Độ bền kéo của cáp sợi quang dành cho lắp đặt trên không.

Việc triển khai cáp sợi quang trên các khoảng cách dài ở vị trí trên không—chẳng hạn như dọc theo các cột điện chạy qua thung lũng, dãy núi và cơ sở hạ tầng nông thôn rộng lớn—làm cho bộ cáp phải chịu liên tục các ứng suất cơ học, trọng lực và môi trường. Khác với các loại lắp đặt trong nhà hoặc chôn trong ống dẫn, nơi cáp nằm trong các kênh được bảo vệ, cáp quang trên không hoạt động như những thành phần kết cấu, tự chịu trọng lượng riêng giữa các điểm đỡ cố định.

Việc không tính toán đúng độ bền kéo của cáp, dung sai chiều dài nhịp, thông số chùng dây và các yếu tố tải trọng môi trường dẫn đến các vết nứt vi mô trên thủy tinh, các đỉnh suy hao quang học, chùng dây nghiêm trọng về mặt vật lý hoặc sụp đổ hoàn toàn đường dây về mặt cơ học. Hướng dẫn này trình bày chi tiết các nguyên lý kỹ thuật, các thành phần cấu trúc, tiêu chuẩn và thực tiễn hiện trường cần thiết cho việc triển khai cáp quang treo trên không một cách đáng tin cậy.

1. Cơ học độ bền kéo và Ba mức độ căng

Độ bền kéo xác định tải kéo tối đa mà một cáp quang có thể chịu đựng mà không bị biến dạng cấu trúc vĩnh viễn, rách vỏ bọc hoặc tăng suy hao quang học. Trong kỹ thuật mạng treo trên không, lực căng được đánh giá theo ba mức vận hành được quy định bởi Bộ Quy tắc An toàn Điện Quốc gia (NESC) và các tiêu chuẩn quốc tế:

1. Lực căng trong quá trình lắp đặt (tải kéo động)

• Định nghĩa: Lực kéo tạm thời tối đa được áp dụng trong suốt quá trình kéo cáp đang diễn ra.

• Quy tắc kỹ thuật: Lực căng lắp đặt không bao giờ được vượt quá 50% đến 70% giá trị Lực căng cho phép tối đa (MAT) của cáp.

• Tác động khi thất bại: Vượt quá giới hạn này sẽ khiến lõi thủy tinh bên trong chịu lực căng cơ học, dẫn đến nứt vi mô ngay lập tức dọc theo lớp vỏ thủy tinh đường kính 125 micromet, gây tổn hao chèn cao hoặc đứt sợi quang trong tương lai do giãn nở nhiệt.

2. Lực căng cho phép tối đa (MAT – Tải thiết kế)

• Định nghĩa: Giới hạn tải cấu trúc ngắn hạn mà cáp có thể chịu đựng trong các tình huống thời tiết khắc nghiệt nhất.

• Các biến số môi trường: MAT tính đến vận tốc gió cực đại (ví dụ: lên tới 160 kilômét trên giờ), tích tụ băng dày (ví dụ: độ dày băng bán kính từ 6,4 milimét đến 12,7 milimét) và nhiệt độ môi trường hoạt động thấp nhất xảy ra đồng thời.

• Cơ sở tính toán: Dưới tải MAT đầy đủ, độ biến dạng sợi quang phải nằm trong giới hạn đàn hồi an toàn do nhà sản xuất quy định (thường nhỏ hơn hoặc bằng 0,23% đến 0,33% độ biến dạng) để ngăn ngừa suy hao vĩnh viễn.

3. Ứng suất thường ngày (EDS – Tải làm việc tĩnh)

• Định nghĩa: Ứng suất kéo dài liên tục mà cáp chịu đựng ở nhiệt độ môi trường bình thường (ví dụ từ 15 đến 20 độ C), không có gió và không có tải băng.

• Ngưỡng kỹ thuật: EDS thường nên giữ ở mức dưới 15–25% sức chịu kéo đứt định mức của cáp. Việc duy trì ứng suất thường ngày ở mức thấp giúp ngăn ngừa hiện tượng biến dạng dẻo kéo dài trong các thành phần chịu lực và tránh mệt mỏi do ứng suất trên lớp vỏ ngoài trong suốt tuổi thọ khai thác từ 25 đến 30 năm.

2. Kiến trúc cấu trúc và các thành phần độ bền cơ học

Các sợi thủy tinh silica dễ vỡ (lớp vỏ 125 micromet với lớp phủ acrylate 250 micromet) có khả năng chịu tải kéo rất hạn chế. Độ bền cơ học hoàn toàn phụ thuộc vào các yếu tố cấu trúc bên trong hoặc tích hợp, được thiết kế để hấp thụ lực kéo và lực căng.

Phân tích so sánh các vật liệu gia cường

3. Kiến trúc cáp treo trên không: Hình số 8 so với ADSS

Việc lựa chọn cấu tạo cáp phù hợp phụ thuộc vào sự hiện diện của đường dây điện, khoảng cách giữa các cột và điều kiện tải trọng môi trường.

Cáp tự nâng hình số 8

Cáp hình số 8 có cấu trúc ép đùn kép, trong đó một dây cáp thép mạ kẽm chịu lực cao được liên kết với lõi cáp quang ống lỏng bên dưới thông qua một dải polyethylene linh hoạt.

• Hành vi cấu trúc: Dây cáp thép chịu toàn bộ lực căng cơ học trong quá trình lắp đặt và khi chịu tải thông thường trên khoảng vượt.

• Bảo vệ sợi quang: Các sợi quang nổi tự do bên trong các ống đệm có màu mã hóa và chứa gel, hoàn toàn tách biệt với biến dạng mà dây thép phải chịu.

• Bối cảnh triển khai: Phù hợp lý tưởng cho các đường dây cột chỉ dùng cho viễn thông, khoảng vượt ngắn đến trung bình (tối đa 100–150 mét) và các triển khai ở khu vực nông thôn với yêu cầu kiểm soát chi phí.

Cáp tự nâng đỡ hoàn toàn cách điện (ADSS)

Cáp ADSS hoàn toàn không chứa kim loại, được cấu tạo từ thanh gia cường FRP ở trung tâm, các ống lỏng có màu mã hóa, một lớp sợi aramid vòng quanh dày và vỏ bọc ngoài chống bám điện.

• Hành vi cấu trúc: Tải kéo được phân bố đều trên lớp sợi aramid bên trong và thành phần FRP trung tâm.

• An toàn điện môi: Do không chứa kim loại, cáp ADSS có thể được lắp đặt an toàn trong vùng không gian điện áp cao của các đường dây truyền tải (ví dụ: từ 12 kV đến 500 kV) mà không gây nguy cơ nối đất điện hoặc cảm ứng điện.

• Bối cảnh triển khai: Các hành lang đường dây điện áp cao, các đoạn vượt dài qua sông hoặc thung lũng (chiều dài nhịp từ 200 đến 500 mét trở lên) và các khu vực có nguy cơ sét đánh nghiêm trọng.

4. Thông số cơ học và tiêu chuẩn tuân thủ

Các loại cáp treo hạng cao được sản xuất và kiểm tra theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế nghiêm ngặt, bao gồm IEC 60794 , IEEE 1222 (dành cho cáp ADSS) và YD/T 901 :

• Lực kéo tối đa: Các loại cáp hình số 8 và cáp ADSS hạng nặng tiêu chuẩn được thiết kế để chịu được lực kéo trong khoảng từ 3000 Newton đối với các nhịp ngắn đến hơn 15000 Newton đối với cáp ADSS dùng cho nhịp vượt cực dài.

• Khả năng chống xẹp: Phải chịu được lực ép bên tối thiểu 1000 Newton trên mỗi 100 milimét để đảm bảo các phụ kiện kẹp và móc treo không làm biến dạng các ống đệm bên trong.

• Dải nhiệt độ hoạt động: Được thiết kế để hoạt động ổn định trong khoảng từ âm 40 độ C đến dương 70 độ C mà không gây nứt lớp vỏ ngoài hay làm hóa lỏng gel đệm.

5. Tiêu chuẩn lắp đặt tại hiện trường và kiểm soát chất lượng

Tuân thủ đúng các quy trình thực địa khi kéo căng và lắp đặt cáp sẽ ngăn ngừa hư hỏng cơ học sớm:

1. Nguyên lý chùng và lực căng: Độ chùng và lực căng có mối quan hệ nghịch đảo trên một nhịp cáp. Độ chùng bằng tích của trọng lượng cáp trên một đơn vị chiều dài nhân với bình phương chiều dài nhịp, chia cho tám lần lực căng. Kỹ thuật viên phải tra bảng chùng–căng đã được tính toán sẵn để đảm bảo cáp được lắp đặt với độ chùng đủ lớn nhằm hấp thụ sự co ngót do nhiệt mùa đông mà không vượt quá giới hạn MAT.

2. Kiểm soát lực kéo bằng lực kế động: Các thao tác kéo cáp phải sử dụng lực kế động đã hiệu chuẩn hoặc tời capstan có bộ giới hạn lực tự động được cài đặt ở mức 50% lực căng tối đa cho phép (MAT) của cáp.

3. Tuân thủ bán kính uốn động: Duy trì bán kính uốn tối thiểu động ít nhất 20 lần đường kính ngoài của cáp trong quá trình kéo. Khi đã được cố định bằng kẹp treo tĩnh, bán kính uốn có thể giảm xuống còn 10 lần đường kính ngoài của cáp.

4. Bánh xe kéo trung gian: Việc lắp đặt cáp trên không phải sử dụng ròng rọc có đường kính lớn và ổ bi trơn tại mọi cột để loại bỏ các góc ma sát sắc nhọn trong suốt quá trình kéo.

Bảng tra cứu sự cố cho các vấn đề triển khai trên không