重覆冰地區OPGW光纜的選擇

摘要：本文探討了在大覆冰地區OPGW光纜結構的選擇，以及對其應用的考慮。

關鍵詞：OPGW 覆冰 結構

一、覆冰地區的特點

　　我國的西南地區地形復雜，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，人煙的高山大嶺地區。這就造成架空送電線路往往經過覆冰厚度不同的多個氣象區。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，稱為重冰區。西南地區架空線路受地形控制，致使檔距不均勻，光纜懸點高差過大，往往引起光纜在高懸點處的應力過大。在地形起伏的山區，同一個耐張段內，有背風和迎風的山坡，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、風速及氣溫的明顯差異，從而冬季出現不均勻覆冰或不同期脫冰現象。OPGW光纜在不同期脫冰時會出現跳躍及舞動現象，產生較大的沖擊力及不平衡張力，發生冰害事故。

　　因此，在西南*的大覆冰、大高差地區選擇合理的OPGW結構型式非常重要。選擇OPGW時，應針對具體的工程項目，結合各種結構型式的特點綜合考慮。

二、選擇OPGW的結構 

　　OPGW結構包括光單元和鎧裝單元，光單元承擔OPGW的光纖通信功能，鎧裝單元承擔OPGW的地線功能。光單元是OPGW的核心組成部分，光單元的演變和發展推動了OPGW光纜的發展。光單元結構對光纖的受力和傳輸信號衰減程度有很大的影響，因此光單元結構的選擇需考慮必要的機械保護結構防止光纖受側壓，保證適度的光纖余長，并采用可靠的措施進行防潮、防水、隔熱等。

（1） 光纖結構型式可分為松套結構和緊套結構，應優選松套結構
　　據有關資料介紹，緊套結構的OPGW一般直徑較松套小，可以減少鐵塔上風、冰荷載；具有較高的抗側壓能力等優點。但緊套結構采用高強度光纖，使得價格較松套高，而且緊套光纖束在光纖單元結構中幾乎沒有余長。一般此種結構的光纜受力時，光纜伸長2%時，光纖可能就要受力，當單根光纖受力伸長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衰減將會增加，所以對通信效果就有一定的影響。
　　而松套結構中光纖一般置于有填充物的金屬（塑料）管中，具有較大的調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行情況下不受力，保證瞬時沖擊和短期大荷載下光纖不受到任何影響。因此，松套結構在余長方面的優勢很適合于大覆冰、大檔距、大高差等條件較為惡劣的線路。

表1 各種OPGW結構性能比較

　　中心鋁骨架和中心鋁管結構OPGW的直徑一般較大，而拉斷力較小，對鐵塔荷載和塔頭設計不利，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，在熱穩定控制的情形下，往往造成普通地線的造價提高。對于各種結構的性能比較已經有了很多的文章，比較認為總體選用中心不銹鋼管和層絞不銹鋼管是*的，從結構設計理念上接近導線。

　　一般而言，對于新架線路，宜采用松套結構偏心鋼管式或中心鋼管式OPGW。新建線路的桿塔承載結構可以適當調整以適應OPGW的要求。在各種松套結構的OPGW中，以鋼管層絞式結構zui為緊湊，其有效承載面積與總截面的比值zui大，在相同張力情況下，它的總截面zui小，OPGW的風壓負荷zui小，對桿塔的負荷影響zui小。不銹鋼管式OPGW的尺寸小，重量輕，可以與傳統的地線尺寸接近，其單位重量和機械性能都與傳統的地線接近。在承受短路電流沖擊時，熱量對光單元的影響，鋼管型的影響遠小于鋁管型和鋁骨架型，鋼管型能有效地保護光纖可靠性和傳輸性能的穩定。

　　對于已建線路更換原有地線架設OPGW，經過參數配選，一般情況下松套結構和緊套結構均能滿足桿塔負荷要求，此時，選用松套結構為宜。

　　總之，OPGW的結構選擇要綜合考慮地形、檔距、氣象條件、桿塔結構、造價等諸多因素，經參數校核滿足要求后才zui終確定。 

（3） 松套結構OPGW光纖余長確定
　　OPGW和普通導線一樣，在安裝以后由于受張力、自重和溫度等的影響，將會發生塑性和彈性伸長。光纖余長作為松套結構OPGW的一個重要參數，必須對其在各種惡劣氣象條件和地形條件的運行情況下的伸長量進行計算，并對OPGW光纖余長加以限制。光纖余長過短，當OPGW纜的伸長大于光纖余長，光纖將會因余長不夠而受力從而造成光纖衰減增大；光纖余長過長，當在低溫狀態下OPGW纜收縮時光纖在1550nm波長下微彎損耗增大。只有當纜內所有光纖的余長在一定的范圍內是均勻（或一致）時才有實際意義，因此在試驗時應盡可能地同時測試多根光纖的應變狀態。

三、在重冰區一定需要緊套、骨架結構嗎？

　　在OPGW光纜線路的設計選型中，爭議較大的是：是否在重冰區優先采用緊套結構，光纜結構是否優先考慮鋁骨架結構，在重冰區光纜抗側壓力的性能如何評價，纜徑和短路電流容量如何確定等。

　　近年西南電網在新建500KV 、220KV、110KV線路上都敷設了OPGW光纜，上述各種結構的光纜都有應用。OPGW光纜在西南電網（包括云、貴、川）的使用只有幾年，運行經驗不多，至今的運行統計數據表明沒有斷纜斷纖情況發生。在進行線路設計時，一般認為，電力用戶在一般氣候條件下選擇纜型的范圍大一些，在重冰（覆冰20mm以上）地區和大檔距或大高差地區選型范圍受限，在這些地區對光纜重量、直徑和抗側壓力有特別要求.
　　其實，在重冰區緊套或松套光纖單元結構的OPGW光纜都可采用。在重冰區光纜外徑可能由于包覆冰層導致重量、風冰負荷增加很大，導致線路運行張力增大，盡管此時對光纜的抗側壓力要求有所增大，但不管哪種結構光纜都能滿足側壓力要求。所以光纜覆冰其實質還是反映到在運行張力增大后，光纖是否受力，而且覆冰脫落后可能引起的振動或舞動對光纜和光纖的損傷、對懸垂線夾出口處的損傷。松套光纖單元結構的光纜能保證在70％RTS受力情況下光纖不受力，確保了該種光纜結構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重覆冰區的OPGW大量應用證明國內層絞（偏心）松套不銹鋼管式光纜是很適合使用在重冰區的。上海致錦不銹鋼管式光纜的側壓力性能滿足國家及標準要求，在重覆冰地區應用不受任何影響。纜徑及短路電流應根據電力線路具體情況（故障短路電流熱平衡、鐵塔塔頭負荷能力、與另一根地線的張力弧垂匹配等）選取。

　　OPGW光纜一旦架設施工完畢后，就在年平均運行張力下工作，當OPGW覆冰后，其承受的外荷載增大，此時要求OPGW光纜具有足夠的張力強度，并對桿塔受力增加，懸點應力增大，此時對懸垂線夾的抗疲勞性提出更高的要求。由于OPGW彈性模量較大，覆冰引起的弧垂下降不會降低OPGW與導線的安全距離。

四、大覆冰地區OPGW的試驗驗證

　　針對大覆冰地區的應用條件，對OPGW光纜有如下特殊要求和技術條件：：
　　（1） 光纖單元壓力實驗：由于OPGW覆冰后冰層的重量及張力增大后的摩擦力導致光纖單元承受一定的側壓力，規定OPGW光纜可承受700kg/50mm的壓扁試驗而不引起光衰減的增加。
　　（2） 脫冰跳躍要求：特別是對于20mm 冰區OPGW應滿足實際使用檔距800m，架線張力40%RTS，覆冰重量2kg/m，全檔覆冰1600kg情況下，OPGW因覆冰全部脫落產生脫冰跳躍，每年運行期間約出現20次而不發生OPGW損壞。
　　（3） 滿足96小時zui大工作荷載試驗。
　　OPGW承受規定的zui大工作荷載（75 %的RTS張力）, 持續96小時。連續監測光纖的損耗、伸長和纜的伸長。光纖衰耗增量小于1dB，張力釋放后，無附加衰耗。