径 2.5-3.5 mm の一体型スチールメッセンジャーワイヤが含まれており、ケーブル構造が非対称になっています。この設計は、8 ～ 12 kN のメッセンジャー破壊強度で最大 150 メートルのスパンをサポートします。利点: 標準の導電体技術を使用して設置が簡単です。欠点: 鋼製メッセンジャーは高電圧線の近くで導電性の問題を引き起こし、接着/接地が必要です。
OPGW（光アース線）送電塔の架空地上導体を、アルミニウムと鋼のより線で囲まれた中央チューブに光ファイバーを含むハイブリッド ケーブルに置き換えます。破壊強度は、最大 800 メートルのスパンで 40 ～ 180 kN の範囲です。 OPGW は優れた機械的性能を備えていますが、コストが ADSS の 3 ～ 5 倍高く、既存の回線に設置するには停電が必要です。
ラッシング架空ケーブル鋼製ラッシング ワイヤでメッセンジャー ワイヤに螺旋状に巻かれた標準的なルーズ チューブ ケーブルを使用します。-メッセンジャーはすべての張力サポートを提供します。ファイバーケーブルにかかる張力は最小限です。これにより、より安価なケーブル設計の使用が可能になりますが、設置作業が 40 ～ 60% 増加し、空中プロファイルが大きくなります。
ADSS は、配電線と送電線の形状の 80% に対応する十分なスパン能力、停電のない設置、導電率の懸念がないこと、ライフサイクル コストが OPGW の代替品より 30～40% 低いなど、公益事業アプリケーションに最適なバランスを提供します。-張力の制限 (通常、カスタム エンジニアリングがなければ 800 m を超えるスパンには適さない) は、主要な設計制約を表します。
よくある質問
設置中に ADSS ケーブルの張力を超えるとどうなりますか?
指定された取り付け張力 (標準ケーブルの場合は通常 600 lbf または 2,700 N) を超えると、アラミド強度部材が永久変形し、光ファイバーに微小な曲がりが生じる可能性があります。 -ケーブルが困難なセクションを通過するときにわずか数秒続く短い過負荷でも、測定可能な信号損失を引き起こす可能性があります。-実験室試験では、繊維のひずみが 0.3% を超えると、ガラス構造に不可逆的な損傷を与える可能性があることが示されています。実際には、損傷したケーブルは初期テストに合格しても、予想される 25 ～ 30 年の耐用年数ではなく、2 ～ 5 年以内に老化が促進され、予期せぬ故障が発生する可能性があります。
特定のスパンに適した ADSS ケーブルをどのように計算しますか?
ケーブルの選択には、最大スパン長、代表スパン (セクションの平均)、環境負荷 (氷の厚さ、風速、温度範囲)、および電力線の近くに設置する場合の電圧レベルの 4 つの主要な入力が必要です。メーカーは、さまざまな荷重条件下でのケーブル モデルのスパン、たるみ、張力の関係を示すたわみ張力表を提供しています。-エンジニアは、最悪の場合のスパンと荷重を、最大許容張力（MAT）が適切な安全マージンを提供するケーブルに合わせます。-通常、実際の動作張力が MAT の 60～70% を超えないように設計します。スパンが 300 メートルを超える場合、振動解析が重要になり、カスタム ケーブル仕様が必要になる場合があります。
ADSS ケーブルの強度は時間の経過とともに低下する可能性がありますか?
アラミド強度部材自体は、無傷のジャケットによって紫外線や湿気から保護されていれば、劣化が最小限に抑えられます。ただし、時間の経過とともに 3 つのメカニズムが有効なケーブル強度を低下させる可能性があります。高電圧線での乾燥帯アーク損傷 (ジャケットを弱めるカーボン トラックの生成)、適切な減衰を伴わない風力振動 (接続点で疲労破壊を引き起こす)、およびジャケットが不適切に配合されている場合の UV 劣化です。-。適切に指定され設置された ADSS は、20～25 年後も元の引張強度の 90-95% を維持します。年に一度の赤外線検査により、致命的な故障が発生する前に、ドライバンドアーク放電によるホットスポットを検出できます。
一部の ADSS ケーブルには二重ジャケットがあるのはなぜですか?
ダブルジャケットの設計は、より長いスパン（200-700m）での耐候性の向上と、過酷な環境での冗長保護の提供という 2 つの主な機能を果たします。内側のジャケットは通常 1 ～ 2 mm のポリエチレンで、アラミド層をカプセル化し、初期の水を遮断します。外側のジャケットはもう 1.5 ～ 3 mm の層で、一次紫外線と氷/風の負荷に耐えます。この構造により、ケーブル直径が 2 ～ 4 mm、重量が 15 ～ 25% 増加し、それに比例してより強力なアラミド補強が必要になりますが、シングル ジャケット ケーブルが 8 ～ 12 年以内に劣化する可能性がある海岸、工業、または高地の施設での耐用年数が延長されます。
文脈における緊張を理解する
ADSS 光ファイバー ケーブルが張力に耐えられるかどうかは、スパン要件、環境要因、コスト制約のバランスを考慮した慎重なエンジニアリングに依存します。アラミド繊維強度部材は、高電圧環境に不可欠なすべての誘電特性を維持しながら、4 ～ 50 キロニュートンの引張容量を提供します。-
3 層の{0}}張力システム-の設置、最大許容値、動作性により、ケーブルは耐用年数を通じて安全制限内で適切に動作することが保証されます。通常、故障は不適切な設計が原因ではなく、設置エラー（過剰な引っ張り力やケーブルのねじれ）、環境上の誤算（氷の負荷や風への曝露の過小評価）、または電気的劣化（高電圧線でのドライバンドアーク放電）によって発生します。-
メーカーの仕様に従い、適切なハードウェアを使用し、ケーブル強度をスパンと荷重の要件に合わせて設置する場合、ADSS は 25～30 年間信頼性の高い自己サポート性能を提供します。{0}この技術は、1990 年代の初期の実用化以来、ジャケットの配合が改善され、振動メカニズムがより深く理解され、過去の故障モードに対処する洗練された設置技術により、大幅に成熟してきました。
重要な洞察: ADSS 光ファイバー ケーブルの張力抵抗は、単純な「はい/いいえ」の質問ではなく、ケーブルの設計可能性を最大限に引き出すために適切に指定、設置、維持する必要がある相互依存変数のシステムです。