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新基建下电力通信光缆技术的思考

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vdianwang 发表于 2021-7-18 10:15:40 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘  要: 在新基建和5G及智能电网建设的推动下,根据电力物联网对网络层传输海量信息和超短时延等需求,提出了220kV以上线路建2条OPGW和单缆72芯光纤等要求。本文分析了在OPGW钢管光单元中置于更多的光纤的相关要素和制约条件,对双OPGW仍采用逐塔接地方式将导致巨大线损并且不能融冰,指出OPGW绝缘化势在必行。本文还介绍了近年来研发的可将光单元直接引下从而简化了接头配置及相关工艺的绝缘光单元OPPC(IOPPC),并进一步探讨了绝缘光单元OPGW(IOPGW)的应用。

0 前言

“新基建”是我国针对新时期提出的重要战略部署,新基建包括5G建设、特高压、城际高铁及城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能和工业互联网等七个方向。

按智能电网和电力物联网的要求,这些输电线路均同步建设相应光纤通道,这些光纤通道主要由OPGW、ADSS和OPPC等电力通信光缆提供。OPGW和ADSS在我国的应用和发展己超过30年,OPPC也超过了15年。

在5G背景下,对电力通信光缆提出了新要求。主要为:220kV及以上架空线路应建设2根OPGW光缆(双OPGW),每条光缆芯数不少于72芯(多芯化);110/66kV架空线路应至少建设1条OPGW光缆,35kV架空线路应至少建设1条OPGW或ADSS光缆,光缆芯数不少于48芯;10kV线路如需建设光缆,芯数不少于24芯。据知,国网新建的特高压输电线路己按双OPGW和单缆72芯执行。

1 OPGW的多芯化

长期以来,我国的OPGW以24芯为主,且还只是双地线系统中的一根。在新基建和5G场景下,要求220kV及以上架空线路建设2根OPGW光缆,每条光缆芯数不少于72芯。

1.1 多芯化的方法及制约条件

在线路中增大光纤芯数的方法之一是在双地线系统中采用两根OPGW(双缆),即单缆芯数不变将两根缆的光纤芯数相加;其二是在OPGW中增加光单元(如双钢管);之三在单根光单元钢管中置入更多的光纤(如增大钢管直径)。或者是上述三种方法的组合。

OPGW的机械、电气性能是根据输电系统和杆塔、气象等条件决定的,缆中的主要部件(如铝包钢线、铝合金线和光单元等)设计和配置有一定的规律,要同时满足缆径、重量、抗拉、光纤传输和应力应变及直流电阻、热容量等性能。

多钢管或增大光单元直径会改变缆结构和股线配置,若要保持原有的机电性能,通常都会使缆直径和自重变大,导致风、冰荷载和杆塔荷载增大。

若要求OPGW的结构和机电性能不变、或只在允许的小范围内调整,要使光纤芯数增加,则要求光纤单元尺寸不变而让它容纳更多的光纤。但是,光单元里可容纳的最大光纤芯数是受到限制的,因为OPGW中的光纤必须要有合适的余长,而光纤单元内可容纳的光纤数量与余长有直接关系。

1.2 光纤密度和填充密度

光缆中的光纤密度有两个概念:一是以整个光缆横截面为基础计算的成品缆光纤密度,简称光纤密度;二是以单个松套管内孔横截面积为基础计算的管内光纤密度,简称填充密度。

按成品光缆全截面积和缆内的光纤数量,可计算出光纤的平均分布密度,对专用于FTTX或气吹施工的微型光缆(简称微缆)比较有意义。

填充密度是按光缆中单个松套管内孔截面积和植入的光纤数量计算得到的光纤平均分布密度,光纤填充密度(ρ)对OPGW/OPPC有实用意义,可由(1)式表示。

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式中,N 为光纤芯数;d 为光纤直径;D 为松套管内径。

按(1)式计算了业内常用的OPGW不锈钢管规格表的填充密度列于表1。

表1    业内常用的OPGW不锈钢管规格表的填充密度

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从表1可知,当钢管直径相同时:①中心管式和层绞管结构中钢管内允许的最大光纤芯数和填充密度是不同的,因为这两种结构 OPGW需要不同的管内光纤余长。②管内光纤为单一类型时,最大允许光纤芯数和填充密度可相同;若管内同时植入B1(G.652)和B4(G.655)光纤时则不相同,因为两者的折射率剖面、截止波长和模场直径均不相同。

从表1还可知:该规格表中的光纤密度范围为偏保守的0.17~0.38,主要原因是当受当时商用光纤的水平和钢管光单元生产装备及工艺水平的制约。

在当前的光纤和制管水准下,光纤密度即光纤芯数可以增加,但其上限是多参数的权衡。

1.3光纤芯数和光纤余长

光纤余长为光缆受张力伸长后提供了光纤在一定范围内的应变窗口,在某种程度上决定了缆的抗拉伸性能。

光缆中的光纤余长有两个概念:一是指光纤相对于缆本身长度(又称为“皮长”)的冗余长度,或简称为缆余长;二是指光纤相对于松套保护管的冗余长度,或简称为管内余长。

缆的光纤余长ε可由(2)式表达。                                 

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式中,Lf为光纤长度;L0为光缆长度。

层绞OPGW的余长主要由管内余长和绞合余长两部分组成,而中心管结构OPGW的余长几乎完全取决于管内余长。

光纤在松套管中的余长是由它在管中的分布状态决定的,这种状态和分布其实是随机的,为了理论化处理,一般可将松套管中光纤分为图1所示的正弦(a)和螺旋(b)两种状态或两者结合来进行数学处理。其中,螺旋状态又可有正螺旋和SZ螺旋两种。

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图1    光纤在松套管内的分布状态示意图

图1中,D 为松套管内径;P 为节距;R 为光纤弯曲半径。

当前,己有不下几十种数学模型来计算、解析管内光纤余长,但最终还要取决于松套管的材料和制作工艺,所以,即使计算精度再高仍还是估算值。

可对这些数学模型中各参数及工艺控制要素简单归纳为:松套管内径、光纤直径、光纤允许最小弯曲半径、放线张力和管内光纤余长等。

管内光纤余长的数值固然可以精确计算,还与工艺控制能力相关。

在松套管的内径和要求的余长不变条件下,若要提高填充密度就需要减小光纤的直径和弯曲半径。但前提是包括传输、机械、环境等性能保持不变。

细径或小直径光纤有两个概念:一是光纤的玻璃体小于125μm,使之外径整体减小;二是光纤的玻璃体仍为125μm,减小涂覈层厚度使之外径从250μm减小至≤200μm。前者技术尚在研究中,后者技术己基本成熟,本文的探讨针对后者。

从理论上说,如松套管内径不变,光纤的外径减小和允许更小的弯曲半径,都可以增加植入的光纤数量,还取决于所要求的余长。

本文不详细探讨光纤余长数学模型,但基于光纤在松套管内正螺旋理论,以管内光纤余长0.2%为基础,计算了OPGW常用的不锈钢松套管的外径、光纤直径(d)、光纤弯曲半径(R)和光纤余长及芯数的关系示于图2。

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图2  管内余长为0.2%时的松套管外径-光纤直径-弯曲半径-芯数的关系示意图

从图2可见,在要求的管内光纤余长为0.2%时:

  • 采用外径为250μm的光纤,其光纤芯数计算值比表1规定要大,还与光纤的允许弯曲半径相关。

  • 若采用外径为200μm的细径光纤,其光纤芯数计算值更大。

  • 采用200μm小外径G.652光纤可以增大光纤芯数,但受弯曲半径的制约(通常按30mm考虑);

  • 如采用200μm小外径G.657光纤,因允许更小的弯曲半径(通常按15mm考虑),可更多地增大光纤芯数。

  • 不管是G.652还是G.657,由于光纤玻璃体仍为125μm,表观上的≤200μm小外径事实上是减小光纤涂覆层,光纤的允许弯曲半径并不随涂覆外径减小而减小。


250μm外径的常规G.652光纤在OPGW的应用己积累了丰富经验,G.657光纤(包括小外径)原用于FTTH领域。国内主流厂商己开发了≤200μm的小直径G.652和G.657光纤,当前主要用于高密度光纤的气吹光缆,在OPGW应用方面开展了一些研究但尚未正式应用。

相对于FTTH微缆和气吹光缆,OPGW有特殊的应用场景和要求,对光纤的要求更高。

小外径光纤主要牵涉到涂覆材料和工艺技术,其机械、传输和环境等性能不能低于常规光纤。要应用于OPGW,还需要进一步深入研究和实践。

2 OPGW双缆制和绝缘化

2.1 OPGW逐塔接地和电损

我国OPGW主要采取逐基塔接地方式。逐塔接地的主要目的在于泄放来自于导线的感应电流以降低工作温度进而保证光纤安全,另一目的是提高OPGW的“引雷”性能以提高输电线路的“避雷”性能。但是,理论计算和实践均己证实OPGW直接接地将带来较大电损,并且更容易遭受雷击。

研究结果表明:当常规地线和OPGW均逐基接地时能耗最大,常规地线和OPGW均分段绝缘方式的电能损耗最小。

在双地线系统中,我国主要采用地线分段绝缘+OPGW逐塔接地方案。由此产生的电能损耗很大。若再计入在建的交流和直流特高压和己在全国在各电压等级输电线路上的OPGW,因OPGW逐基接地造成的能耗将是一个天文数字。

如果按双缆制OPGW仍采用逐塔接地,所造成的线损将是巨大的,只有釆用两根OPGW均分段绝缘才是合理的。

2.2 OPGW分段绝缘单点接地

2006年颁布实施的Q/GDW11590-2016《电力架空光缆线路设计技术规定》首次明确了“500kV及以上线路的OPGW光缆宜采用与地线相同的分段绝缘一点接地方式或全线间隙绝缘方式”,肯定了OPGW绝缘接地的大方向。

绝缘后的OPGW,原则上可以采用架空地线分段绝缘单点接地技术进行线路设计、安装和运行。并且可以按导线的方法进行融冰。

OPGW绝缘接地有三种典型方式:①接续塔一侧接地、另一侧绝缘;②接续塔两侧均绝缘,在中间某一基直线塔接地;③一端接续塔两侧全接地,另一端接续塔两侧全绝缘。

绝缘后的OPGW,原则上可以采用架空地线分段绝缘单点接地技术进行线路设计、安装和运行。并且可以按导线的方法进行融冰。

2.3 OPGW绝缘化改造

为了降低线损和对OPGW融冰,对原有逐塔接地的OPGW需进行绝缘化改造。主要措施是将原有OPGW的塔头连接端、沿塔身引下缆、接头盒和余缆架等对地绝缘。OPGW与杆塔的联结可基本套用架空地线的配置,而原有接地的部件目前主要采用如图3所示的绝缘方式。图中,(a)是绝缘引下线夹,(b)是绝缘余缆架,(c)是绝缘安装接续盒。

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(a)                              (b)                                                              (c)

图3  绝缘引下线夹和绝缘余缆架及绝缘安装接续盒的示意图

从图3可见,与逐塔直接接地相比:最大的变化是架设OPGW的所有金具和附件需要通过绝缘串与杆塔连接。其中,常规接续盒并不能可靠保证两侧被接结OPGW的电气连通,有时就采用了较复杂的OPPC接续盒。将OPPC接续盒用于绝缘OPGW是一种权宜之计,包括缆结构、接续盒在内的多项应用技术还有待开发和完善。

虽然架空地线绝缘接地有成熟的规范、装置和经验,由于绝缘方式的变化,OPGW从接地体转变为带电体。还由于OPGW中含有光纤,包括输电导线对OPGW的影响(如感应电压、感应电动势)、接地点及分段、耐雷性能影响及保护间隙等,需要考虑和解决的问题比常规地线要多。

3 绝缘光单元OPPC的进展和应用

3.1 常规OPPC技术

OPPC主要由承力部件和导体部件组成。对承力部分,裸导线为镀锌钢线,OPPC为铝包钢线和光单元;两者的导体均为导电率≥61%IACS的电工铝线。

OPPC接头主要分为悬挂式和支座式两种类型,每个类型都有中间接头和终端接头两种。图4给出支座式的中间接头(a)和终端接本(b)的现场照片

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(a)                                                  (b)

图4    支座式OPPC中间接头和终端接头

由于OPPC是带电体,所用的接头盒必须与地(杆塔)之间保持与电压等级相匹配的绝缘强度,还要与地面保证一定的安全距离;尤其是因不锈钢管光单元也带电,在线路终端引下时还必须进行可靠的“光电分离”。又由于OPPC接头处不允许有余缆,故接头盒的接续作业要在杆塔高处进行。

OPPC接头盒安装位置应在承重杆塔上,还要在杆塔上搭建登高作业平台。OPPC接头盒结构比较复杂,对施工和运维的成本和要求很高,是影响推广应用的主要原因之一。

3.2 绝缘光单元的IOPPC

暂把绝缘光单元的OPPC简称为IOPPC,一种对应型号为LGJ-240/30镀锌钢绞线的IOPPC的结构和主要技术参数列于表2。

表2 LGJ-240/30和对应IOPPC的结构和主要技术参数

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从表2可见:

  • 两条缆的绞线结构和外径相同,IOPPC用等径的铝包钢线替换了镀锌钢线,承力部件截面积保持不变;

  • 用绝缘光单元置换了导体部件的一根电工铝线,导体部件截面积减小了1/24(4%),总截面积减小了3.7%。

  • 因金属截面积略有减小,自重和RTS均各自减小了约10%,对弧垂特性无大影响。

  • 因采用了导电率比镀锌钢线高的铝包钢线,直流电阻减小了2.5%,意味着允许载流量不降反升。


绝缘光单元的IOPPC不降低相应的标准要求,与同规格的常规OPPC具有相同的主要性能。

图5是一个光电分离套管的结构和组装示意图。通过光电分离套管的安装,绞合在复合相线中的光单元可以从导线中完整抽出而不会损伤复合相线中任何的一股。

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图5  光电分离套管结构和组装示意图

3.3 IOPPC的应用

IOPPC的直接引下实质是绝缘光单元直接引下,如图6所示。

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图6  光单元直接引下安装现场的照片

从图6可见:IOPPC中的光单元由光电分离套管从金属绞线中分离,通过带伞裙硅橡胶绝缘护套加强保护,利用光单元本身绝缘性能直接引下,然后可采用通用光缆接头盒接续光单元。

目前,IOPPC主要用于配电网中。2012年初首先在10kV线路上试运行;2014年底成功应用于110kV线路;2018年起在多条配电线路上推广使用。

4 绝缘光单元OPGW方案

4.1 绝缘化OPGW的常见故障

OPGW处于杆塔顶部,其接续工作(尤其是缆中的光纤)不可能在塔顶进行,通常是通过塔身引向地面接续,然后将接续盒安装在适当高度的位置上,多余的缆则盘留在余缆架中。

绝缘化OPGW的引下(上)段和盘留缆的长度少则数米、多则数十米,包括接续盒两侧的缆在内,均要保持对地(塔)的绝缘(见图3)。

但在运行中,这部分经常出现如图7如示的跳火等绝缘失效问题,主要原因之一是OPGW带电,尤其是OPGW中的不锈钢管单元带电。

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(a)固定线夹故障                           (b)引下线夹故障                       (c)接头盒故障

图7  绝缘化OPGW常见故障

4.2 绝缘光单元IOPGW方案

根据绝缘光单元IOPPC成功开发应用的经验,提出的绝缘光单元IOPGW方案,是采用合适材料的非金属松套光纤保护管来取代目前的不锈钢管。

因光单元不再带电,可简化接续装置并可如图8所示直接引下,IOPGW可在杆塔高处通过绝缘串进行光/电分离,绝缘的光单元通过简单的机械保护后,可采用逐塔接地的常规的引下线夹和接续盒安装、操作和运行。

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图8  绝缘光单元引下方案示意图

众所周知,当前用的不锈钢管光单元不但是导电体,还由于它导热性能好,故OPGW热容量(I2t)温度被限制在200℃,而常规地线的I2t温度可达300℃,所以它们总是失配的。如能有合适的绝缘并耐高温及导热系数低的非金属光单元,将I2t温度提离至300℃,可在双地线系统与对侧地线匹配。

4.3 对绝缘光单元的要求

与IOPPC一样,绝缘光单元的IOPGW不应降低相应的标准要求。对OPGW绝缘光单元的基本要求:

  • 机械性能(如拉、压、弯等)和线膨胀系数应与同规格不锈钢管相近;

  • 可短时承受≥300℃高温并具良好的隔热和阻燃性能;

  • 具有足够的绝缘强度和耐环境(如温度、冰、雨水、光照等)及耐化学腐蚀性能。


要开发绝缘光单元IOPGW,首先是原材料及工艺问题,其次要考虑的是成本和性价比,还需要检测、安装附件和配件、施工安装和最终用户的通力合作。

5  总结和讨论

针对220kV以上线路建2条OPGW和单缆72芯光纤的要求,较佳的增大光纤芯数方案是OPGW结构不变,在钢管光单元中置于更多的光纤,管内光纤数量与要求的余长有关,牵涉到管内径、光纤直径和光纤允许弯曲半径相关。当前业内普遍执行的OPGW型谱规范中不锈钢管光单元中对常规光纤数量的规定偏保守,在保证光纤余长的前提下可以适当增加单管芯数。

小直径光纤可以在钢管内径不变的前提下置入更多的光纤,国内外主流厂商己开发了≤200μm的小直径G.652和G.657光纤,鉴于OPGW有特殊的应用场景和要求,其机械、传输和环境等性能不能低于常规光纤,还需进一步深入研究和实践。

若采用双OPGW而仍采用逐塔接地方式,势必导致巨大线损并且不能融冰。当前的主流技术是对原有逐塔接地的OPGW采用分段绝缘单点接地进行绝缘化改造。

OPPC是带电体,常规结构OPPC因不锈钢管光单元带电,所用的接头盒必须与地(杆塔)之间保持与电压等级相匹配的绝缘强度,还要与地面保证一定的安全距离,故接头盒结构比较复杂,对施工和运维的成本和要求很高,是影响推广应用的主要原因之一。

近年来研发的绝缘光单元IOPPC,利用一个专门设计的光电分离套管,将绝缘光单元直接引下,简化了接头配置及相关工艺,己成功应用于110kV配电线路。

经绝缘化改造以后的OPGW从接地体变为带电体,由于不锈钢光单元是导电体,当前采取的引下缆和接续盒等绝缘方式失效率很高、可靠性较低。基于IOPPC方式,可以探讨绝缘光单元IOPGW的应用。

IOPPC和IOPGW的性能不应降低原有标准,包括缆结构、光单元、引下方式和接续盒在内的多项应用技术还有进一步待开发和完善。






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