一种用于高压输电的光电一体式线缆研发

罗隆恩

【摘要】 本文通过分析电网建设中电力光缆的性能特点及应用场景，提出一种新型光电一体式线缆，在光纤复合架空相线（OPPC）的基础上，通过引入耐热高强的全绝缘光单元代替传统产品的金属光单元，解决供电线路上OPPC光电分离引下难题，从而开发适合高压电力线路同时传送电能和信息并且方便接续的光纤复合电缆。

【关键词】 光电一体式线缆 光电分离引下 全绝缘光单元

引言：我国电力通信特种线缆的应用主要是ADSS、OPGW，随着农网、配网通信改造的深入， 对于10kV及35kV无地线的线路，无法架设OPGW；而架设ADSS光缆，因挂点低，容易被偷盗或被外力破坏，且其对地距离及交叉跨越所受到的限制较大。OPPC是相线，带有高电压，相对于OPGW及ADSS有明显的防盗优势。综合造价及工程建设、运维等因素，架设OPPC将是最佳选择。

但OPPC存在光电分离困难的缺点，无论中间接续还是终端引下，都必须有很好的绝缘，以确保光通信线路和电力传输线路的分离，对施工的技术要求较高，到目前已经发生多起接头盒炸毁而导致通信、电力中断的事故。

一、设计理念

常规OPPC光单元设置在钢芯铝绞线中心，由不锈钢管保护光纤。由于钢管为金属材料，具有良好的导电性和导热性，光单元不能很好的实现光电分离；在输电的过程中钢芯铝绞线随着负载的增加发热，会使光纤衰减增加，對光纤传输的光信号造成干扰并缩短光单元的使用寿命。同时，钢芯铝绞线内难以设置较长的钢管光单元，不利于推广。在实际运行中配电网的落点和线路走向经常调整变动，常规OPPC的接续和引下成本太高，而且每处都要特定缆长来配盘，难于在配网大范围推广应用。本次研究需要解决常规OPPC的以上技术难题，开发一种新型光电一体式线缆，在设计上既要满足通信光缆的规范要求，也要满足电力传输线缆的标准要求。研究方向是采用全绝缘、耐热光单元代替金属光单元；产品要求方便接续、引下施工。

二、结构设计

本课题设计标准依据：光缆性能要求满足Q/ CSG110003-2011《南方电网电力光缆技术规范》要求；机械性能和电气性能应与相邻导线一致，符合GB/T 1179-2008《圆线同心绞架空导线》要求；光单元绝缘性能符合GB311.1-2012绝缘配合的相关规定。

OPPC是将光单元复合在相线中，结构与输电导线相近。根据光单元所处的位置，可分为中心管式与层绞式两种结构。通过产品性能比对分析，中心管式OPPC的光单元设置在线缆中间，不利于线缆的接续，而且抗拉性能明显比不上层绞式OPPC。另外，光单元采用全绝缘，因此在设计上既要考虑光单元的保护，又要考虑线路带负荷运行对光单元传输的影响。由于趋肤效应，电力线路导体带负荷运行时表层发热厉害，将光单元放在表层不利于其保护，设计将光单元放在绞线的邻层。最终结构型式确定为：邻层为全绝缘光单元的层绞式OPPC，如图1所示。

三、材料筛选

设计要求线缆具有良好的热稳定性，保证电力传输时光通信不受影响。目前，我国输电导线设计长期使用温度为70℃，短期为90℃。

OPPC的结构单元可分为导体单元和光单元，导体单元的主要组成部分有钢芯加强件、铝绞线；光单元的主要组成部分有UV着色光纤、填充油膏、二次被覆。

导体单元设计采用铝包钢芯作为中心加强件、电工圆铝线绞合而成。其具体结构为：内层中心加强件采用铝包钢芯，其导电性能优于普通LGJ钢芯铝绞线中心的镀锌钢芯，线材比重也比镀锌钢芯轻，热膨胀系数接近。外层和邻层绞合单元采用电工圆铝线，其材料各项技术性与导线一致。导体单元的铝包钢芯、铝线能在120℃有很好的热稳定性，能满足一般的载流要求。对于更高的载流要求，采用耐热合金铝线，耐热温度可以提高到150℃以上，使传输容量成倍增加，同时结构稳定不受大载流温度变化影响。

光单元采用G.652D石英光纤，光纤经过有机硅涂料UV固化着色，具有耐高温、柔软、弹性好、杨氏模量小且随温度变化小、高低温性能稳定，其长期使用温度可在100℃；填充油膏的滴点大于200℃，可以满足线路运行温度要求；二次被覆材料的选取是光单元成败的关键，必须满足良好的绝缘、耐热性能，同时保持或提高光纤抗纵向和径向应力的能力。材料性能指标要求热膨胀系数小、短期及长期收缩小、被覆工艺易于控制、被覆管内外表面光滑，化学及热稳定性好，有适当的抗张强度和杨氏模量。若所使用的塑料性能不佳将造成光单元内壁毛刺，使光纤受到应力而影响传输性能；若光单元壁厚和材料模量达不到设计要求，里面的光纤将受到拉力和侧压力的影响，同样会使光纤产生应力，引起附加损耗。通过分析市场上常用的耐热工程塑料的性能指标，以及生产设备的状况，初步筛选出能满足耐热70-90℃以上的3种高分子材料备选：HDPE、PBT、PA。

用备选材料试制光单元样品并进行工艺试验：HDPE热收缩、机械强度低；PA弯曲、扭转易开裂；PBT杨氏模量高、成型后内壁光滑、弯曲性能好。PBT综合性能较好，最终确定为光单元的二次被覆材料。

四、工程样品试制及试验

4.1光单元工艺设计

设计的关键核心是光单元的光纤余长和拉伸窗口，适当的光纤余长可保持光单元内光纤良好的机械性能和高低温衰减特性，过大的光纤余长将使光纤出现宏弯曲或微弯曲状态而产生大的附加损耗，过小的光纤余长又可能导致拉伸窗口无法满足光电混合缆的运行环境要求。结合广东高温、风大的特点，以I类气候区来设计光缆，光纤余长控制在1.6-1.8‰，配合线缆结构设计合适的套管尺寸，以获得较好的高温性能及拉伸性能。

4.2成缆及拉力试验

全绝缘光单元OPPC，在满足光纤特性的前提下，还需具备原导线的特性。根据运行单位提供的资料，原电力线路导线为LGJ-240/30，设计必须与其匹配，型号定义为OPPCF-240-12B1.3。光单元与导体单元按标准规范绞合成缆，对成品进行拉力试验，测试负载下单点双向平均损耗是否符合光纤传输使用要求。在光纤接续完成后，将光缆驳接成形挂上拉力试验台，分别对纤芯进行零负载、牵引力10kN、牵引力20kN的损耗测试。

4.3综合试验

综合试验也就是OPPC载流拉力光测联合试验，目的是验证在线路运行张力下，载流升温至150℃（时间>4s），光单元绝缘护套的事故耐受能力和光通信可靠性。本设计中光单元绝缘护套的维卡软化温度为150℃，根据规程，架空送电线路导线最高运行温度为90℃，试验要求满足线路正常运行。工程样品在环境温度25℃，载流≥1100A，要升温150℃，需19min。所以试样在接近维卡软化温度经历时间远大于4s（远后备保护出口时间），试验条件比实际短路故障严酷得多。

按规程，导线最小的安全系数为2.5，即最高运行张力≤40%破断张力，本试样约为3.4T≈33.4kN。而广东地区架空按“年平均运行应力”计算，导线最大运行张力为2.56T，所以试验施加最大张力2.56T≈25.1kN。通过试验，工程样品在线路运行张力下，载流升温至150℃，光单元绝缘护套的耐受能力和光通信可靠性完全满足设计要求。

4.4配套金具、接续和引下施工方法

因OPPC内有光单元，为了最大限度在连接部位保护光缆，需要采用预绞式金具。预绞式金具与OPPC接触面积大，受力分布均匀无应力集中，最大限度保护光缆，同时由于其独特的機构保证了对光缆有足够的握力，使用安全可靠，施工方便。根据配电网络的特点，优化OPPC的接续和引下，经过项目组反复试验，研发特殊的分离套管将处在OPPC表层下面的光单元分离出来，另行熔接，同时还原出一段无光单元的导线，通过 “补股”的方式保持原导线截面结构不变，再采用其电力常规金具，如导线压接管或耐张线夹等进行相关的中间接续或终端接续。

五、结束语

本课题研发的产品，经过供电局试验所的“绝缘光单元OPPC‘空白试验”、“OPPC载流拉力联合试验”，以及省电力行业高低压电工产品质量检测中心的“额定雷电冲击耐受电压和截断雷电冲击耐受电压试验”、“额定短时工频耐受电压试验”，绝缘性能符合GB311.1-2012绝缘配合的相关规定，各项指标的检测结果均能符合技术要求。定型产品在电网110kV线路上挂网运行，经过近一年的运行监测，线路输电和承担的通信业务一切正常。以上研究成果表明该光纤复合电缆完全满足电力调度控制、输电管理的要求，具备架空线正常运行和事故耐受能力，在恶劣运行条件正常传输信息数据和电能，并能方便的光电分离施工，为进一步的推广应用提供了重要依据。

参 考 文 献

[1] 吴劲松， 黄琦， 吴钟博，等. 光纤复合架空相线的工程应用研究[J]. 中国电力， 2013， 46（10）：106-110.

[2] 林杨. 光纤复合相线配网施工新技术[J]. 电力系统通信， 2011， 32（3）：1-4.

[3] 由学旭， 张成君. 光纤复合架空相线（OPPC）在10kV农村配电网改造中的应用分析[J]. 无线互联科技， 2014， （12）.