Kể từ khi nhà vật lý học người Mỹ gốc Hoa Charles Kuen Kao và đồng nghiệp phát minh ra sợi quang năm 1966, sợi quang đã được ứng dụng rộng rãi trong truyền dẫn viễn thông. Các loại cáp quang như cáp treo (F8, ADSS), cáp chôn trực tiếp hay rải cống, cáp quang ngầm dưới sông, biển… đã hình thành một mạng lưới bao phủ khắp nơi trên toàn thế giới. Tính riêng công suất nhà máy sản xuất sợi quang của ZTT tại Nantong, tỉnh Giang Tô đã lên tới 12 triệu km/năm (gấp 31,2 lần khoảng cách từ tâm trái đất lên mặt trăng). Một con số so sánh đơn giản như vậy đủ cho thấy ứng dụng của sợi quang rộng rãi đến mức nào.

 Những năm gần đây, việc tích hợp sợi quang trong dây chống sét (cáp quang kết hợp dây chống sét OPGw). Tuy nhiên, so với các loại cáp quang khác, cáp quang OPGW có cấu trúc và phương pháp tính toán thiết kế khá phức tạp. Việc chọn lựa đúng loại cáp quang chống sét OPGW phù hợp với đường dây truyền tải là công việc cần kiến thức và tỉ mỉ không khác gì người thợ may đo quần áo cho từng khách hàng.

Lịch sử phát triển của cáp quang OPGW gắn liền với quá trình cải tiến ống chứa sợi quang (OP unit). Đây là thành phần mấu chốt, quyết định đặc tính chính của cáp quang.

Lịch sử phát triển cáp quang OPGW

Thiết kế những năm cuối thập kỷ 1970: Mỗi sợi quang đặt trong 1 ống nhôm riêng (layer cable core Al tube), các ống nhựa được đặt trong một ống nhôm bảo vệ. Thiết kế này có hạn chế lớn về số sợi quang trong cáp do các ống nhựa chứa sợi quang chiếm diện tích lớn. Điều này khiến cho các nhà thiết kế cáp quang rất khó khăn trong việc thiết kế lớp dây thép bọc nhôm bảo vệ có tiết diện đủ lớn để tăng khả năng chịu dòng ngắn mạch trong điều kiện bị hạn chế về đường kính ngoài của cáp. Vì vậy cáp quang OPGW thập kỷ này có khả năng chịu dòng ngắn mạch thấp hơn hẳn so với các loại các quang cải tiến sau này.

 

Đầu những năm 1980 thế kỷ trước, người ta đặt sợi quang trong một lõi nhôm trung tâm có khe xẻ rãnh, bên ngoài được bảo vệ bởi 1 ống nhôm. Thiết kế này tuy đã cải thiện được về mặt công nghệ sản xuất, nhưng cũng giống như thiết kế đầu tiên những năm 1970, hạn chế về số sợi quang, (thông thường chỉ 6 sợi quang). Nhược điểm lớn nhất của loại cáp này là khi hoạt động cũng như khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch một pha, nhiệt lượng truyền trực tiếp từ lõi nhôm sang sợi quang làm thay đổi cơ tính của sợi quang, độ dài dôi dư của sợi quang không tốt do đó làm tăng đáng kể suy hao sợi quang do hiệu ứng giãn nở nhiệt của dây dẫn và hiệu ứng mỏi (fatigue effect) của cáp trong quá trình hoạt động. Loại cáp quang chống sét OPGW này được áp dụng cho đường dây 500kV mạch 1 đầu tiên của nước ta (Công ty Sumitomo cung cấp cáp quang). Sau 10 năm hoạt động, thực tế cho thấy các sợi quang đã suy hao đến mức phải thay thế hoàn toàn. (Tác giả bài viết trực tiếp tham gia thay thế loại cáp này cho đoạn Hòa Bình - Hà Tĩnh).

 

 

 

Để đưa thêm sợi quang vào cáp và khắc phục nhược điểm về chiều dài dôi dư của sợi quang so với cáp, từ những năm 1990, người ta sử dụng các sợi quang được bọc (coating) tốt hơn đưa vào trong ống lỏng (loose buffer tube). Cho đến nay, sợi quang đặt trong ống lỏng vẫn được sử dụng rộng rãi trong mọi thiết kế cáp quang OPGW.

 

Nhằm hoàn thiện tốt hơn ống chứa sợi quang, các nhà sản xuất đưa ra thiết kế ống kép (dual tube): Sợi quang đặt trong ống thép không rỉ cán nhôm (Aluminum Clad Steel - ACS tube). Thiết kế này của cáp có được cả ưu điểm: Chiều dài dôi dư của sợi quang so với chiều dài cáp đảm bảo; bảo vệ sợi quang tốt hơn khỏi nhiệt lượng từ hiện tượng ngắn mạch một pha. Với thiết kế này, cấu trúc của cáp quang gần tương đương với cấu trúc của dây chống sét đơn, thậm chí có đặc tính cơ điện tốt hơn do sử dụng lớp bảo vệ là dây thép cán nhôm (Aluminum clad Steel - ACS wire). Hiện nay, đa phần cáp quang sử dụng trên các đường dây truyền tải cao thế là cáp quang sử dụng cấu trúc ống kép (dual tube).

 

 

 

 

Cáp quang OPGW ngày càng được ứng dụng rộng rãi

 

Một số nhà sản xuất hiện nay vẫn sử dụng lõi chứa sợi quang bằng nhôm, sản xuất bằng công nghệ đùn. So với thiết kế dual tube mà các hãng đi sau phát triển, cáp quang OPGW sử dụng ống nhôm cùng loại có khối lượng nhẹ hơn khoảng 3-5%, nhưng đặc tính chịu kéo, chịu nén, chịu va đập kém hơn.

 

Nhằm đáp ứng nhu cầu của một số đường dây siêu cao áp có yêu cầu dòng ngắn mạch lớn, nhà sản xuất cáp quang Zhongtian Hitachi phát triển một loại ống đặc biệt bằng cách đưa thêm một lớp composite mỏng chịu nhiệt chứa sợi quang. Thiết kế này đã được cấp bằng sáng chế tại Trung Quốc.

 

 

 

Quá trình cải tiến ống chứa sợi quang OPGW

 

Tại một số vùng có yêu cầu đặc biệt về khả năng chống sét của cáp quang như vùng có quặng kim loại, vùng có giông sét nhiều, các tính toán cho thấy yêu cầu về tăng khả năng chịu dòng ngắn mạch của cáp quang là tối quan trọng để chịu được xung sét đánh xuống đường dây truyền tải điện. Để đáp ứng yêu cầu này, các hãng đã nghiên cứu và sản xuất loại cáp có lớp bên trong được nén chặt. Thiết kế này nhằm giảm thiểu đường kính các lớp trong của cáp quang, do đó, khi bị giới hạn về đường kính ngoài của cáp, vẫn có thể cấp được loại cáp có khả năng chịu dòng ngắn mạch lớn nhất.

 

Cáp quang OPGW với cấu tạo lớp bên trong được nén chặt

 

Để hiểu thêm về các tính năng ưu trội của các thiết kế cáp quang và làm cách nào để lựa chọn loại cáp quang chống sét tối ưu cho dự án, chúng ta cùng đón xem phần 3 của bài viết: “Làm cách nào để lựa chọn cáp quang chống sét OPGW phù hợp”.

 

HKEC – Cung cấp Cáp quang cho các dự án trọng điểm quốc gia