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技术支持

重覆冰地区OPGW光缆的选择

摘要:本文探讨了在大覆冰地区OPGW光缆结构的选择,以及对其应用的考虑。 

关键词:OPGW 覆冰 结构 

一、覆冰地区的特点

   我国的西南地区地形复杂,气候条件变化多样,架空送电线路很多都通过海拔悬殊,地形剧变,山峦起伏,峰高谷深,水气充沛,气候多变,人烟稀少的高山大岭地区。这就造成架空送电线路往往经过覆冰厚度不同的多个气象区。我国将线路覆冰厚度20mm(15年一遇、密度0.9g/cm3)及以上的地区,称为重冰区。西南地区架空线路受地形控制,致使档距不均匀,光缆悬点高差过大,往往引起光缆在高悬点处的应力过大。在地形起伏的山区,同一个耐张段内,有背风和迎风的山坡,也有向阳和背阴的山岭;有地形开阔的山巅,也有低洼闭塞的谷地。造成各档距之间覆冰、风速及气温的明显差异,从而冬季出现不均匀覆冰或不同期脱冰现象。OPGW光缆在不同期脱冰时会出现跳跃及舞动现象,产生较大的冲击力及不平衡张力,发生冰害事故。
   因此,在西南特有的大覆冰、大高差地区选择合理的OPGW结构型式非常重要。选择OPGW时,应针对具体的工程项目,结合各种结构型式的特点综合考虑。

二、选择OPGW的结构

   OPGW结构包括光单元和铠装单元,光单元承担OPGW的光纤通信功能,铠装单元承担OPGW的地线功能。光单元是OPGW的核心组成部分,光单元的演变和发展推动了OPGW光缆的发展。光单元结构对光纤的受力和传输信号衰减程度有很大的影响,因此光单元结构的选择需考虑必要的机械保护结构防止光纤受侧压,保证适度的光纤余长,并采用可靠的措施进行防潮、防水、隔热等。
(1) 光纤结构型式可分为松套结构和紧套结构,应优选松套结构
   据有关资料介绍,紧套结构的OPGW一般直径较松套小,可以减少铁塔上风、冰荷载;具有较高的抗侧压能力等优点。但紧套结构采用高强度光纤,使得价格较松套高,而且紧套光纤束在光纤单元结构中几乎没有余长。一般此种结构的光缆受力时,光缆伸长2%时,光纤可能就要受力,当单根光纤受力伸长1%后就可能被拉断。尽管OPGW在各种气象条件、大覆冰、大档距、大高差等情况下的伸长率不过千分之几,但较难保证光纤不受轴向拉力;光纤一旦受力其传输信号衰减将会增加,所以对通信效果就有一定的影响。
   而松套结构中光纤一般置于有填充物的金属(塑料)管中,具有较大的调整空间容纳光纤的余长,有一定的缓冲作用,能保证光纤在各种不利运行情况下不受力,保证瞬时冲击和短期大荷载下光纤不受到任何影响。因此,松套结构在余长方面的优势很适合于大覆冰、大档距、大高差等条件较为恶劣的线路。
   因此,比较松套结构和紧套结构光纤型式,应优选松套结构。
(2) OPGW三种典型结构型式的选择
   目前国内外厂家生产松套结构的OPGW较多,总体分为中心管结构OPGW和层绞不锈钢管结构OPGW,其中中心管结构OPGW又派生出中心铝管结构、中心铝骨架结构和中心不锈钢管结构。各种结构性能比较如表1。

结构                                                                特 点                                可靠性
中心铝管                                         1.光纤在光缆大张力下受微小张力             ++
                                                    2.1550nm时衰减很小                              ++
                                                    3.抗侧压性能一般                                     -
中心不锈钢管和层绞不锈钢管           1.光纤在光缆大张力下不受张力                +++
                                                 2.1550nm时衰减很小                              ++
                                                 3.结构紧凑                                            +++
                                                4.抗侧压性能较好                                    ++
 中心铝骨架                               1.光纤在光缆70%RTS张力下受微小张力       ++
                                              2.1550nm时衰减很小                                 ++
                                             3.结构紧凑性一般                                       ++
                                             4.抗侧压性能好                                         +++

              表1 各种OPGW结构性能比较

   中心铝骨架和中心铝管结构OPGW的直径一般较大,而拉断力较小,对铁塔荷载和塔头设计不利,而且其铝截面积较大,直流电阻较小,与普通地线的分流比较大,
   在热稳定控制的情形下,往往造成普通地线的造价提高。对于各种结构的性能比较已经有了很多的文章,比较认为总体选用中心不锈钢管和层绞不锈钢管是最优的,从结构设计理念上接近导线。
   一般而言,对于新架线路,宜采用松套结构偏心钢管式或中心钢管式OPGW。新建线路的杆塔承载结构可以适当调整以适应OPGW的要求。在各种松套结构的OPGW中,以钢管层绞式结构最为紧凑,其有效承载面积与总截面的比值最大,在相同张力情况下,它的总截面最小,OPGW的风压负荷最小,对杆塔的负荷影响最小。不锈钢管式OPGW的尺寸小,重量轻,可以与传统的地线尺寸接近,其单位重量和机械性能都与传统的地线接近。在承受短路电流冲击时,热量对光单元的影响,钢管型的影响远小于铝管型和铝骨架型,钢管型能有效地保护光纤可靠性和传输性能的稳定。 
   对于已建线路更换原有地线架设OPGW,经过参数配选,一般情况下松套结构和紧套结构均能满足杆塔负荷要求,此时,选用松套结构为宜。
   总之,OPGW的结构选择要综合考虑地形、档距、气象条件、杆塔结构、造价等诸多因素,经参数校核满足要求后才最终确定。 
(3) 松套结构OPGW光纤余长确定
   OPGW和普通导线一样,在安装以后由于受张力、自重和温度等的影响,将会发生塑性和弹性伸长。光纤余长作为松套结构OPGW的一个重要参数,必须对其在各种恶劣气象条件和地形条件的运行情况下的伸长量进行计算,并对OPGW光纤余长加以限制。光纤余长过短,当OPGW缆的伸长大于光纤余长,光纤将会因余长不够而受力从而造成光纤衰减增大;光纤余长过长,当在低温状态下OPGW缆收缩时光纤在1550nm波长下微弯损耗增大。只有当缆内所有光纤的余长在一定的范围内是均匀(或一致)时才有实际意义,因此在试验时应尽可能地同时测试多根光纤的应变状态。

三、在重冰区一定需要紧套、骨架结构吗?

   在OPGW光缆线路的设计选型中,争议较大的是:是否在重冰区优先采用紧套结构,光缆结构是否优先考虑铝骨架结构,在重冰区光缆抗侧压力的性能如何评价,缆径和短路电流容量如何确定等。
   近年西南电网在新建500KV 、220KV、110KV线路上都敷设了OPGW光缆,上述各种结构的光缆都有应用。OPGW光缆在西南电网(包括云、贵、川)的使用只有几年,运行经验不多,至今的运行统计数据表明没有断缆断纤情况发生。在进行线路设计时,一般认为,电力用户在一般气候条件下选择缆型的范围大一些,在重冰(覆冰20mm以上)地区和大档距或大高差地区选型范围受限,在这些地区对光缆重量、直径和抗侧压力有特别要求。
   其实,在重冰区紧套或松套光纤单元结构的OPGW光缆都可采用。在重冰区光缆外径可能由于包覆冰层导致重量、风冰负荷增加很大,导致线路运行张力增大,尽管此时对光缆的抗侧压力要求有所增大,但不管哪种结构光缆都能满足侧压力要求。所以光缆覆冰其实质还是反映到在运行张力增大后,光纤是否受力,而且覆冰脱落后可能引起的振动或舞动对光缆和光纤的损伤、对悬垂线夹出口处的损伤。松套光纤单元结构的光缆能保证在70%RTS受力情况下光纤不受力,确保了该种光缆结构就可以用在重覆冰线路中。目前在云南、四川、贵州等地30mm和20mm重覆冰区的OPGW大量应用证明国内层绞(偏心)松套不锈钢管式光缆是很适合使用在重冰区的。中天日立不锈钢管式光缆的侧压力性能满足国家及国际标准要求,在重覆冰地区应用不受任何影响。缆径及短路电流应根据电力线路具体情况(故障短路电流热平衡、铁塔塔头负荷能力、与另一根地线的张力弧垂匹配等)选取。
   OPGW光缆一旦架设施工完毕后,就在年平均运行张力下工作,当OPGW覆冰后,其承受的外荷载增大,此时要求OPGW光缆具有足够的张力强度,并对杆塔受力增加,悬点应力增大,此时对悬垂线夹的抗疲劳性提出更高的要求。由于OPGW弹性模量较大,覆冰引起的弧垂下降不会降低OPGW与导线的安全距离。

四、大覆冰地区OPGW的试验验证

   针对大覆冰地区的应用条件,对OPGW光缆有如下特殊要求和技术条件::
(1) 光纤单元压力实验:由于OPGW覆冰后冰层的重量及张力增大后的摩擦力导致光纤单元承受一定的侧压力,规定OPGW光缆可承受700kg/50mm的压扁试验而不引起光衰减的增加。
(2) 脱冰跳跃要求:特别是对于20mm 冰区OPGW应满足实际使用档距800m,架线张力40%RTS,覆冰重量2kg/m,全档覆冰1600kg情况下,OPGW因覆冰全部脱落产生脱冰跳跃,每年运行期间约出现20次而不发生OPGW损坏。
(3) 满足96小时最大工作荷载试验。
   OPGW承受规定的最大工作荷载(75 %的RTS张力), 持续96小时。连续监测光纤的损耗、伸长和缆的伸长。光纤衰耗增量小于1dB,张力释放后,无附加衰耗。