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8/8/2019 1 Dorival N. Andrade
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Avaliao da confiabilidadeAvaliao da confiabilidadedos Cabos OPGWdos Cabos OPGW
Professor: Alexandre PiantiniPIPGE/USP
Dorival Nunes de Andrade
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Funo adicional dos cabos pra-raios OPGW: suportar feixe de FO.
- Funo original doscabos pra-raios:
Exercer a blindagemcontra DA diretas noscondutores fase.
Cabos pra-raios com fibras pticas para linhasareas de transmisso - OPGW: Optical Ground Wire
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Estrutura dos Cabos OPGWEstrutura dos Cabos OPGW
Seo tpica do Cabo OPGW
Vista do Cabo OPGW
Cabo Pra-Raios ConvencionalOHGWOHGW: Overhead Ground WireOverhead Ground Wire
01- Elemento Central de Trao
02-Tubete Plstico03-Fibra ptica04-Composto de Preenchimento05-Enfaixamento06-Tubo de Alumnio07-Fios de Alumnio
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As redes de longa distncia que so construdas utilizandocabos pticos OPGW instalados nas linhas de transmissode alta tenso tm baixo ndice de acidentes.
Confiabilidade do OPGW cerca de 20 x mais seguro quecabos enterrados.
A rede ptica da Eletrobrs conta com 16.000km de cabosem operao em 18 estados brasileiros, quase quetotalmente em cabos pticos OPGW.
Confiabilidade do cabo OPGW
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Avaliar o desempenho dos cabos
OPGW frente a descargas atmosfricas.Estudo da confiabilidade quanto a descargas
atmosfricas, confrontando a experincia comprevises tericas e anlise de alternativas para
ensaios do cabo.
OBJETIVO
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Primeira experincia brasileiraPrimeira experincia brasileira
na implantao do cabo OPGWna implantao do cabo OPGW Tucuru -
Subestao 1,5 km
(Pirelli - 1984)
Acordo daELETROSUL E DA
TELESC emFev/1991 LT 230 kVJoinville-Siderpolis
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CTEEPCTEEP -- PROJETO TELECOMPROJETO TELECOM -- CABOS PTICOSCABOS PTICOS
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X A V A N T E S
70MW
P . C O L M B I A
G U A R U L H O S
B O M J A R D IMC A B R E V A
X A V A N T E S
S T A . B R B A R A
S O J O S E D O S C A M P O S
Q U I R I N P O L I S
R I O D O S B O I S
A P A R E C I D A
0 00 5
0 0
Q U I R I N P O L I S
R I O D O S B O I S
0 2 0 2
TOCANTINS
02
02
02
02
TOCANTINS
0 2
02
02
02
02
E X I S T E N T E F U T U R O
ELETROBRS
Diagrama do Sistema Eltrico
SUBESTAES750 kV 650 kV 500 kV 345 kV 230 kV 138 kV TOTAL
ELETRONORTE 3.240 3.854 749 7.843 63CHESF 3.111 12.559 384 16.054 82FURNAS 2.114 1 .612 6 .604 5 .616 1.883 1.393 19.221 41ELETROSUL 2.437 4.284 2.153 8.874 26TOTAL 2.114 1.612 15.391 5.616 22.580 4.679 51.992 212
LINHAS DE TRANSMISSO (km)
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9
@ A
B C
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F
L e g e n d a
HorG
zonteBelo
Diagramadas Rotas pticasDiagramadas Rotas pticas
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MOT ES MOT ES O parque de cabos OPGW no Brasil constitui
uma fonte dispersa de experincias einformaes que reunidas constituiro umferramenta til para implementaes futuras nosetor;
Melhorar ou garantir o desempenho de um cabo
OPGW, melhorar o desempenho da linha detransmisso, melhorando o sistema em termosde disponibilidade, confiabilidade e portanto namelhoria da qualidade deste servio;
Alm do setor eltrico, o setor detelecomunicaes tambm ser beneficiado;
Prover conhecimentos que possam garantir alongevidade deste equipamento garantir oretorno esperado do investimento, e portanto dareduo de custos para a sociedade.
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6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7
QUALIFICAO XCAPTULO 1 XCAPTULO 2 XCAPTULO 3 X XCAPTULO 4 X X X XCAPTULO 5 X X X X
CONCLUSES XDEPSITO/DEFESA X X
1 INTRODUO
1.1 OBJETIVO
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO2 DESCRIO DO CABO OPGW
2.1 CARACTERSTICAS MECNICAS, ELTRICAS, DIMENSIONAIS, FUNCIONAMENTO, OPERAO
2.2 ENSAIOS RECOMENDADOS: NORMAS BRASILEIRAS/INTERNACIONAIS
PRINCIPAIS CAUSAS DE PROBLEMAS
2.3 REDE DE CABOS OPGW DA CTEEP: DESCRIO, EVOLUO E DADOS DE FALHAS
3 CONFIABILIDADE DO CABO OPGW
3.1 DESCARGAS ATMOSFRICAS EM LINHAS DE TRANSMISSO
3.2 SUPORTABILIDADE DO CABO OPGW A DESCARGAS ATMOSFRICAS4 AVALIAO DO DESEMPENHO DO CABO OPGW FRENTE A DA's.
4.1 DEFINIO DE CRITRIO DE FALHA
4.2 SIMULAES (AVALIAO DO N MDIO ANUAL DE PROBLEMAS CAUSADOS POR DA's/100 kM DE LINHA
4.3 Comparao com dados de campo
5 ANLISE DOS MTODOS DE ENSAIOS PARA DETERMINAO DOS EFEITOS DAS DA's
6 CONCLUSES
REFENCIAS BIBLIOGRFICAS
ATIVIDADESMS
CRONOGRAMA E ESTRUTURA CAPITULAR
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Avaliao da confiabilidadeAvaliao da confiabilidade
dos Cabos OPGWdos Cabos OPGW
Dorival Nunes de Andrade
OBRIGADO
PERGUNTAS E RESPOSTAS
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BibliografiaBibliografia
1 NISHIMURA, F; CICARELLI,L.D.;CESSO,P.R.; MASUDA,M.;SANTOS, J.; ISSICABA,I.; BOER,
M.A.; PEREIRA,S.; FRANCISCO,Q.P.; Implantao doSistemaOP-GW-Experincia Nacional"; (IEEEELECTRON 19? 1993?). [XIISNPTEE- GrupoIII- Linhas de Transmisso;Outubro/93).
2 (1) SUAREZ, V.H.Q.; "Sistemas"
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Efeito de Blindagem contra D.A. diretasEfeito de Blindagem contra D.A. diretas
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Explanao 1Explanao 1
FO. Elemento filamentarcilndrico vtreo, prote ida mecanicamente poruma camada de silicone
ou acrilato curado a U.V. (chamado de revestimento prim rio) estruturado em duas re ies concntricas de diferentes ndices de refrao que permite o confinamento e uiamento de sinais pticos incidentes dentro de uma faixa an ularem relao ao eixo do cilindro.
Caractersticas:
devida baixa atenuao: entre 0,25 e 0,5 dB/km (alta transparncia devida a alta pure a eestruturao material)
baixa disperso de sinais pticos implica em elevada capadiade de transmisso de sinais (altataxa de transmisso de sinais di itais e alta bbanda de de passa em para sinais analgicos)
Vantagens:
Excelente meio de comunicao longas dist ncias alta tx de transmisso de dados largura de banda muito superiorao de outros meios ho e em uso; Total imunidade contra interferncias eletromagn ticas; Alta imunidade a descargas atmosf ricas Alta confiabilidade Compactao e segurana
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As empresas de energia eltrica - as EEE's - vislumbram o quanto valiosa
a sua infra-estrutura para as empresas de telecomunicaes.
Alta valorao da infraestrutura passou a ser considerada nos projetos de
telecomunicaes.
Nmeros que demonstravam que, em um projeto de telecomunicaes,
os investimentos com infra-estrutura representam 40% do total do projeto.
As distribuidoras de energia, que possuem altssima capilaridade atingindoquase 99% dos domiclios urbanos, e funcionaria como last miles, atravs deredes de acesso,subterrneas, utilizando fibras pticas.
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ndice de refraondice de refrao Confinamento e guiamento pticoConfinamento e guiamento ptico v
c
n !
Lei deSnell
Refrao
1
1
)en(
)en(
n
n!
U
U
A fibra pticaA fibra ptica
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ngulo crtico Abertura numrica
Nmero deModos
se nnAnmx
U
1
2)sen(n
n
c!U
Abertura Numrica
Fibra ptica: meio de comunicaoFibra ptica: meio de comunicao
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Atenuao Disperso
Degradao do Sinal pticoDegradao do Sinal ptico
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Formas de aplicao de FOFormas de aplicao de FO
cabos diel tricos enterrados cabos ADSS (All Dieletric Self-Supporting Cable) cabo ptico espinado GWWOP (Ground Wire
Wrapped optical cable)
OPGW (Optical Ground Wire Cable) OPPW (Optical Phase Wire) OPMW (Optical MessengerWire) spacer
Usando as vantagens da infraestrutura das LTsUsando as vantagens da infraestrutura das LTs
Famlia de cabos pticos met licosFamlia de cabos pticos met licos
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Consideraes para o projeto deConsideraes para o projeto de
cabos OPGW:cabos OPGW: Menordimetroepesos,similaresaoOHGW; EquivalnciaeltricaemecnicaaoOHGW; Temperatura docaboinferiora 180 C,quando
doescoamento decargas; Suportarvibraeselicas;
Suportarcorrosoporfatoresambientais; SuportaDA diretassemalteraes;
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Suportabilidades Correntes devido deSuportabilidades Correntes devido de
CurtoCurto--Circuitos (faltas)Circuitos (faltas) Corrente de curtoCorrente de curto--circuito tende a decrescer na medidacircuito tende a decrescer na medida
em que o ponto de falta de afasta das extremidadesem que o ponto de falta de afasta das extremidades
Variao da correntede curto-circuito o longoda linha de transmisso
Efeitos dinmicosEfeitos dinmicos Efeitos trmicosEfeitos trmicos
Dimensionamento vo a voDimensionamento vo a vo
Para curto-circuitos a Ampacidade w pulso I2t;
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Suportabilidades Correntes devido aSuportabilidades Correntes devido aDescargas atmosfricas diretasDescargas atmosfricas diretas
Corrente de continuidade de muito menor valor que oCorrente de continuidade de muito menor valor que ovalor de crista (valor de crista (PPs)s), mas com muito maior durao (ms)., mas com muito maior durao (ms).
Efeitos dinmicosEfeitos dinmicos Efeitos trmicosEfeitos trmicos
Dimensionamento vo a voDimensionamento vo a vo
Para D.A a Ampacidade w Q = I dt;
FormaOnda Corrente
Descarga
Atmosfrica
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Estudos de Falhas Ocasionadas porEstudos de Falhas Ocasionadas porDescargas Atmosfricas mostram que:Descargas Atmosfricas mostram que:
Danos causados so semelhantes no cabo convencional ou OPGW :Danos causados so semelhantes no cabo convencional ou OPGW :
Di metros dos fios (tentos) da camada externa (Di metros dos fios (tentos) da camada externa ( > > suscetibilidade) suscetibilidade)
Acabamento externo e material dos fiosAcabamento externo e material dos fiosTentos de Al ou ligas (Alumoweld) so mais suscetveis que o aoTentos de Al ou ligas (Alumoweld) so mais suscetveis que o aodevido maiorreatividade do Al com Odevido maiorreatividade do Al com O22 do arno canal de plasmado arno canal de plasma
uma reao exot rmica > queuma reao exot rmica > que potenciali a o efeito do dano.potenciali a o efeito do dano.
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As pesquisas mostram que:As pesquisas mostram que:
Taxa observada de 98% de descargas ( - ) e 2% de descargas ( + ) (5 anos)
Estima-se para LT de 45
m de altura de torre, Ng = 1 descarga/km/ano:pico negativo de corrente de descarga atmosf rica 270 kA
total de carga negativa da corrente de descarga atmosf rica -188 C
total de carga positiva da corrente de descarga atmosf rica 80 C
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Desempenho da Linha de TransmissoDesempenho da Linha de Transmisso
Desempenho Depende do N de Descargas Atmosfricas:Desempenho Depende do N de Descargas Atmosfricas:
Principais Carctersticas das DescargasPrincipais Carctersticas das Descargas AtmosfricasAtmosfricas
Primeiro impulso de polaridade negativa oupositiva
possveis Impulsos subsequentes
FormaOnda Corrente
Descarga
Atmosfrica
IEEEbh
NgNt
;10
)28( 0,6 !
N mero de descargas diretas porkm porano
possvel Impulso de longa durao
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Blindagem do CG em uma LTBlindagem do CG em uma LT
])31
*(1[
1*)(6,2I
IIP
!"
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Probabilidade acumulada do valor da Corrente
de Crista 1 Descarga ultrapassar um valor I*
])31
*(1[
1*)(6,2I
IIP
!"
05,0)90(95,0)4(
!
!
kAP
kAP
Efeito de Blindagem contra D.A. diretasEfeito de Blindagem contra D.A. diretas
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29][
100
FxLNY
kmPx
!
Ex
PxkxQx
1
11
!
x Ex kx
negativo 1,7 7
positivo 2 85
Equao da Carga total das descargas atmosfricas
Q: Parmetros tpicos de D.Aer erdescar as descar as
o s.5 : Qm dia 5
5 : Q 5
o om
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Primeira descarga com tf < 25 Ps, td < 500 Ps, Icr 200kA 10%, 2 (kA)2s
Segunda onda com decaimento exponencial, Icr 2kA, td < 5ms, Q = 10 C
Terceira componente: longa dur.(50-500ms), bx I(100-1000A), Q(20-200 C)
Quarta simul. descarga subseq., Icr 100 kA 10%,0,25 (kA)2s, td < 500 Ps
Sempre monitorando a atenuao das Fibras pticas
Impulso Atmosf rico Normali adoImpulso Atmosf rico Normali ado RecomendaoRecomendaoIEC 1138IEC 1138 -- Quatro componentesQuatro componentes
IEEE Std 1138-1994; NBR 14586 DA; NBR 13981 CC
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ObjetivoObjetivo
Apresentar o cabo OPGW na substituio do cabopra-raios convencional utilizado em linhas de
transmisso, com a finalidade de proteo contra
descargas atmosfricas e correntes de falta almda transmisso de sinais de telecomunicaes.
Mostrar suas principais caractersticas pticas,
mecnicas e eltricas, bem como aspectos dostestes de altas correntes tanto para curtos circuitos
como para descargas atmosfricas.
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Parmetros Mecnicos do Cabo OPGWParmetros Mecnicos do Cabo OPGW
Seo nominal Dimetro externo e interno dos tubos metlicos
Peso linear (kgf/m) Capacidade de ruptura nominal do cabo OPGW Mdulos de elasticidade inicial e final do cabo
Mximatenso
DilataoRuptura
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Ensaios de Qualificao MecnicaEnsaios de Qualificao Mecnica
Protuberncias internas no tubo metlicoProtuberncias internas no tubo metlico Fadiga do cabo quanto vibrao elicaFadiga do cabo quanto vibrao elica Ensaio de puxamento pela poliaEnsaio de puxamento pela polia Ensaio de raio mnimo de curvaturaEnsaio de raio mnimo de curvatura
Ensaio de tensoEnsaio de tenso--deformaodeformao
VibraoElica
TensoDeformao
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Parmetros pticos dos Cabos OPGWParmetros pticos dos Cabos OPGW
Sistema de comunicao pticoSistema de comunicao ptico Confinamento e guiamento pticoConfinamento e guiamento ptico Luz como ondaLuz como onda -- partculapartcula ndice de refraondice de refrao
fhE !
f
c!P
v
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Lei deSnell
Refrao
1
1
)en(
)en(
n
n!
U
U
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Parmetros das Fibras pticasParmetros das Fibras pticas
ngulo crtico
Abertura numrica Modos de propagao Converso de modos
Nmero deModos
se nnAnmx
U
1
2)sen(n
nc!U
!
22
2
g
gVNm
Abertura Numrica
An
aV
o
!
P
T )(
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Degradao do Sinal pticoDegradao do Sinal ptico
Atenuao Disperso
desempenho do sistema distncia para repetio-regenerao custo
Absoromaterial
do ed
E]] !)(
Modosvazantes
Irradiaopormicrocurvatura
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Fatores de AtenuaoFatores de Atenuao
Fatores construtivos e de instalao Diferenas de J, An e perfil de ndice g Rugosidade nas extremidades
Desalinhamentos angular e axial Deslocamento longitudinal
Derivadores
Chaves
AcopladoresEmendas
Conectores
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Disperso e Largura de BandaDisperso e Largura de Banda
Modelo do pulso Gaussiano Disperso cromtica, modal e de guia
de onda
W
187,0!Bw
LDt cc ( P
LDtmm
22
1
cmtt
R
! R:taxa detransmisso
cteLBw !
])2(
)([
0
0
)(W
!
tt
ePtP
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Descarga Atmosfrica Atingindo Linhas de TransmissoDescarga Atmosfrica Atingindo Linhas de Transmisso
Falhas Ocasionadas por Descargas AtmosfricasFalhas Ocasionadas por Descargas Atmosfricas
Concluses de Experincias de Simulao RealizadasConcluses de Experincias de Simulao Realizadas
Danos causados so semelhantes no cabo convencional ou OPGW se:Danos causados so semelhantes no cabo convencional ou OPGW se:Dimetros dos fios (tentos) da camada externa (Dimetros dos fios (tentos) da camada externa ( suscetibilidade) suscetibilidade)Acabamento externo e material dos fiosAcabamento externo e material dos fiosTentos de Al ou ligas (Alumweld) so mais suscetveis que o aoTentos de Al ou ligas (Alumweld) so mais suscetveis que o aodevido maiorreatividade do Al com Odevido maiorreatividade do Al com O22 do arno canal de plasmado arno canal de plasmauma reao exot rmicauma reao exot rmica potenciali a o efeito de dano.potenciali a o efeito de dano.
DescargaAtmosfrica
AmostraDanificada
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Capacidade de Corrente de CurtoCapacidade de Corrente de Curto--CircuitoCircuito
Efeitos dinmicosEfeitos dinmicos Efeitos trmicosEfeitos trmicos
Parmetros para Dimensionamento do Cabo OPGWParmetros para Dimensionamento do Cabo OPGW
Dimensionamento vo a voDimensionamento vo a vo
Retorno da corrente de curto-circuito ocorre parte pelaterra e parte pelo cabos OPGW
Considerar a possibilidade de religamento
Ampacidade pulso I2t; para CC; 30 ciclosAmpacidade w Q = I dt; para D.A.
IEEE Std 1138-1994; NBR 14586 DA; NBR 13981 CC
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Impulso Atmosf rico Normali adoImpulso Atmosf rico Normali ado RecomendaoRecomendao
IEC 1396 (1996)IEC 1396 (1996) -- Quatro componentesQuatro componentes
Primeira descarga com tf < 25 Ps, td < 500 Ps, Icr 200 kA 10%, 2 (kA)2s Segunda onda com decaimento exponencial, Icr 2 kA, td < 5ms, Q = 10 C Terceira componente: longa dur.(50-500ms), bx I (100-1000A), Q(20-200 C) Quarta simul. descarga subseq., Icr 100 kA 10%, 0,25 (kA)2s, td < 500 Ps
Mtodos de teste, no que refere aos eletrodos de descarga:- Banco de Baterias- Welding Arc
- Ponta de Tungstnio imerso em gs (argnio) [s/resduo]- Plasma Cutting Arc (simula um canal real 30000 K)
Sempre monitorando a atenuao das Fibras pticas
- Pulso de corrente na frequncia industrial de acordo com
a ampacidade esperada de solicitao.
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ConclusoConcluso
O cabo OPGW possui em relao ao cabo pra-raios convencional:
As mesmas funes de proteo Similar desempenho mecnico e eltrico
A vantagem adicional de permitir a transmissode grandes quantidades de informao a baixocusto por canal
Interligar centros em menor distncia Baixo impacto ambiental adicional
Maior suscetibilidade descargas atmosfricas Possibilidade de explorao comercial Maiores custos de implantao e manuteno
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Revisando, apresentamosRevisando, apresentamos
Objetivo
Funes do cabo OPGW
Composio do cabo OPGW
Alguns parmetros mecnicos e pticos
Descargas atmosfricas em cabos OPGW
Recomendaes EIA e normas ABNT
Concluso
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Aspectos Comerciais e EconmicosAspectos Comerciais e Econmicos
Associaes entre as concessionrias de energiaeltrica e empresas de telecomunicaes
De rio 500 kV 230 kVValorGlobal 284 605 137.800
Cabo Pra-raio Con en ional 1 6 1 9
Cabo OPGW(12 Fibras ) 6,5 13,4
Linha e ans iss ( $ )
a a e
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Parmetros MecnicosParmetros Mecnicos
Fibras pticas Cabo OPGW Ensaios de qualificao mecnica
Flecha
Vo
Catenria
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Lanamento do Cabo OPGWLanamento do Cabo OPGW
Praas de lanamento Aterramentos mveis Distncias de segurana
Estabelecimento das flechas Vos de conferncia Limite de trao
Polia
Freio
Tramo
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Parmetros das Fibras pticasParmetros das Fibras pticas
Nmero V
Tipos de fibras: parmetro g Perfil de ndice de refrao
-
(!
g
a
rnrn 1)( 1
An
aV
o
!P
T )2(Multimodo
Dimetro Normalizado
Monomodo
1
21 )(nnn
!(
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Confiabilidade do Sistema
VentosTemperatura
Lei de Hook Acomodao do cabo Condies de governo
Trao