OPGW光纜的特性及其應(yīng)用

[摘 要] 文章簡(jiǎn)要介紹OPGW的兩種國(guó)際招標(biāo)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，討論各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其應(yīng)用，提出對(duì)不同工程的使用條件，應(yīng)針對(duì)性地選用適宜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還討論OPGW在輸電線路上應(yīng)用的要求與條件。

[關(guān)鍵詞] OPGW；標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；輸電線路

[作者簡(jiǎn)介] 劉鵬，珠海供電局系統(tǒng)運(yùn)行部工程師，研究方向：電力系統(tǒng)通信運(yùn)行管理，廣東 珠海，519000

[中圖分類號(hào)] TN818[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1007-7723（2012）07-0016-0005

光纖復(fù)合架空地線（OPGW）是集通信光纜和架空輸電線路避雷線于一體的地線，其既要滿足光纖通信的技術(shù)要求，同時(shí)又要滿足作為地線所必備的特性要求，包括機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能。由于這種地線是將光纖內(nèi)置于絞線中，架設(shè)于高壓架空輸電線路的地線頂架，具有安全可靠、無電磁感應(yīng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)外自20世紀(jì)70年代末開始就逐步在架空輸電線路中得到應(yīng)用，而且使用量越來越大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球至今已鋪設(shè)OPGW光纜達(dá)數(shù)10萬公里。我國(guó)自上世紀(jì)90年代以來，OPGW光纜的使用量也日益增長(zhǎng)，目前已有10000余公里的線路在運(yùn)行。

OPGW光纜工程涉及到線路和通信兩個(gè)專業(yè)，工作中各自的側(cè)重點(diǎn)不同，考慮問題的角度也不一樣，因此有必要對(duì)招標(biāo)和設(shè)計(jì)過程中的一些原則進(jìn)行討論。同時(shí)，由于目前各家廠商生產(chǎn)的OPGW光纜，其結(jié)構(gòu)差別較大，采用的標(biāo)準(zhǔn)也不一致，因此在工程招標(biāo)中有必要對(duì)各種結(jié)構(gòu)的OPGW光纜特性進(jìn)行充分的了解，從而選擇適宜的產(chǎn)品。

一、OPGW光纜標(biāo)準(zhǔn)

（一）OPGW光纜的主要特性參數(shù)

OPGW光纜的主要特性參數(shù)，幾乎都與線路桿塔的檔距，弧垂特性，風(fēng)荷與冰荷情況，OPGW光纜的懸掛點(diǎn)，允許張力有關(guān)，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）光纖數(shù)量；

（2）光纖類型和光特性；

（3）OPGW光纜的總外徑（mm）；

（4）計(jì)算的導(dǎo)體橫截面積（mm2）；

（5）計(jì)算的線性質(zhì)量（kg/km）；

（6）額定拉斷力（RTS）（KN）；

（7）彈性模量（MPa）；

（8）線膨脹系數(shù)（1/℃ *E-6）；

（9）線性直流電阻（歐姆/公里）；

（10）最大允許運(yùn)行溫度范圍（℃）；

（11）短路電流容量（I2t）（KA2·S）；

（12）最大允許拉力（MAT）（KN）。

性能優(yōu)良的OPGW光纜應(yīng)滿足上述各項(xiàng)要求。同時(shí)，為了對(duì)所采用的OPGW光纜特性有全面的了解，檢查是否真正符合工程所需的要求，應(yīng)進(jìn)行各項(xiàng)特性實(shí)驗(yàn)。

（二）OPGW光纜的性能實(shí)驗(yàn)：

目前國(guó)際上對(duì)OPGW光纜有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛應(yīng)用，一個(gè)是國(guó)際電工委員會(huì)的IEC 1396標(biāo)準(zhǔn)《光纖復(fù)合架空地線的電氣，機(jī)械和物理性能要求及實(shí)驗(yàn)方法》；另一個(gè)是美國(guó)電子電氣工程師學(xué)會(huì)的IEEE 1138標(biāo)準(zhǔn)《用于電力線路的光纖復(fù)合架空地線》。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)各有特點(diǎn)，為方便比較，現(xiàn)將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)OPGW光纜的性能實(shí)驗(yàn)要求列表如下：

由該表可看出由于IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)非常齊全，IEC 1396標(biāo)準(zhǔn)除了提出OPGW光纜成纜一般要求外，其余實(shí)驗(yàn)大量引用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如光纖參數(shù)執(zhí)行IEC 793，未提供具體的數(shù)據(jù)，因此可操作性不強(qiáng)，但對(duì)OPGW光纜結(jié)構(gòu)要求的描述較靈活；而IEEE 1138標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)OPGW光纜元件，成纜的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)提出了特別詳細(xì)的規(guī)定，還對(duì)OPGW光纜架設(shè)張力，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)，安裝、包裝等均提出了非常詳細(xì)的要求，因此可操作性較強(qiáng)，但其對(duì)OPGW光纜的結(jié)構(gòu)要求更傾向于光單元置于光纜中心的結(jié)構(gòu)，同時(shí)其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也少了一項(xiàng)雷擊實(shí)驗(yàn)。

因此，在OPGW光纜招標(biāo)和設(shè)計(jì)過程中，OPGW光纜標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行應(yīng)以IEEE 1138標(biāo)準(zhǔn)為主，IEC 1396標(biāo)準(zhǔn)為輔，即光纜型式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在IEEE 1138規(guī)定內(nèi)容基礎(chǔ)上增加雷擊實(shí)驗(yàn)；光纖型式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按IEEE 1138規(guī)定內(nèi)容執(zhí)行；光纜工廠檢驗(yàn)內(nèi)容則在例行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中選擇。

二、OPGW光纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

OPGW的結(jié)構(gòu)包括光纖單元結(jié)構(gòu)和地線單元。

（一）光纖單元及其結(jié)構(gòu)

正常運(yùn)行、安裝情況下，合理的光纖單元結(jié)構(gòu)應(yīng)該使光纜纖芯的受力與衰耗最小。因此，光纖單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮必要的機(jī)械保護(hù)結(jié)構(gòu)防止光纜纖芯受擠壓，適當(dāng)?shù)睦w芯余長(zhǎng)以減少纖芯受力，并采取措施以達(dá)到防潮、耐熱的目的。

從光纖單元結(jié)構(gòu)中光纜纖芯布置松緊程度的不同可分為緩沖緊套結(jié)構(gòu)和松套結(jié)構(gòu)。

1. 緩沖緊套結(jié)構(gòu)

基本理論依據(jù)：緊套光纜纖芯束一般在伸長(zhǎng)2%的情況下才可能被拉斷，然而實(shí)際運(yùn)行中的裸地線最大伸長(zhǎng)才千分之幾的數(shù)量級(jí)，因此光纜纖芯允許的伸長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地線的實(shí)際伸長(zhǎng)，纖芯的光衰耗等指標(biāo)可滿足工程要求。最典型的緊套結(jié)構(gòu)是采用縱向具有多個(gè)直凹槽或螺旋凹槽的鋁骨架，凹槽供光纖單元放置，典型結(jié)構(gòu)見圖1。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：OPGW直徑比較小，從而減小施加于線路塔上的風(fēng)荷載和冰荷載；對(duì)光纖提供保護(hù)加大抗彎曲的能力；由于具有金屬分隔定位槽，從而具有高抗擠壓能力。因此，該種OPGW抗外荷載能力較強(qiáng)，適合條件惡劣的工程采用。

2. 松套結(jié)構(gòu)

基本理論依據(jù)：置于不同材料保護(hù)管中的光纜纖芯通過填充物稠密程度的調(diào)整，或不同的結(jié)構(gòu)形式來處理光纖余長(zhǎng)；同時(shí)在OPGW中的纖芯實(shí)際長(zhǎng)度大于地線在受力情況下的長(zhǎng)度，因此能夠做到纖芯不受力或受力很小。典型結(jié)構(gòu)見圖2。

松套結(jié)構(gòu)OPGW又分為中心光纖式，層絞式和松套骨架結(jié)構(gòu)。

中心光纖式松套結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：保護(hù)光纜纖芯的手段比較多，但纜徑大，盤長(zhǎng)較短。

層絞式松套結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：外形上與普通地線接近，容易被運(yùn)行部門接受（目前廣東省運(yùn)用較多），同時(shí)盤長(zhǎng)較長(zhǎng)，有利于減少光纖接頭損耗，但對(duì)制造工藝和纖芯質(zhì)量要求較高，對(duì)光纖保護(hù)手段略少。

松套骨架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：抗側(cè)壓能力同緊套結(jié)構(gòu)不相上下，但因結(jié)構(gòu)限制最多只能容納48根光纖，不能用在光纖數(shù)量更多的工程中（目前工程中運(yùn)用很少）。

以上綜合比較了緩沖緊套結(jié)構(gòu)和松套結(jié)構(gòu)的各種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)該說兩種結(jié)構(gòu)各有利弊，其綜合性能（包括機(jī)械強(qiáng)度，電氣性能和光學(xué)性能）只要能通過實(shí)驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求而且滿足使用要求，就應(yīng)該被認(rèn)為是合理的。但工程條件不同側(cè)重面應(yīng)該有所不同，如工程條件惡劣，外荷載大，公路運(yùn)輸條件差等，首先就應(yīng)該考慮安全問題，因此往往側(cè)重于OPGW的抗外力破壞強(qiáng)度；而當(dāng)工程條件良好，線路長(zhǎng)度大，此時(shí)就應(yīng)該采用光衰耗小的結(jié)構(gòu)（如層絞式松套結(jié)構(gòu)）。

（二）地線單元（外絞合導(dǎo)體）

地線單元（外絞合導(dǎo)體）主要由鋁包鋼線（AS線），鋁合金線所組成，其主要作用是：

1. OPGW是架空地線，需要有承力元件，而外絞合導(dǎo)體就起承力的作用，從而使OPGW中的光纜纖芯，不會(huì)或很少承受外力。

2. 它具有一定的金屬截面，當(dāng)OPGW線路短路或受雷擊時(shí)，強(qiáng)大的電流將使導(dǎo)體發(fā)熱，而適當(dāng)?shù)慕饘俳孛妫鼙ＷCOPGW溫升在允許的范圍內(nèi)，從而不會(huì)因發(fā)熱而損壞光纖。

3. 外絞合導(dǎo)體能對(duì)光單元加多一層保護(hù)，使光單元免受機(jī)械和外力及其他不利條件引起的破壞。

三、OPGW光纜在架空輸電線路上應(yīng)用的要求與條件

（一）應(yīng)用上的要求

OPGW是電力光纖通信的通道，同時(shí)又在架空輸電線路中起到避雷線的作用，因此在應(yīng)用上要求滿足如下內(nèi)容：

1. 首先應(yīng)考慮光單元的光纖數(shù)量、類型、應(yīng)用波長(zhǎng)及光衰耗等，并考慮系統(tǒng)所需要的傳輸容量，光端機(jī)傳輸波長(zhǎng)及系統(tǒng)接口等。上述這些要求，直接影響到光纜組成，纖芯的設(shè)計(jì)及纖芯在OPGW的狀態(tài)等。

2. 作為避雷線，它同時(shí)還必須滿足地線的電氣、機(jī)械及物理性能要求。即在電氣性能方面應(yīng)滿足系統(tǒng)中短路電流容量和防雷擊要求。OPGW作為地線應(yīng)用，往往輔以另一根分流地線，因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求，計(jì)算出變電站的母線單相短路電流，確定短路故障時(shí)間和兩根地線承受短路電流的分流比，最終確定其最低短路電流熱容量，從而確定OPGW的最小導(dǎo)電金屬截面積，直流電阻及其直徑；而在機(jī)械物理性能方面應(yīng)滿足總拉斷力、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和線性重量等。

（二）OPGW使用的金具與附件

根據(jù)OPGW的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在線路架設(shè)時(shí)，要采用其專用的金具與附件，包括耐張線夾、懸垂線夾、防振錘、連板、緊固線夾、引下線夾、弧垂調(diào)節(jié)板、跳線夾、U型鉤環(huán)及接線盒等。

（三）OPGW的安裝設(shè)計(jì)

OPGW的安裝設(shè)計(jì)，要考慮與導(dǎo)線應(yīng)力，弧垂及絕緣間隙的配合，以及其荷重不應(yīng)超過現(xiàn)用桿塔及基礎(chǔ)所允許的使用范圍。因此應(yīng)根據(jù)所選用的OPGW主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算出其特性曲線，并結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)接線盒，各類金具，附件的布置圖，外形圖及安裝圖。

1. 初伸長(zhǎng)的處理

對(duì)OPGW初伸長(zhǎng)的處理，可采用降溫法，即復(fù)核OPGW的鋁鋼比，參照相近導(dǎo)線或地線的降溫?cái)?shù)值處理其初伸長(zhǎng)。

2. 防振措施設(shè)計(jì)

OPGW配套使用的金具中，耐張線夾為預(yù)絞絲式，懸垂線夾配有預(yù)絞絲，橡膠襯墊，這兩種金具已具有一定的防振能力。為了進(jìn)一步加強(qiáng)防振能力，可考慮安裝防振錘，一般按檔距計(jì)算：

檔距≤300M時(shí)，安裝一個(gè)防振錘；

檔距>300M時(shí)，安裝兩個(gè)防振錘。

3. OPGW施工架設(shè)應(yīng)注意的問題

OPGW的施工架設(shè)不同于普通鋼絞線，要注意防止永久的損傷以避免將來影響光纖的性能，并應(yīng)著重考慮：OPGW的扭轉(zhuǎn)、微彎、線夾外的局部徑向壓力和對(duì)光纖的污染。因此，在施工階段要采取如下有效措施加以解決：

（1）防止OPGW扭轉(zhuǎn)

在走板和緊線夾加裝平衡錘，防扭器；

采用特殊的雙槽滑輪；

采用雙絞盤的張力防線機(jī)；

（2）防止和減少OPGW的微彎與應(yīng)力

不允許有銳角出現(xiàn)（控制最小彎曲半徑500mm）；

OPGW纜盤直徑應(yīng)不小于1500mm；

滑輪直徑應(yīng)為OPGW直徑的25倍以上，一般不得小于500mm；滑輪的內(nèi)側(cè)要有尼龍或橡膠襯墊，防止擦傷OPGW的表面；

合適的牽引線和放線金具；

指定OPGW的最大盤長(zhǎng)為6000M，以防止過滑輪的次數(shù)；

限制連續(xù)放線的線路轉(zhuǎn)角≤30°，在一個(gè)放線的耐張段內(nèi)，轉(zhuǎn)角后的OPGW走向應(yīng)呈\"C\"字形；

（3）放線張力的控制：

采用帶張力釋放裝置的液壓張力放線機(jī)和牽引機(jī)；

限制放線速度≤0.5米/秒；

（4）防止光纖污染

在OPGW的施工架設(shè)中應(yīng)注意對(duì)端頭加以封裝；

另外，在OPGW運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)，架設(shè)前，架設(shè)完畢進(jìn)行光纖接續(xù)及全線施工結(jié)束后，都應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行OPGW的光纖衰耗驗(yàn)收測(cè)試。

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