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不锈钢管式OPGW的设计和制造技术
  引用   回复  POST 2018-3-7 9:33:42
1#

0. 概述
光纤复合架空地线(OPGW)不仅具有地线与光缆的双重功能,而且光纤受到光单元(通常为金属管)与金属(通常为铝包钢和铝合金)线的双重保护,所以具有很高的可靠性。
OPGW结构型式多样,不象普通光缆或ADSS光缆结构简单。OPGW主要由含光纤的缆芯(光单元)和绞合的金属线组成。按光单元的不同类型来分,可归纳为铝管型、铝骨架型和钢管型等三类主要结构。不锈钢管式的OPGW在结构上与地线相类似,比较容易设计成与现有地线相匹配。
1. 不锈钢管式OPGW光缆的结构特点
不锈钢管光单元(以下简称为“钢管”)式结构的OPGW具有尺寸小,重量轻,与传统的地线如GJ35、GJ50、GJ80、GJ100、GJ125等尺寸接近(可能略粗),其每公里自重与传统的地线接近,机械性能与传统地线接近,光单元阻水性能优异、耐温性能好等显著特点和优势。
由于光纤相对于钢管和缆体长度具有一定的余长(如中心管式余长在5‰以上,层绞式可以做到7‰以上)因此,当光缆在几十年一遇的最恶劣气象条件下(相当于承受70%破断力时),可以保证光纤不受力在波长1550nm窗口损耗不增加。
单层绞线的中心管式结构紧凑,常用于小规格尺寸地线的更换,如GJ35、GJ50等。由于在(1+6)绞线结构中,用钢管替代了处于中心的金属线,钢管不计入机械强度,故要想获得与地线一样的抗拉强度,需适当增加外径(一般只增加零点几毫米)。
钢管不处于中心位置的多层绞线结构,常用于替代GJ80(及以上)地线。可以通过调节金属截面积中的铝/钢比率,权衡直径,抗拉强度、载流量等参量,比单层绞绞线中心管式结构有较大的设计空间。
当钢管内径和光纤余长一定,钢管内可容纳的最大光纤数量也就决定了。在钢管规格的光纤容量范围内光纤芯数的增加不影响光缆的外径。反之,则要增加钢管数量或增大管径,有可能会增大光缆外径。
2. 钢管式OPGW光缆的设计
光纤复合架空地线的设计必须满足两个基本条件:一是满足光纤通信的要求,二是满足架空地线的机械与电气性能要求。
2.1 光纤通信设计的基本要素
在设计OPGW光缆的光纤通信要求时,需要考虑该光缆中的光纤的数量、光纤的类型以及光纤的应用波长及光性能指标。
OPGW常采用G.652类光纤,有时会采用G.655类和G.652类光纤混装。
根据最新(2003版)GTU-T的光纤建议,G.652类光纤己细分为四个子类,G.655类光纤也己细分为三个子类。应根据光通信系统设计的要求来选用。

在设计光通信传输性能时,还需要兼顾不锈钢管中的光纤的余长以及成缆后的光纤的余长。光纤的余长是保证光缆可靠性的关键因素。光纤的余长需通过光缆的尺寸、不锈钢管的尺寸、光纤芯数与绞合节距来综合考虑。

2.2 架空地线设计的基本要求
OPGW光缆必须满足地线的机械与电气两个方面的性能要求。在设计地线部分时主要是选择合适的铝包钢线和铝合金线及它们的配比。在地线设计中需考虑到的主要参量有最大直径、自重、抗拉强度、直流电阻、最高温度及短路电流容量。
总之,OPGW的外径、重量、抗拉强度等机械特性应与另一根地线和杆塔负荷相匹配,保证OPGW在该安装区最不利气象条件下能够安全运行。
(1) 外直径
OPGW的外径与它的所有性能都有密切的关系。外径的增大可能意味着重量的增加,而且还会增加OPWG的风荷载和冰荷载,从而引起杆塔负荷的增加。
OPGW的外直径是绞合单线标称直径之和的计算值。
(2)额定抗拉强度(RTS)
在工程设计中,导线的安全系数σ一般不小于2.5,OPGW和另一根地线的安全系数σ一般按不小于导线的安全系数考虑。因此,有(1)式:
额定抗拉强度(RTS) ≥σ×最大运行张力(MAT). (1) 
最大运行张力(MAT)是在最不利设计气象条件下计算出来的负荷力。以此确保OPGW运行时光纤不受力。
工程设计中一般使OPGW和另一根地线的安装弧垂相当,以此得出的抗拉强度和最大运行张力的比值要满足安全系数的要求。
RTS与所用金属材料的抗拉强度和截面积有关,通常:
RTS=( Aacs.Tacs +Aaa.Taa)×95% (2)
式中:
AaaA,,Aacs : : :铝合金线,铝包钢线截面积 ,(mm2) 
Taa, Tacs : 铝合金线,铝包钢线的抗拉强度,(Mpa)
(3) 重量
光缆组成元件,即光单元、单丝及缆膏重量之和。
(4)最终弹性模量
最终弹性模量(E)的计算式:(3)
式中,
En: 每种材料的弹性模量值,(KN/mm2 );
An  对应材料的横截面积(mm2);
n  n种材料。
(5)线膨胀系数
线膨胀系数(β)的计算式:(4)
式中,
En  每种材料的模量值,(KN/mm2 );
An  对应材料的横截面积,(mm2 );
βn 每种材料的线膨胀系数值,(1/℃?10-6 );
n  n种材料。
(6)短路电流热容量
由于OPGW使用的特殊性,它不仅需承受与普通光缆同样的恶劣条件下的环境温度,而且在大电流高电压的感应下,会使OPGW产生感应电流,从而使光纤的温度升高。特别是在出现短路故障或雷击时,OPGW的温度会急剧上升,温度的升高对光纤的传输性能是不利的。
额定短时负载电流密度 由下式给出 ( 5 )
其中
(6)式中:
热容量,[J/kg℃]; 
20℃的导电率,[ / ];
密度,[kg/ ];
温度系数,[1/℃];
短路开始时的温度,[℃];
短路终止时的温度,[℃]。
(7)直流电阻
OPGW应具有良好的热稳定容量。影响热稳定容量的因素有短路电流、OPGW及另一根地线的直流电阻、短路电流持续时间等。OPGW中所有导电元件在20℃时的并联电阻应尽量与另一根地线接近。如果OPGW直流电阻过大,会劣化机械特性。增大OPGW的截面(特别是铝合金的截面)能够提高其热稳定容量。
OPGW直流电阻的计算:(7)
式中,
R:  整个OPGW的线性直流电阻,(Ω/km);
Rmn: 每种材料的线性直流电阻,(Ω/km);
n:  n种材料。 (8)
式中,
ρm: 材料的电阻系数(Ωmm2/km);
Ami: 第i 层中的指定材料的面积(mm2);
Fi   第i层的绞入率;
i:  绞合层数。
(8)抗雷击性能的考虑
在OPGW的抗雷击方面,应考虑增大外层股线的直径,制造外层股线和内层股线之间的空气间隙,防止热量从外层股线传导到内层和光纤,加厚外层铝包钢的铝包厚度,以便铝吸收更多的热量,保护内部铝包钢线和光单元,维持OPGW所需的抗拉强度。在相同的材料下,采用直径更粗的外层股线是一种很有效的办法,但应顾及到整个OPGW的外径符合要求。另外,OPGW的弧垂宜稍小于另一地线,以保证对导线的安全距离和防雷保护角要求。
3. OPGW光缆的制造
3.1 不锈钢光单元的制造
不锈钢管制造中应考虑的主要问题有光纤的余长、光纤油膏的填充率和钢管焊缝的质量。
(1)钢管中光纤余长的控制
众所周知,余长是所有光缆(包括OPGW)最关键性的问题,特别对于中心管式OPGW尤为关键,因为余长的最终值必须在钢管内直接获得。光纤余长要尽可能的控制精确并分布在平均值左右。
在电力行业标准DL/T832-2002中,要求中心管式的OPGW在受到40%RTS时,光纤无应变,无附加衰减。这就要求光纤余长在0.5%左右。要保证光纤的余长,又要保证光纤的损耗不增加,这就对一定规格的钢管内的光纤数量提出了限制。所以在设计光缆结构时应考虑到生产制造时的可能性和可行性。
(2)钢管中油膏的填充率
油膏填充率直接牵涉到光单元的阻水性能,还会对始终带有一定弧垂(包括安装和运行)的OPGW在高温、低温、微风振动和舞动时缆内的光纤的性能造成影响。对光纤油膏在钢管中的填充率有一定的要求。偏低的填充率(如70%左右)虽然能通过阻水试验,但对光纤的长期保护功能欠佳。
针对光纤油膏的填充率,我们不但做了光单元的渗水试验。试验要求从成品OPGW端部取一段1m长的光单元试样,水溶液对试样中心形成1m高的水头,试验结果一小时后无水渗出。同时我们对油膏填充率的试验计算方法进行了研究并用于生产实践(另文介绍)。
大量的试验证明,我们生产的光单元不但确保阻水性能,其油膏填充率目前是最高的。
(3)焊缝的质量控制
科学常识告诉我们:任何工艺都不能保证100%,俗称的“绝对” 是不存在的。钢管焊接时难免会产生一些虚焊点,只是“多” 或“少” 而己。如果钢管未经过冷拔,等于焊缝的质量未经过连续检验,所以在绞缆时这些虚焊点的焊缝容易开裂。由于绞缆速度较快,而且钢管一般处于内层,不容易发现也无法在成缆时或成缆后再检查钢管质量。很容易将焊缝不合格的钢管应用到生产和工程中去。
我们在钢管生产过程中对其连续进行拉拨(在弹性范围之内),因此,焊接的质量等于连续经受了拉拨检验,如果有漏焊虚焊(那怕肉眼不可见的缺陷)经拉拨后,缺陷会立即变大,涡流探伤仪会自动立即记录缺陷所在点位置。这种方法避免了有缺陷隐患的OPGW光缆的成品出厂。
3.2 OPGW光缆的绞制
OPGW外层绞向一般为右向。对于采用两种不同金属绞合的OPGW,为了有效减少不同金属间电化腐蚀的危险性,OPGW的绞线层间可以涂覆防腐油膏。
绞合节距与OPGW的拉伸性能相关,钢管不处于中心的多层绞OPGW结构通过绞合获得额外的绞合余长。
绞合余长的大小与绞合节距P的平方成反比,即P值越小,余长越大,根据相关标准规定,P值取值一般在绞层直径的10—14倍,实际上内行的厂家都知道,P值小于12,工艺难度很大,钢管很容易被扭坏,接近14时,余长又太小。因此,通常情况在12—12.5倍的绞层直径较为合适,在此范围内,中心管或层绞式的OPGW,光纤余长一般都能得到保证。因此,一根品质优良的OPGW光缆首先是结构设计合理,其次是好的材料和高性能的先进设备来保证,工艺应当根据理论指导来决定:
(1) 余长计算来控制节距范围;
(2) 放线张力,使各种线材料在受力状态下应变同步;
(3) 调整三种线材(铝包钢线、铝合金铝线、不锈钢管)的预变形量。
4. 结束语
(1) 钢管式OPGW的设计技术包括光缆(传输性能)和架空地线(机械、电气性能)两大部分。
(2) 钢管式OPGW的主要生产技术包括不锈钢管光单元和绞线两大部份。
(3) 通光集团集多年的设计和制造经验为国内大量的工程提供了数千公里的OPGW光缆,并成功运行。在各地反映情况良好,受到了广大用户的欢迎。
参考文献
(1) 光纤复合地线,中华人民共和国电力行业标准 DL/T 832-2003
(2) 张忠、李万盟、徐军,不锈钢松套管OPGW光缆的余长设计,电力系统通信: 2003 (1)55-56
(3) 黄俊华,OPGW的主要特性和工程配置,网络电信:2002 (2) 40-44
(4) 张建明,OPGW光缆与地线的问题探讨,OPGW应用技术研讨会:2001.11,51-53
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