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        技術支持

        不銹鋼管式OPGW的設計和制造技術

        摘要:本文介紹了OPGW光纜的結構特點、相關參數的設計和計算及制造技術。

          關鍵詞:OPGW 結構 設計 制造

         0. 概述

          光纖復合架空地線(OPGW)不僅具有地線與光纜的雙重功能,而且光纖受到光單元(通常為金屬管)與金屬(通常為鋁包鋼和鋁合金)線的雙重保護,所以具有很高的可靠性。

           OPGW結構型式多樣,不象普通光纜或ADSS光纜結構簡單。OPGW主要由含光纖的纜芯(光單元)和絞合的金屬線組成。按光單元的不同類型來分,可歸 納為鋁管型、鋁骨架型和鋼管型等三類主要結構。不銹鋼管式的OPGW在結構上與地線相類似,比較容易設計成與現有地線相匹配。

          1. 不銹鋼管式OPGW光纜的結構特點

           不銹鋼管光單元(以下簡稱為“鋼管”)式結構的OPGW具有尺寸小,重量輕,與傳統的地線如GJ35、GJ50、GJ80、GJ100、GJ125等尺 寸接近(可能略粗),其每公里自重與傳統的地線接近,機械性能與傳統地線接近,光單元阻水性能優異、耐溫性能好等顯著特點和優勢。

          由于光纖相對于鋼管和纜體長度具有一定的余長(如中心管式余長在5‰以上,層絞式可以做到7‰以上)因此,當光纜在幾十年一遇的最惡劣氣象條件下(相當于承受70%破斷力時),可以保證光纖不受力在波長1550nm窗口損耗不增加。 來源:輸配電設備網

          單層絞線的中心管式結構緊湊,常用于小規格尺寸地線的更換,如GJ35、GJ50等。由于在(1+6)絞線結構中,用鋼管替代了處于中心的金屬線,鋼管不計入機械強度,故要想獲得與地線一樣的抗拉強度,需適當增加外徑(一般只增加零點幾毫米)。

          鋼管不處于中心位置的多層絞線結構,常用于替代GJ80(及以上)地線??梢酝ㄟ^調節金屬截面積中的鋁/鋼比率,權衡直徑,抗拉強度、載流量等參量,比單層絞絞線中心管式結構有較大的設計空間。

          當鋼管內徑和光纖余長一定,鋼管內可容納的最大光纖數量也就決定了。在鋼管規格的光纖容量范圍內光纖芯數的增加不影響光纜的外徑。反之,則要增加鋼管數量或增大管徑,有可能會增大光纜外徑。

         2. 鋼管式OPGW光纜的設計

          光纖復合架空地線的設計必須滿足兩個基本條件:一是滿足光纖通信的要求,二是滿足架空地線的機械與電氣性能要求。

          2.1 光纖通信設計的基本要素

          在設計OPGW光纜的光纖通信要求時,需要考慮該光纜中的光纖的數量、光纖的類型以及光纖的應用波長及光性能指標。

          OPGW常采用G.652類光纖,有時會采用G.655類和G.652類光纖混裝。

          根據最新(2003版)GTU-T的光纖建議,G.652類光纖己細分為四個子類,G.655類光纖也己細分為三個子類。應根據光通信系統設計的要求來選用。


          在設計光通信傳輸性能時,還需要兼顧不銹鋼管中的光纖的余長以及成纜后的光纖的余長。光纖的余長是保證光纜可靠性的關鍵因素。光纖的余長需通過光纜的尺寸、不銹鋼管的尺寸、光纖芯數與絞合節距來綜合考慮。

          2.2 架空地線設計的基本要求

          OPGW光纜必須滿足地線的機械與電氣兩個方面的性能要求。在設計地線部分時主要是選擇合適的鋁包鋼線和鋁合金線及它們的配比。在地線設計中需考慮到的主要參量有最大直徑、自重、抗拉強度、直流電阻、最高溫度及短路電流容量。

          總之,OPGW的外徑、重量、抗拉強度等機械特性應與另一根地線和桿塔負荷相匹配,保證OPGW在該安裝區最不利氣象條件下能夠安全運行。

          (1) 外直徑

          OPGW的外徑與它的所有性能都有密切的關系。外徑的增大可能意味著重量的增加,而且還會增加OPWG的風荷載和冰荷載,從而引起桿塔負荷的增加。

          OPGW的外直徑是絞合單線標稱直徑之和的計算值。

        (2)額定抗拉強度(RTS)

          在工程設計中,導線的安全系數σ一般不小于2.5,OPGW和另一根地線的安全系數σ一般按不小于導線的安全系數考慮。因此,有(1)式:

          額定抗拉強度(RTS) ≥σ×最大運行張力(MAT). (1)

          最大運行張力(MAT)是在最不利設計氣象條件下計算出來的負荷力。以此確保OPGW運行時光纖不受力。

          工程設計中一般使OPGW和另一根地線的安裝弧垂相當,以此得出的抗拉強度和最大運行張力的比值要滿足安全系數的要求。

          RTS與所用金屬材料的抗拉強度和截面積有關,通常:

          RTS=( Aacs.Tacs +Aaa.Taa)×95% (2)
          式中:
          AaaA,,Aacs : : :鋁合金線,鋁包鋼線截面積 ,(mm2)
          Taa, Tacs : 鋁合金線,鋁包鋼線的抗拉強度,(Mpa)

          (3) 重量

          光纜組成元件,即光單元、單絲及纜膏重量之和。

          (4)最終彈性模量

          最終彈性模量(E)的計算式:(3)
          式中,
          En: 每種材料的彈性模量值,(KN/mm2 );
          An  對應材料的橫截面積(mm2);
          n  n種材料。

          (5)線膨脹系數

          線膨脹系數(β)的計算式:(4)
          式中,
          En  每種材料的模量值,(KN/mm2 );
          An  對應材料的橫截面積,(mm2 );
          βn 每種材料的線膨脹系數值,(1/℃?10-6 );
          n  n種材料。

          (6)短路電流熱容量

          由于OPGW使用的特殊性,它不僅需承受與普通光纜同樣的惡劣條件下的環境溫度,而且在大電流高電壓的感應下,會使OPGW產生感應電流,從而使光纖的溫度升高。特別是在出現短路故障或雷擊時,OPGW的溫度會急劇上升,溫度的升高對光纖的傳輸性能是不利的。
        額定短時負載電流密度 由下式給出( 5 )

          其中 (6)式中:
          熱容量,[J/kg℃];
          20℃的導電率,[ / ]; 
          密度,[kg/ ];
          溫度系數,[1/℃];
          短路開始時的溫度,[℃];
          短路終止時的溫度,[℃]。
        7)直流電阻

           OPGW應具有良好的熱穩定容量。影響熱穩定容量的因素有短路電流、OPGW及另一根地線的直流電阻、短路電流持續時間等。OPGW中所有導電元件在 20℃時的并聯電阻應盡量與另一根地線接近。如果OPGW直流電阻過大,會劣化機械特性。增大OPGW的截面(特別是鋁合金的截面)能夠提高其熱穩定容 量。

          OPGW直流電阻的計算:(7)
          式中,
          R:  整個OPGW的線性直流電阻,(Ω/km);
          Rmn: 每種材料的線性直流電阻,(Ω/km);
          n:  n種材料。(8)
          式中,
          ρm: 材料的電阻系數(Ωmm2/km);
          Ami: 第i 層中的指定材料的面積(mm2);
          Fi   第i層的絞入率;
          i:  絞合層數。

          (8)抗雷擊性能的考慮

           在OPGW的抗雷擊方面,應考慮增大外層股線的直徑,制造外層股線和內層股線之間的空氣間隙,防止熱量從外層股線傳導到內層和光纖,加厚外層鋁包鋼的鋁 包厚度,以便鋁吸收更多的熱量,保護內部鋁包鋼線和光單元,維持OPGW所需的抗拉強度。在相同的材料下,采用直徑更粗的外層股線是一種很有效的辦法,但 應顧及到整個OPGW的外徑符合要求。另外,OPGW的弧垂宜稍小于另一地線,以保證對導線的安全距離和防雷保護角要求。

         3.  OPGW光纜的制造

          3.1 不銹鋼光單元的制造

          不銹鋼管制造中應考慮的主要問題有光纖的余長、光纖油膏的填充率和鋼管焊縫的質量。

          (1)鋼管中光纖余長的控制

          眾所周知,余長是所有光纜(包括OPGW)最關鍵性的問題,特別對于中心管式OPGW尤為關鍵,因為余長的最終值必須在鋼管內直接獲得。光纖余長要盡可能的控制精確并分布在平均值左右。

           在電力行業標準DL/T832-2002中,要求中心管式的OPGW在受到40%RTS時,光纖無應變,無附加衰減。這就要求光纖余長在0.5%左右。 要保證光纖的余長,又要保證光纖的損耗不增加,這就對一定規格的鋼管內的光纖數量提出了限制。所以在設計光纜結構時應考慮到生產制造時的可能性和可行性。

          (2)鋼管中油膏的填充率

          油膏填充率直接牽涉到光單元的阻水性能,還會對始終帶有一定弧垂(包括安裝和運 行)的OPGW在高溫、低溫、微風振動和舞動時纜內的光纖的性能造成影響。對光纖油膏在鋼管中的填充率有一定的要求。偏低的填充率(如70%左右)雖然能 通過阻水試驗,但對光纖的長期保護功能欠佳。

          針對光纖油膏的填充率,我們不但做了光單元的滲水試驗。試驗要求從成品OPGW端部取一段1m長的光單元試樣,水溶液對試樣中心形成1m高的水頭,試驗結果一小時后無水滲出。同時我們對油膏填充率的試驗計算方法進行了研究并用于生產實踐(另文介紹)。

          大量的試驗證明,我們生產的光單元不但確保阻水性能,其油膏填充率目前是最高的。

          (3)焊縫的質量控制

           科學常識告訴我們:任何工藝都不能保證100%,俗稱的“絕對” 是不存在的。鋼管焊接時難免會產生一些虛焊點,只是“多”或“少”而己。如果鋼管未經過冷拔,等于焊縫的質量未經過連續檢驗,所以在絞纜時這些虛焊點的焊 縫容易開裂。由于絞纜速度較快,而且鋼管一般處于內層,不容易發現也無法在成纜時或成纜后再檢查鋼管質量。很容易將焊縫不合格的鋼管應用到生產和工程中 去。

          我們在鋼管生產過程中對其連續進行拉撥(在彈性范圍之內),因此,焊接的質量等于連續經受了拉撥檢驗,如果有漏焊虛焊(那怕肉眼不可見的缺陷)經拉撥后,缺陷會立即變大,渦流探傷儀會自動立即記錄缺陷所在點位置。這種方法避免了有缺陷隱患的OPGW光纜的成品出廠。
        3.2 OPGW光纜的絞制

          OPGW外層絞向一般為右向。對于采用兩種不同金屬絞合的OPGW,為了有效減少不同金屬間電化腐蝕的危險性,OPGW的絞線層間可以涂覆防腐油膏。

          絞合節距與OPGW的拉伸性能相關,鋼管不處于中心的多層絞OPGW結構通過絞合獲得額外的絞合余長。

           絞合余長的大小與絞合節距P的平方成反比,即P值越小,余長越大,根據相關標準規定,P值取值一般在絞層直徑的10—14倍,實際上內行的廠家都知 道,P值小于12,工藝難度很大,鋼管很容易被扭壞,接近14時,余長又太小。因此,通常情況在12—12.5倍的絞層直徑較為合適,在此范圍內,中心管 或層絞式的OPGW,光纖余長一般都能得到保證。因此,一根品質優良的OPGW光纜首先是結構設計合理,其次是好的材料和高性能的先進設備來保證,工藝應 當根據理論指導來決定:
          (1) 余長計算來控制節距范圍;
          (2) 放線張力,使各種線材料在受力狀態下應變同步;
          (3) 調整三種線材(鋁包鋼線、鋁合金鋁線、不銹鋼管)的預變形量。

         4. 結束語

          (1) 鋼管式OPGW的設計技術包括光纜(傳輸性能)和架空地線(機械、電氣性能)兩大部分。 
          (2) 鋼管式OPGW的主要生產技術包括不銹鋼管光單元和絞線兩大部份。
          (3) 致錦多年的設計和制造經驗為國內大量的工程提供了數千公里的OPGW光纜,并成功運行。在各地反映情況良好,受到了廣大用戶的歡迎。

          參考文獻

          (1) 光纖復合地線,中華人民共和國電力行業標準 DL/T 832-2003
          (2) 張忠、李萬盟、徐軍,不銹鋼松套管OPGW光纜的余長設計,電力系統通信: 2003 (1)55-56
          (3) 黃俊華,OPGW的主要特性和工程配置,網絡電信:2002 (2) 40-44
          (4) 張建明,OPGW光纜與地線的問題探討,OPGW應用技術研討會:2001.11,51-53
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