一種用于高壓輸電的光電一體式線纜研發(fā)

羅隆恩

【摘要】 本文通過分析電網(wǎng)建設(shè)中電力光纜的性能特點及應(yīng)用場景，提出一種新型光電一體式線纜，在光纖復(fù)合架空相線（OPPC）的基礎(chǔ)上，通過引入耐熱高強(qiáng)的全絕緣光單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)產(chǎn)品的金屬光單元，解決供電線路上OPPC光電分離引下難題，從而開發(fā)適合高壓電力線路同時傳送電能和信息并且方便接續(xù)的光纖復(fù)合電纜。

【關(guān)鍵詞】 光電一體式線纜 光電分離引下 全絕緣光單元

引言：我國電力通信特種線纜的應(yīng)用主要是ADSS、OPGW，隨著農(nóng)網(wǎng)、配網(wǎng)通信改造的深入， 對于10kV及35kV無地線的線路，無法架設(shè)OPGW；而架設(shè)ADSS光纜，因掛點低，容易被偷盜或被外力破壞，且其對地距離及交叉跨越所受到的限制較大。OPPC是相線，帶有高電壓，相對于OPGW及ADSS有明顯的防盜優(yōu)勢。綜合造價及工程建設(shè)、運(yùn)維等因素，架設(shè)OPPC將是最佳選擇。

但OPPC存在光電分離困難的缺點，無論中間接續(xù)還是終端引下，都必須有很好的絕緣，以確保光通信線路和電力傳輸線路的分離，對施工的技術(shù)要求較高，到目前已經(jīng)發(fā)生多起接頭盒炸毀而導(dǎo)致通信、電力中斷的事故。

一、設(shè)計理念

常規(guī)OPPC光單元設(shè)置在鋼芯鋁絞線中心，由不銹鋼管保護(hù)光纖。由于鋼管為金屬材料，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，光單元不能很好的實現(xiàn)光電分離；在輸電的過程中鋼芯鋁絞線隨著負(fù)載的增加發(fā)熱，會使光纖衰減增加，對光纖傳輸?shù)墓庑盘栐斐筛蓴_并縮短光單元的使用壽命。同時，鋼芯鋁絞線內(nèi)難以設(shè)置較長的鋼管光單元，不利于推廣。在實際運(yùn)行中配電網(wǎng)的落點和線路走向經(jīng)常調(diào)整變動，常規(guī)OPPC的接續(xù)和引下成本太高，而且每處都要特定纜長來配盤，難于在配網(wǎng)大范圍推廣應(yīng)用。本次研究需要解決常規(guī)OPPC的以上技術(shù)難題，開發(fā)一種新型光電一體式線纜，在設(shè)計上既要滿足通信光纜的規(guī)范要求，也要滿足電力傳輸線纜的標(biāo)準(zhǔn)要求。研究方向是采用全絕緣、耐熱光單元代替金屬光單元；產(chǎn)品要求方便接續(xù)、引下施工。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

本課題設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)：光纜性能要求滿足Q/ CSG110003-2011《南方電網(wǎng)電力光纜技術(shù)規(guī)范》要求；機(jī)械性能和電氣性能應(yīng)與相鄰導(dǎo)線一致，符合GB/T 1179-2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》要求；光單元絕緣性能符合GB311.1-2012絕緣配合的相關(guān)規(guī)定。

OPPC是將光單元復(fù)合在相線中，結(jié)構(gòu)與輸電導(dǎo)線相近。根據(jù)光單元所處的位置，可分為中心管式與層絞式兩種結(jié)構(gòu)。通過產(chǎn)品性能比對分析，中心管式OPPC的光單元設(shè)置在線纜中間，不利于線纜的接續(xù)，而且抗拉性能明顯比不上層絞式OPPC。另外，光單元采用全絕緣，因此在設(shè)計上既要考慮光單元的保護(hù)，又要考慮線路帶負(fù)荷運(yùn)行對光單元傳輸?shù)挠绊?。由于趨膚效應(yīng)，電力線路導(dǎo)體帶負(fù)荷運(yùn)行時表層發(fā)熱厲害，將光單元放在表層不利于其保護(hù)，設(shè)計將光單元放在絞線的鄰層。最終結(jié)構(gòu)型式確定為：鄰層為全絕緣光單元的層絞式OPPC，如圖1所示。

三、材料篩選

設(shè)計要求線纜具有良好的熱穩(wěn)定性，保證電力傳輸時光通信不受影響。目前，我國輸電導(dǎo)線設(shè)計長期使用溫度為70℃，短期為90℃。

OPPC的結(jié)構(gòu)單元可分為導(dǎo)體單元和光單元，導(dǎo)體單元的主要組成部分有鋼芯加強(qiáng)件、鋁絞線；光單元的主要組成部分有UV著色光纖、填充油膏、二次被覆。

導(dǎo)體單元設(shè)計采用鋁包鋼芯作為中心加強(qiáng)件、電工圓鋁線絞合而成。其具體結(jié)構(gòu)為：內(nèi)層中心加強(qiáng)件采用鋁包鋼芯，其導(dǎo)電性能優(yōu)于普通LGJ鋼芯鋁絞線中心的鍍鋅鋼芯，線材比重也比鍍鋅鋼芯輕，熱膨脹系數(shù)接近。外層和鄰層絞合單元采用電工圓鋁線，其材料各項技術(shù)性與導(dǎo)線一致。導(dǎo)體單元的鋁包鋼芯、鋁線能在120℃有很好的熱穩(wěn)定性，能滿足一般的載流要求。對于更高的載流要求，采用耐熱合金鋁線，耐熱溫度可以提高到150℃以上，使傳輸容量成倍增加，同時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不受大載流溫度變化影響。

光單元采用G.652D石英光纖，光纖經(jīng)過有機(jī)硅涂料UV固化著色，具有耐高溫、柔軟、彈性好、楊氏模量小且隨溫度變化小、高低溫性能穩(wěn)定，其長期使用溫度可在100℃；填充油膏的滴點大于200℃，可以滿足線路運(yùn)行溫度要求；二次被覆材料的選取是光單元成敗的關(guān)鍵，必須滿足良好的絕緣、耐熱性能，同時保持或提高光纖抗縱向和徑向應(yīng)力的能力。材料性能指標(biāo)要求熱膨脹系數(shù)小、短期及長期收縮小、被覆工藝易于控制、被覆管內(nèi)外表面光滑，化學(xué)及熱穩(wěn)定性好，有適當(dāng)?shù)目箯垙?qiáng)度和楊氏模量。若所使用的塑料性能不佳將造成光單元內(nèi)壁毛刺，使光纖受到應(yīng)力而影響傳輸性能；若光單元壁厚和材料模量達(dá)不到設(shè)計要求，里面的光纖將受到拉力和側(cè)壓力的影響，同樣會使光纖產(chǎn)生應(yīng)力，引起附加損耗。通過分析市場上常用的耐熱工程塑料的性能指標(biāo)，以及生產(chǎn)設(shè)備的狀況，初步篩選出能滿足耐熱70-90℃以上的3種高分子材料備選：HDPE、PBT、PA。

用備選材料試制光單元樣品并進(jìn)行工藝試驗：HDPE熱收縮、機(jī)械強(qiáng)度低；PA彎曲、扭轉(zhuǎn)易開裂；PBT楊氏模量高、成型后內(nèi)壁光滑、彎曲性能好。PBT綜合性能較好，最終確定為光單元的二次被覆材料。

四、工程樣品試制及試驗

4.1光單元工藝設(shè)計

設(shè)計的關(guān)鍵核心是光單元的光纖余長和拉伸窗口，適當(dāng)?shù)墓饫w余長可保持光單元內(nèi)光纖良好的機(jī)械性能和高低溫衰減特性，過大的光纖余長將使光纖出現(xiàn)宏彎曲或微彎曲狀態(tài)而產(chǎn)生大的附加損耗，過小的光纖余長又可能導(dǎo)致拉伸窗口無法滿足光電混合纜的運(yùn)行環(huán)境要求。結(jié)合廣東高溫、風(fēng)大的特點，以I類氣候區(qū)來設(shè)計光纜，光纖余長控制在1.6-1.8‰，配合線纜結(jié)構(gòu)設(shè)計合適的套管尺寸，以獲得較好的高溫性能及拉伸性能。

4.2成纜及拉力試驗

全絕緣光單元OPPC，在滿足光纖特性的前提下，還需具備原導(dǎo)線的特性。根據(jù)運(yùn)行單位提供的資料，原電力線路導(dǎo)線為LGJ-240/30，設(shè)計必須與其匹配，型號定義為OPPCF-240-12B1.3。光單元與導(dǎo)體單元按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范絞合成纜，對成品進(jìn)行拉力試驗，測試負(fù)載下單點雙向平均損耗是否符合光纖傳輸使用要求。在光纖接續(xù)完成后，將光纜駁接成形掛上拉力試驗臺，分別對纖芯進(jìn)行零負(fù)載、牽引力10kN、牽引力20kN的損耗測試。

4.3綜合試驗

綜合試驗也就是OPPC載流拉力光測聯(lián)合試驗，目的是驗證在線路運(yùn)行張力下，載流升溫至150℃（時間>4s），光單元絕緣護(hù)套的事故耐受能力和光通信可靠性。本設(shè)計中光單元絕緣護(hù)套的維卡軟化溫度為150℃，根據(jù)規(guī)程，架空送電線路導(dǎo)線最高運(yùn)行溫度為90℃，試驗要求滿足線路正常運(yùn)行。工程樣品在環(huán)境溫度25℃，載流≥1100A，要升溫150℃，需19min。所以試樣在接近維卡軟化溫度經(jīng)歷時間遠(yuǎn)大于4s（遠(yuǎn)后備保護(hù)出口時間），試驗條件比實際短路故障嚴(yán)酷得多。

按規(guī)程，導(dǎo)線最小的安全系數(shù)為2.5，即最高運(yùn)行張力≤40%破斷張力，本試樣約為3.4T≈33.4kN。而廣東地區(qū)架空按“年平均運(yùn)行應(yīng)力”計算，導(dǎo)線最大運(yùn)行張力為2.56T，所以試驗施加最大張力2.56T≈25.1kN。通過試驗，工程樣品在線路運(yùn)行張力下，載流升溫至150℃，光單元絕緣護(hù)套的耐受能力和光通信可靠性完全滿足設(shè)計要求。

4.4配套金具、接續(xù)和引下施工方法

因OPPC內(nèi)有光單元，為了最大限度在連接部位保護(hù)光纜，需要采用預(yù)絞式金具。預(yù)絞式金具與OPPC接觸面積大，受力分布均勻無應(yīng)力集中，最大限度保護(hù)光纜，同時由于其獨(dú)特的機(jī)構(gòu)保證了對光纜有足夠的握力，使用安全可靠，施工方便。根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的特點，優(yōu)化OPPC的接續(xù)和引下，經(jīng)過項目組反復(fù)試驗，研發(fā)特殊的分離套管將處在OPPC表層下面的光單元分離出來，另行熔接，同時還原出一段無光單元的導(dǎo)線，通過 “補(bǔ)股”的方式保持原導(dǎo)線截面結(jié)構(gòu)不變，再采用其電力常規(guī)金具，如導(dǎo)線壓接管或耐張線夾等進(jìn)行相關(guān)的中間接續(xù)或終端接續(xù)。

五、結(jié)束語

本課題研發(fā)的產(chǎn)品，經(jīng)過供電局試驗所的“絕緣光單元OPPC‘空白試驗”、“OPPC載流拉力聯(lián)合試驗”，以及省電力行業(yè)高低壓電工產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心的“額定雷電沖擊耐受電壓和截斷雷電沖擊耐受電壓試驗”、“額定短時工頻耐受電壓試驗”，絕緣性能符合GB311.1-2012絕緣配合的相關(guān)規(guī)定，各項指標(biāo)的檢測結(jié)果均能符合技術(shù)要求。定型產(chǎn)品在電網(wǎng)110kV線路上掛網(wǎng)運(yùn)行，經(jīng)過近一年的運(yùn)行監(jiān)測，線路輸電和承擔(dān)的通信業(yè)務(wù)一切正常。以上研究成果表明該光纖復(fù)合電纜完全滿足電力調(diào)度控制、輸電管理的要求，具備架空線正常運(yùn)行和事故耐受能力，在惡劣運(yùn)行條件正常傳輸信息數(shù)據(jù)和電能，并能方便的光電分離施工，為進(jìn)一步的推廣應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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