OPGW光缆的特性及其应用

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[摘 要] 文章简要介绍OPGW的两种国际招标设计标准，讨论各种结构的特点及其应用，提出对不同工程的使用条件，应针对性地选用适宜的结构，同时还讨论OPGW在输电线路上应用的要求与条件。

[关键词] OPGW；标准；结构；设计；输电线路

[作者简介] 刘鹏，珠海供电局系统运行部工程师，研究方向：电力系统通信运行管理，广东 珠海，519000

[中图分类号] TN818[文献标识码] A[文章编号] 1007-7723（2012）07-0016-0005

光纤复合架空地线（OPGW）是集通信光缆和架空输电线路避雷线于一体的地线，其既要满足光纤通信的技术要求，同时又要满足作为地线所必备的特性要求，包括机械强度和电气性能。由于这种地线是将光纤内置于绞线中，架设于高压架空输电线路的地线顶架，具有安全可靠、无电磁感应、免维护等优点，因此在国外自20世纪70年代末开始就逐步在架空输电线路中得到应用，而且使用量越来越大，据不完全统计，全球至今已铺设OPGW光缆达数10万公里。我国自上世纪90年代以来，OPGW光缆的使用量也日益增长，目前已有10000余公里的线路在运行。

OPGW光缆工程涉及到线路和通信两个专业，工作中各自的侧重点不同，考虑问题的角度也不一样，因此有必要对招标和设计过程中的一些原则进行讨论。同时，由于目前各家厂商生产的OPGW光缆，其结构差别较大，采用的标准也不一致，因此在工程招标中有必要对各种结构的OPGW光缆特性进行充分的了解，从而选择适宜的产品。

一、OPGW光缆标准

（一）OPGW光缆的主要特性参数

OPGW光缆的主要特性参数，几乎都与线路杆塔的档距，弧垂特性，风荷与冰荷情况，OPGW光缆的悬挂点，允许张力有关，可以归纳为以下几点：

（1）光纤数量；

（2）光纤类型和光特性；

（3）OPGW光缆的总外径（mm）；

（4）计算的导体横截面积（mm2）；

（5）计算的线性质量（kg/km）；

（6）额定拉断力（RTS）（KN）；

（7）弹性模量（MPa）；

（8）线膨胀系数（1/℃ *E-6）；

（9）线性直流电阻（欧姆/公里）；

（10）最大允许运行温度范围（℃）；

（11）短路电流容量（I2t）（KA2·S）；

（12）最大允许拉力（MAT）（KN）。

性能优良的OPGW光缆应满足上述各项要求。同时，为了对所采用的OPGW光缆特性有全面的了解，检查是否真正符合工程所需的要求，应进行各项特性实验。

（二）OPGW光缆的性能实验：

目前国际上对OPGW光缆有两个标准得到广泛应用，一个是国际电工委员会的IEC 1396标准《光纤复合架空地线的电气，机械和物理性能要求及实验方法》；另一个是美国电子电气工程师学会的IEEE 1138标准《用于电力线路的光纤复合架空地线》。两个标准各有特点，为方便比较，现将两个标准对OPGW光缆的性能实验要求列表如下：

由该表可看出由于IEC相关标准非常齐全，IEC 1396标准除了提出OPGW光缆成缆一般要求外，其余实验大量引用相关标准，如光纤参数执行IEC 793，未提供具体的数据，因此可操作性不强，但对OPGW光缆结构要求的描述较灵活；而IEEE 1138标准则对OPGW光缆元件，成缆的结构和实验提出了特别详细的规定，还对OPGW光缆架设张力，现场验收实验，安装、包装等均提出了非常详细的要求，因此可操作性较强，但其对OPGW光缆的结构要求更倾向于光单元置于光缆中心的结构，同时其实验内容也少了一项雷击实验。

因此，在OPGW光缆招标和设计过程中，OPGW光缆标准执行应以IEEE 1138标准为主，IEC 1396标准为辅，即光缆型式实验内容在IEEE 1138规定内容基础上增加雷击实验；光纤型式实验内容按IEEE 1138规定内容执行；光缆工厂检验内容则在例行实验内容中选择。

二、OPGW光缆的结构特点

OPGW的结构包括光纤单元结构和地线单元。

（一）光纤单元及其结构

正常运行、安装情况下，合理的光纤单元结构应该使光缆纤芯的受力与衰耗最小。因此，光纤单元结构的设计需考虑必要的机械保护结构防止光缆纤芯受挤压，适当的纤芯余长以减少纤芯受力，并采取措施以达到防潮、耐热的目的。

从光纤单元结构中光缆纤芯布置松紧程度的不同可分为缓冲紧套结构和松套结构。

1. 缓冲紧套结构

基本理论依据：紧套光缆纤芯束一般在伸长2%的情况下才可能被拉断，然而实际运行中的裸地线最大伸长才千分之几的数量级，因此光缆纤芯允许的伸长远远大于地线的实际伸长，纤芯的光衰耗等指标可满足工程要求。最典型的紧套结构是采用纵向具有多个直凹槽或螺旋凹槽的铝骨架，凹槽供光纤单元放置，典型结构见图1。

结构特点：OPGW直径比较小，从而减小施加于线路塔上的风荷载和冰荷载；对光纤提供保护加大抗弯曲的能力；由于具有金属分隔定位槽，从而具有高抗挤压能力。因此，该种OPGW抗外荷载能力较强，适合条件恶劣的工程采用。

2. 松套结构

基本理论依据：置于不同材料保护管中的光缆纤芯通过填充物稠密程度的调整，或不同的结构形式来处理光纤余长；同时在OPGW中的纤芯实际长度大于地线在受力情况下的长度，因此能够做到纤芯不受力或受力很小。典型结构见图2。

松套结构OPGW又分为中心光纤式，层绞式和松套骨架结构。

中心光纤式松套结构特点：保护光缆纤芯的手段比较多，但缆径大，盘长较短。

层绞式松套结构特点：外形上与普通地线接近，容易被运行部门接受（目前广东省运用较多），同时盘长较长，有利于减少光纤接头损耗，但对制造工艺和纤芯质量要求较高，对光纤保护手段略少。

松套骨架结构特点：抗侧压能力同紧套结构不相上下，但因结构限制最多只能容纳48根光纤，不能用在光纤数量更多的工程中（目前工程中运用很少）。

以上综合比较了缓冲紧套结构和松套结构的各种结构形式，应该说两种结构各有利弊，其综合性能（包括机械强度，电气性能和光学性能）只要能通过实验达到标准要求而且满足使用要求，就应该被认为是合理的。但工程条件不同侧重面应该有所不同，如工程条件恶劣，外荷载大，公路运输条件差等，首先就应该考虑安全问题，因此往往侧重于OPGW的抗外力破坏强度；而当工程条件良好，线路长度大，此时就应该采用光衰耗小的结构（如层绞式松套结构）。

（二）地线单元（外绞合导体）

地线单元（外绞合导体）主要由铝包钢线（AS线），铝合金线所组成，其主要作用是：

1. OPGW是架空地线，需要有承力元件，而外绞合导体就起承力的作用，从而使OPGW中的光缆纤芯，不会或很少承受外力。

2. 它具有一定的金属截面，当OPGW线路短路或受雷击时，强大的电流将使导体发热，而适当的金属截面，能保证OPGW温升在允许的范围内，从而不会因发热而损坏光纤。

3. 外绞合导体能对光单元加多一层保护，使光单元免受机械和外力及其他不利条件引起的破坏。

三、OPGW光缆在架空输电线路上应用的要求与条件

（一）应用上的要求

OPGW是电力光纤通信的通道，同时又在架空输电线路中起到避雷线的作用，因此在应用上要求满足如下内容：

1. 首先应考虑光单元的光纤数量、类型、应用波长及光衰耗等，并考虑系统所需要的传输容量，光端机传输波长及系统接口等。上述这些要求，直接影响到光缆组成，纤芯的设计及纤芯在OPGW的状态等。

2. 作为避雷线，它同时还必须满足地线的电气、机械及物理性能要求。即在电气性能方面应满足系统中短路电流容量和防雷击要求。OPGW作为地线应用，往往辅以另一根分流地线，因此应根据系统的要求，计算出变电站的母线单相短路电流，确定短路故障时间和两根地线承受短路电流的分流比，最终确定其最低短路电流热容量，从而确定OPGW的最小导电金属截面积，直流电阻及其直径；而在机械物理性能方面应满足总拉断力、弹性模量、热膨胀系数和线性重量等。

（二）OPGW使用的金具与附件

根据OPGW的结构特点，在线路架设时，要采用其专用的金具与附件，包括耐张线夹、悬垂线夹、防振锤、连板、紧固线夹、引下线夹、弧垂调节板、跳线夹、U型钩环及接线盒等。

（三）OPGW的安装设计

OPGW的安装设计，要考虑与导线应力，弧垂及绝缘间隙的配合，以及其荷重不应超过现用杆塔及基础所允许的使用范围。因此应根据所选用的OPGW主要技术参数计算出其特性曲线，并结合工程实际设计接线盒，各类金具，附件的布置图，外形图及安装图。

1. 初伸长的处理

对OPGW初伸长的处理，可采用降温法，即复核OPGW的铝钢比，参照相近导线或地线的降温数值处理其初伸长。

2. 防振措施设计

OPGW配套使用的金具中，耐张线夹为预绞丝式，悬垂线夹配有预绞丝，橡胶衬垫，这两种金具已具有一定的防振能力。为了进一步加强防振能力，可考虑安装防振锤，一般按档距计算：

档距≤300M时，安装一个防振锤；

档距>300M时，安装两个防振锤。

3. OPGW施工架设应注意的问题

OPGW的施工架设不同于普通钢绞线，要注意防止永久的损伤以避免将来影响光纤的性能，并应着重考虑：OPGW的扭转、微弯、线夹外的局部径向压力和对光纤的污染。因此，在施工阶段要采取如下有效措施加以解决：

（1）防止OPGW扭转

在走板和紧线夹加装平衡锤，防扭器；

采用特殊的双槽滑轮；

采用双绞盘的张力防线机；

（2）防止和减少OPGW的微弯与应力

不允许有锐角出现（控制最小弯曲半径500mm）；

OPGW缆盘直径应不小于1500mm；

滑轮直径应为OPGW直径的25倍以上，一般不得小于500mm；滑轮的内侧要有尼龙或橡胶衬垫，防止擦伤OPGW的表面；

合适的牵引线和放线金具；

指定OPGW的最大盘长为6000M，以防止过滑轮的次数；

限制连续放线的线路转角≤30°，在一个放线的耐张段内，转角后的OPGW走向应呈"C"字形；

（3）放线张力的控制：

采用带张力释放装置的液压张力放线机和牵引机；

限制放线速度≤0.5米/秒；

（4）防止光纤污染

在OPGW的施工架设中应注意对端头加以封装；

另外，在OPGW运抵现场，架设前，架设完毕进行光纤接续及全线施工结束后，都应在现场及时进行OPGW的光纤衰耗验收测试。

[参考文献]

[1]IEC 1396 OPGW的电气，机械和物理性能要求及其测试方法[Z].

[2]IEEE 1138-1994 关于用于公用电力线路OPGW的建设标准[Z].

[3]上海电缆研究所.IEC TC7 63届会议技术总结[Z].1999，（11）.

[4]谢书鸿.光纤复合架空地线（OPGW）的结构剖析[J].电线电缆.1998，（3）.

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