長光通訊解析：重覆冰地區(qū)OPGW光纜的選擇
時(shí)間:2014-04-03 11:50:43 來源：
摘要：本文探討了在大覆冰地區(qū)OPGW光纜結(jié)構(gòu)的選擇，以及對(duì)其應(yīng)用的考慮。
關(guān)鍵詞：OPGW 覆冰 結(jié)構(gòu)
一、覆冰地區(qū)的特點(diǎn)
我國的西南地區(qū)地形復(fù)雜，氣候條件變化多樣，架空送電線路很多都通過海拔懸殊，地形劇變，山巒起伏，峰高谷深，水氣充沛，氣候多變，人煙稀少的高山大嶺地區(qū)。這就造成架空送電線路往往經(jīng)過覆冰厚度不同的多個(gè)氣象區(qū)。我國將線路覆冰厚度20mm(15年一遇、密度0.9g/cm3)及以上的地區(qū)，稱為重冰區(qū)。西南地區(qū)架空線路受地形控制，致使檔距不均勻，光纜懸點(diǎn)高差過大，往往引起光纜在高懸點(diǎn)處的應(yīng)力過大。在地形起伏的山區(qū)，同一個(gè)耐張段內(nèi)，有背風(fēng)和迎風(fēng)的山坡，也有向陽和背陰的山嶺；有地形開闊的山巔，也有低洼閉塞的谷地。造成各檔距之間覆冰、風(fēng)速及氣溫的明顯差異，從而冬季出現(xiàn)不均勻覆冰或不同期脫冰現(xiàn)象。OPGW光纜在不同期脫冰時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳躍及舞動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的沖擊力及不平衡張力，發(fā)生冰害事故。
因此，在西南特有的大覆冰、大高差地區(qū)選擇合理的OPGW結(jié)構(gòu)型式非常重要。選擇OPGW時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體的工程項(xiàng)目，結(jié)合各種結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)綜合考慮。
二、選擇OPGW的結(jié)構(gòu)
OPGW結(jié)構(gòu)包括光單元和鎧裝單元，光單元承擔(dān)OPGW的光纖通信功能，鎧裝單元承擔(dān)OPGW的地線功能。光單元是OPGW的核心組成部分，光單元的演變和發(fā)展推動(dòng)了OPGW光纜的發(fā)展。光單元結(jié)構(gòu)對(duì)光纖的受力和傳輸信號(hào)衰減程度有很大的影響，因此光單元結(jié)構(gòu)的選擇需考慮必要的機(jī)械保護(hù)結(jié)構(gòu)防止光纖受側(cè)壓，保證適度的光纖余長，并采用可靠的措施進(jìn)行防潮、防水、隔熱等。
(1) 光纖結(jié)構(gòu)型式可分為松套結(jié)構(gòu)和緊套結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)選松套結(jié)構(gòu)
據(jù)有關(guān)資料介紹，緊套結(jié)構(gòu)的OPGW一般直徑較松套小，可以減少鐵塔上風(fēng)、冰荷載；具有較高的抗側(cè)壓能力等優(yōu)點(diǎn)。但緊套結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度光纖，使得價(jià)格較松套高，而且緊套光纖束在光纖單元結(jié)構(gòu)中幾乎沒有余長。一般此種結(jié)構(gòu)的光纜受力時(shí)，光纜伸長2%時(shí)，光纖可能就要受力，當(dāng)單根光纖受力伸長1%后就可能被拉斷。盡管OPGW在各種氣象條件、大覆冰、大檔距、大高差等情況下的伸長率不過千分之幾，但較難保證光纖不受軸向拉力；光纖一旦受力其傳輸信號(hào)衰減將會(huì)增加，所以對(duì)通信效果就有一定的影響。
而松套結(jié)構(gòu)中光纖一般置于有填充物的金屬(塑料)管中，具有較大的調(diào)整空間容納光纖的余長，有一定的緩沖作用，能保證光纖在各種不利運(yùn)行情況下不受力，保證瞬時(shí)沖擊和短期大荷載下光纖不受到任何影響。因此，松套結(jié)構(gòu)在余長方面的優(yōu)勢很適合于大覆冰、大檔距、大高差等條件較為惡劣的線路。因此，比較松套結(jié)構(gòu)和緊套結(jié)構(gòu)光纖型式，應(yīng)優(yōu)選松套結(jié)構(gòu)。
(2) OPGW三種典型結(jié)構(gòu)型式的選擇
目前國內(nèi)外廠家生產(chǎn)松套結(jié)構(gòu)的OPGW較多，總體分為中心管結(jié)構(gòu)OPGW和層絞不銹鋼管結(jié)構(gòu)OPGW，其中中心管結(jié)構(gòu)OPGW又派生出中心鋁管結(jié)構(gòu)、中心鋁骨架結(jié)構(gòu)和中心不銹鋼管結(jié)構(gòu)。各種結(jié)構(gòu)性能比較如表1。
OPGW和普通導(dǎo)線一樣，在安裝以后因?yàn)槭軓埩Α⒆灾睾蜏囟鹊鹊挠绊?，將?huì)發(fā)生塑性和彈性伸長。光纖余長作為松套結(jié)構(gòu)OPGW的一個(gè)重要參數(shù)，必需對(duì)其在各種惡劣景象形象前提和地形前提的運(yùn)行情況下的伸長量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)OPGW光纖余長加以限制。光纖余長過短，當(dāng)OPGW纜的伸長大于光纖余長，光纖將會(huì)因余長不夠而受力從而造成光纖衰減增大；光纖余長過長，當(dāng)在低溫狀態(tài)下OPGW纜收縮時(shí)光纖在1550nm波長下微彎損耗增大。只有當(dāng)纜內(nèi)所有光纖的余長在一定的范圍內(nèi)是平均(或一致)時(shí)才有實(shí)際意義，因此在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡可能地同時(shí)測試多根光纖的應(yīng)變狀態(tài)。
(3) 松套結(jié)構(gòu)OPGW光纖余長確定
對(duì)于已建線路更換原有地線架設(shè)OPGW，經(jīng)由參數(shù)配選，一般情況下松套結(jié)構(gòu)和緊套結(jié)構(gòu)均能知足桿塔負(fù)荷要求，此時(shí)，選用松套結(jié)構(gòu)為宜?？傊?，OPGW的結(jié)構(gòu)選擇要綜合考慮地形、檔距、景象形象前提、桿塔結(jié)構(gòu)、造價(jià)等諸多因素，經(jīng)參數(shù)校核知足要求后才終極確定。
一般而言，對(duì)于新架線路，宜采用松套結(jié)構(gòu)偏心鋼管式或中央鋼管式OPGW。新建線路的桿塔承載結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)OPGW的要求。在各種松套結(jié)構(gòu)的OPGW中，以鋼管層絞式結(jié)構(gòu)最為緊湊，其有效承載面積與總截面的比值最大，在相同張力情況下，它的總截面最小，OPGW的風(fēng)壓負(fù)荷最小，對(duì)桿塔的負(fù)荷影響最小。不銹鋼管式OPGW的尺寸小，重量輕，可以與傳統(tǒng)的地線尺寸接近，其單位重量和機(jī)械機(jī)能都與傳統(tǒng)的地線接近。在承受短路電流沖擊時(shí)，熱量對(duì)光單元的影響，鋼管型的影響遠(yuǎn)小于鋁管型和鋁骨架型，鋼管型能有效地保護(hù)光纖可靠性和傳輸機(jī)能的不亂。
中央鋁骨架和中央鋁管結(jié)構(gòu)OPGW的直徑一般較大，而拉斷力較小，對(duì)鐵塔荷載和塔頭設(shè)計(jì)不利，而且其鋁截面積較大，直流電阻較小，與普通地線的分流比較大，在熱不亂控制的情形下，往往造成普通地線的造價(jià)進(jìn)步。對(duì)于各種結(jié)構(gòu)的機(jī)能比較已經(jīng)有了良多的文章，比較以為總體選用中央不銹鋼管和層絞不銹鋼管是最優(yōu)的，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念上接近導(dǎo)線。
三、在重冰區(qū)一定需要緊套、骨架結(jié)構(gòu)嗎？
在OPGW光纜線路的設(shè)計(jì)選型中，爭議較大的是：是否在重冰區(qū)優(yōu)先采用緊套結(jié)構(gòu)，光纜結(jié)構(gòu)是否優(yōu)先考慮鋁骨架結(jié)構(gòu)，在重冰區(qū)光纜抗側(cè)壓力的機(jī)能如何評(píng)價(jià)，纜徑和短路電流容量如何確定等。
近年西南電網(wǎng)在新建500KV 、220KV、110KV線路上都敷設(shè)了OPGW光纜，上述各種結(jié)構(gòu)的光纜都有應(yīng)用。OPGW光纜在西南電網(wǎng)(包括云、貴、川)的使用只有幾年，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)未幾，至今的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明沒有斷纜斷纖情況發(fā)生。在進(jìn)行線路設(shè)計(jì)時(shí)，一般以為，電力用戶在一般天氣前提下選擇纜型的范圍大一些，在重冰(覆冰20mm以上)地區(qū)和大檔距或大高差地區(qū)選型范圍受限，在這些地區(qū)對(duì)光纜重量、直徑和抗側(cè)壓力有特別要求.
實(shí)在，在重冰區(qū)緊套或松套光纖單元結(jié)構(gòu)的OPGW光纜都可采用。在重冰區(qū)光纜外徑可能因?yàn)榘脖鶎訉?dǎo)致重量、風(fēng)冰負(fù)荷增加很大，導(dǎo)致線路運(yùn)行張力增大，盡管此時(shí)對(duì)光纜的抗側(cè)壓力要求有所增大，但無論哪種結(jié)構(gòu)光纜都能知足側(cè)壓力要求。所以光纜覆冰實(shí)在質(zhì)仍是反映到在運(yùn)行張力增大后，光纖是否受力，而且覆冰脫落后可能引起的振動(dòng)或舞動(dòng)對(duì)光纜和光纖的損傷、對(duì)懸垂線夾出口處的損傷。松套光纖單元結(jié)構(gòu)的光纜能保證在70％RTS受力情況下光纖不受力，確保了該種光纜結(jié)構(gòu)就可以用在重覆冰線路中。目前在云南、四川、貴州等地30mm和20mm重覆冰區(qū)的OPGW大量應(yīng)用證實(shí)海內(nèi)層絞（偏心）松套不銹鋼管式光纜是很適合使用在重冰區(qū)的。上海致錦不銹鋼管式光纜的側(cè)壓力機(jī)能知足國家及國際尺度要求，在重覆冰地區(qū)應(yīng)用不受任何影響。纜徑及短路電流應(yīng)根據(jù)電力線路詳細(xì)情況（故障短路電流熱平衡、鐵塔塔頭負(fù)荷能力、與另一根地線的張力弧垂匹配等）選取。
OPGW光纜一旦架舉措措施工完畢后，就在年均勻運(yùn)行張力下工作，當(dāng)OPGW覆冰后，其承受的外荷載增大，此時(shí)要求OPGW光纜具有足夠的張力強(qiáng)度，并對(duì)桿塔受力增加，懸點(diǎn)應(yīng)力增大，此時(shí)對(duì)懸垂線夾的抗疲憊性提出更高的要求。因?yàn)镺PGW彈性模量較大，覆冰引起的弧垂下降不會(huì)降低OPGW與導(dǎo)線的安全間隔。
四、大覆冰地區(qū)OPGW的試驗(yàn)驗(yàn)證
針對(duì)大覆冰地區(qū)的應(yīng)用前提，對(duì)OPGW光纜有如下特殊要乞降技術(shù)前提：
(1) 光纖單元壓力實(shí)驗(yàn)：因?yàn)镺PGW覆冰后冰層的重量及張力增大后的摩擦力導(dǎo)致光纖單元承受一定的側(cè)壓力，劃定OPGW光纜可承受700kg/50mm的壓扁試驗(yàn)而不引起光衰減的增加。
(2) 脫冰跳躍要求：特別是對(duì)于20mm 冰區(qū)OPGW應(yīng)知足實(shí)際使用檔距800m，架線張力40%RTS，覆冰重量2kg/m，全檔覆冰1600kg情況下，OPGW因覆冰全部脫落產(chǎn)生脫冰跳躍，每年運(yùn)行期間約泛起20次而不發(fā)生OPGW損壞。
(3) 知足96小時(shí)最大工作荷載試驗(yàn)。
OPGW承受劃定的最大工作荷載（75 %的RTS張力）, 持續(xù)96小時(shí)。連續(xù)監(jiān)測光纖的損耗、伸長和纜的伸長。光纖衰耗增量小于1dB，張力開釋后，無附加衰耗。
OPGW和普通導(dǎo)線一樣，在安裝以后因?yàn)槭軓埩Α⒆灾睾蜏囟鹊鹊挠绊?，將?huì)發(fā)生塑性和彈性伸長。光纖余長作為松套結(jié)構(gòu)OPGW的一個(gè)重要參數(shù)，必需對(duì)其在各種惡劣景象形象前提和地形前提的運(yùn)行情況下的伸長量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)OPGW光纖余長加以限制。光纖余長過短，當(dāng)OPGW纜的伸長大于光纖余長，光纖將會(huì)因余長不夠而受力從而造成光纖衰減增大；光纖余長過長，當(dāng)在低溫狀態(tài)下OPGW纜收縮時(shí)光纖在1550nm波長下微彎損耗增大。只有當(dāng)纜內(nèi)所有光纖的余長在一定的范圍內(nèi)是平均(或一致)時(shí)才有實(shí)際意義，因此在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡可能地同時(shí)測試多根光纖的應(yīng)變狀態(tài)。
(3) 松套結(jié)構(gòu)OPGW光纖余長確定
對(duì)于已建線路更換原有地線架設(shè)OPGW，經(jīng)由參數(shù)配選，一般情況下松套結(jié)構(gòu)和緊套結(jié)構(gòu)均能知足桿塔負(fù)荷要求，此時(shí)，選用松套結(jié)構(gòu)為宜?？傊?，OPGW的結(jié)構(gòu)選擇要綜合考慮地形、檔距、景象形象前提、桿塔結(jié)構(gòu)、造價(jià)等諸多因素，經(jīng)參數(shù)校核知足要求后才終極確定。
一般而言，對(duì)于新架線路，宜采用松套結(jié)構(gòu)偏心鋼管式或中央鋼管式OPGW。新建線路的桿塔承載結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)OPGW的要求。在各種松套結(jié)構(gòu)的OPGW中，以鋼管層絞式結(jié)構(gòu)最為緊湊，其有效承載面積與總截面的比值最大，在相同張力情況下，它的總截面最小，OPGW的風(fēng)壓負(fù)荷最小，對(duì)桿塔的負(fù)荷影響最小。不銹鋼管式OPGW的尺寸小，重量輕，可以與傳統(tǒng)的地線尺寸接近，其單位重量和機(jī)械機(jī)能都與傳統(tǒng)的地線接近。在承受短路電流沖擊時(shí)，熱量對(duì)光單元的影響，鋼管型的影響遠(yuǎn)小于鋁管型和鋁骨架型，鋼管型能有效地保護(hù)光纖可靠性和傳輸機(jī)能的不亂。
中央鋁骨架和中央鋁管結(jié)構(gòu)OPGW的直徑一般較大，而拉斷力較小，對(duì)鐵塔荷載和塔頭設(shè)計(jì)不利，而且其鋁截面積較大，直流電阻較小，與普通地線的分流比較大，在熱不亂控制的情形下，往往造成普通地線的造價(jià)進(jìn)步。對(duì)于各種結(jié)構(gòu)的機(jī)能比較已經(jīng)有了良多的文章，比較以為總體選用中央不銹鋼管和層絞不銹鋼管是最優(yōu)的，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念上接近導(dǎo)線。
三、在重冰區(qū)一定需要緊套、骨架結(jié)構(gòu)嗎？
在OPGW光纜線路的設(shè)計(jì)選型中，爭議較大的是：是否在重冰區(qū)優(yōu)先采用緊套結(jié)構(gòu)，光纜結(jié)構(gòu)是否優(yōu)先考慮鋁骨架結(jié)構(gòu)，在重冰區(qū)光纜抗側(cè)壓力的機(jī)能如何評(píng)價(jià)，纜徑和短路電流容量如何確定等。
近年西南電網(wǎng)在新建500KV 、220KV、110KV線路上都敷設(shè)了OPGW光纜，上述各種結(jié)構(gòu)的光纜都有應(yīng)用。OPGW光纜在西南電網(wǎng)(包括云、貴、川)的使用只有幾年，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)未幾，至今的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明沒有斷纜斷纖情況發(fā)生。在進(jìn)行線路設(shè)計(jì)時(shí)，一般以為，電力用戶在一般天氣前提下選擇纜型的范圍大一些，在重冰(覆冰20mm以上)地區(qū)和大檔距或大高差地區(qū)選型范圍受限，在這些地區(qū)對(duì)光纜重量、直徑和抗側(cè)壓力有特別要求.
實(shí)在，在重冰區(qū)緊套或松套光纖單元結(jié)構(gòu)的OPGW光纜都可采用。在重冰區(qū)光纜外徑可能因?yàn)榘脖鶎訉?dǎo)致重量、風(fēng)冰負(fù)荷增加很大，導(dǎo)致線路運(yùn)行張力增大，盡管此時(shí)對(duì)光纜的抗側(cè)壓力要求有所增大，但無論哪種結(jié)構(gòu)光纜都能知足側(cè)壓力要求。所以光纜覆冰實(shí)在質(zhì)仍是反映到在運(yùn)行張力增大后，光纖是否受力，而且覆冰脫落后可能引起的振動(dòng)或舞動(dòng)對(duì)光纜和光纖的損傷、對(duì)懸垂線夾出口處的損傷。松套光纖單元結(jié)構(gòu)的光纜能保證在70％RTS受力情況下光纖不受力，確保了該種光纜結(jié)構(gòu)就可以用在重覆冰線路中。目前在云南、四川、貴州等地30mm和20mm重覆冰區(qū)的OPGW大量應(yīng)用證實(shí)海內(nèi)層絞（偏心）松套不銹鋼管式光纜是很適合使用在重冰區(qū)的。上海致錦不銹鋼管式光纜的側(cè)壓力機(jī)能知足國家及國際尺度要求，在重覆冰地區(qū)應(yīng)用不受任何影響。纜徑及短路電流應(yīng)根據(jù)電力線路詳細(xì)情況（故障短路電流熱平衡、鐵塔塔頭負(fù)荷能力、與另一根地線的張力弧垂匹配等）選取。
OPGW光纜一旦架舉措措施工完畢后，就在年均勻運(yùn)行張力下工作，當(dāng)OPGW覆冰后，其承受的外荷載增大，此時(shí)要求OPGW光纜具有足夠的張力強(qiáng)度，并對(duì)桿塔受力增加，懸點(diǎn)應(yīng)力增大，此時(shí)對(duì)懸垂線夾的抗疲憊性提出更高的要求。因?yàn)镺PGW彈性模量較大，覆冰引起的弧垂下降不會(huì)降低OPGW與導(dǎo)線的安全間隔。
四、大覆冰地區(qū)OPGW的試驗(yàn)驗(yàn)證
針對(duì)大覆冰地區(qū)的應(yīng)用前提，對(duì)OPGW光纜有如下特殊要乞降技術(shù)前提：
(1) 光纖單元壓力實(shí)驗(yàn)：因?yàn)镺PGW覆冰后冰層的重量及張力增大后的摩擦力導(dǎo)致光纖單元承受一定的側(cè)壓力，劃定OPGW光纜可承受700kg/50mm的壓扁試驗(yàn)而不引起光衰減的增加。
(2) 脫冰跳躍要求：特別是對(duì)于20mm 冰區(qū)OPGW應(yīng)知足實(shí)際使用檔距800m，架線張力40%RTS，覆冰重量2kg/m，全檔覆冰1600kg情況下，OPGW因覆冰全部脫落產(chǎn)生脫冰跳躍，每年運(yùn)行期間約泛起20次而不發(fā)生OPGW損壞。
(3) 知足96小時(shí)最大工作荷載試驗(yàn)。
OPGW承受劃定的最大工作荷載（75 %的RTS張力）, 持續(xù)96小時(shí)。連續(xù)監(jiān)測光纖的損耗、伸長和纜的伸長。光纖衰耗增量小于1dB，張力開釋后，無附加衰耗。
