具备地线融冰功能的光缆并联专用金具设计研究

王金沛，汪晶晶，冒新国，李新春，叶鹏

（1.超高压输电公司贵阳局，贵州贵阳，550081;2.江东金具设备有限公司，江苏南通，226000）

0 引言

随着国内通信网络的发展，国内通信线路越来越庞大，越来越复杂。在一些高寒地区，经常出现空气潮湿、极低气温等环境，从而导致通信光缆覆有冰层。在这样的情况下，通信线路存在安全隐患。为解决覆冰问题，前人提出多种融冰方式，而并联金具在融冰过程中起着至关重要的作用。目前融冰光缆接续塔位光缆并联主要采用并沟线夹进行连接，从而形成电气连续的架空地线。然而，在2017 年桂山线光缆融冰过程中，出现了因并沟线夹发热问题导致的光缆熔断故障，如图1 所示。为解决光缆并联问题，设计研究一种连接效果较好，能适应不同直径光缆并联，通流能力强、质量轻、便于携带、可灵活拆卸等特点的专用连接金具，以此解决融冰光缆并联问题以及地线并联问题，对通信线路的安全具有重大意义。

图1 并沟线夹发热熔断光缆

1 并沟线夹故障原因及设计要求

1.1 并沟线夹故障原因

并沟线夹故障发生原因可以概括为以下几点：（1）并沟线夹与地线接触面积，只能满足较低电流通过，如果大电流通过并沟线夹时，导致过度电阻相应增加，引起发热；（2）在线夹发热的同时，被连接的地线在高温下烧损、变形，又增大了线夹与地线之间的间隙，增大过度电阻，导致线夹与地线再次发热，恶性循环，最终形成烧坏—断线—造成事故。

1.2 并沟线夹设计要求

针对上述发生的问题，需要重新设计研究一种新型并沟线夹以此解决问题。对于设计并沟线夹有以下几点要求。

(1)通流性能

最大通流能力：≥50 kA；常规通流能够：≥ 5kA；最低融冰通流能力：≥600A；通流时间将有原来的10 小时达到24 小时；最高温度可由原来的70℃达到90℃；满足不同覆冰条件下的通流能力，干湿条件下的融冰试验能力。

(2)抗机械疲劳、耐腐蚀性能

最大使用次数：≥1500 次；常规使用次数：≥ 500 次；酸雨PH 平均为6.5 至7.5 的地区使用年限25 年。

(3)低故障率

架空地线、光缆在融冰过程中需进行连接，连接故障问题一直导致融冰中断，通过新型并沟线夹金具的研发，需要实现光缆快速温升、增强通流能力，大大缩短现场融冰操作时间，提高融冰效率，同时需要其在工作中不得发生上述问题，降低故障率，减小后期运维成本。

2 通流性能理论

2.1 地线融冰电流计算

架空地线直流融冰对融冰电流的要求是：在融冰阶段，使覆冰线路的通过电流大于融冰电流同时小于最大允许电流， 并兼顾融冰线路串接金具设备的通流能力。

进行架空地线直流融冰功能光缆并联专用金具研究，应校验热稳定和人身安全防护措施，应首先确定架空地线的融冰电流以及最大允许电流，然后得到融冰电压的大小，确定所需直流融冰装置容量，进一步确定并联专用金具尺寸大小。

融冰电流在架空地线电阻中产生的热量一部分使冰柱的温度上升至融点，一部分使冰柱融化，一部分损失在从架空地线表面到冰柱表面的传递途中，还有一部分通过冰柱表面散失。架空地线融冰电流的经验计算公式如下：

式中，Ir 为融冰电流（A）；R0为0℃时的导电电阻（Ω/m）；Tr 为融冰时间（h）；Δt 为导体温度与外界气温之差；g0为冰的比重，一般取0.9；b 为每边冰层厚度（cm）；D 为导体覆冰后外径（cm）；d 为架空地线直径（cm）[1-2]。

2.2 地线允许最大电流计算

在融冰期间（最长几小时）允许架空地线达到最高温度（普通地线为 90 ℃，OPGW 为 80 ℃）所通过的电流，计算公式如式（1）和（2）[3-4]。

当风速≤2m/s 时，

式中，R90 为架空地线温度为90℃时的电阻（℃）；Imax为架空地线最大允许电流（A）；t2为外界温度（℃）；εi为辐射系数；D 为导体覆冰后的外径。

2.3 地线融冰电压计算

架空地线融冰电压符合欧姆定律，其计算公式为U=IrR。

式中，U 为融冰电压；Ir为融冰电流；R 为融冰回路直流电阻。

根据相关气象条件及技术参数，通过计算，本文中地线、光缆最大通过电流、及融冰电流均可满足提出条件。基于相关参数，对光缆并联专用金具设计。

3 光缆并联专用金具方案设计

3.1 光缆并联专用金具设计图

根据设计要求，设计如图2 所示的光缆并联专用金具设计图。

图2 光缆并联专用金具设计图

3.2 各部分具体设计

3.2.1 结构设计

根据要求，线夹部位不使用螺栓且需安装方便，所以采用自锁式结构设计。由于各接续OPGW 之间的位置不固定，所以引流部分采用铝绞线，两线夹之间可在各个角度自由旋转。

3.2.2 线夹选型设计

常用OPGW 参数如下表1 所示。

表1 常用OPGW 参数表

从70-180 截面的OPGW 来看，外径相差6.8mm，由于橡胶的压缩比不能过大，同一种线夹无法通用这些OPGW。

对于线夹大小可以分为两档，线夹本体部分相同，可通过改变橡胶的厚度来实现。按照3mm 左右的直径差来作为一个型号，OPGW-70～OPGW-120 通用一种型号的线夹，OPGW-130～OPGW-180 通用一种型号的线夹。

3.2.3 电气接触面尺寸设计

融冰时通流接触面积计算公式为：S=I/J，其中：I 为融冰时的电流，取600A；J 为接触面的电流密度，通过查找资料，当电流密度≤0.15A/mm²时，接触面的温升在正常范围内。通过计算接触面积至少为4000mm²。

线夹基本尺寸如图3 所示，则并联金具的线夹接触面积为：S0=0.85πdl。式中，因光缆的直径圆周与金具不完全接触，故取0.85 的系数；d 为光缆直径，考虑有最小接触面积的70mm²光缆，其外径为11.4mm；l 为线夹宽度；当满足设计要求时：S0 ≥4000mm²。那么计算可得l ≥131mm;同时加上10%的设计余量，线夹宽度l 至少为144mm，在这个长度下，压紧装置对OPGW 的压紧力会分散，且产品重量会成倍增加，不符合重量轻的设计初衷。所以，最终设计在通流时，可并联两个金具进行通流，金具的设计宽度定为74mm。同样，端子板的面积也应大于4000mm²，通过查《电力金具手册》端子板的尺寸a 和h 分别为80mm 及85mm，4 个孔的孔径为14mm[5]。

图3 线夹基本尺寸示意图

3.2.4 薄铝片尺寸设计

薄铝片基本尺寸如图4 所示，薄铝片的截面积：S1=I/J1；薄铝片的总厚度：T=S1/La。式中：La 为薄铝片的宽度应等于线夹的宽度，考虑线夹的倒角，铝片宽度取70mm；J1为通流密度，查资料得当纯铝导体的通流密度≤1.5A/mm²时，导体的温升在正常范围内。通过计算得：T ≥5.7mm，考虑10%的设计余量，取6.5mm；每片铝片为0.5mm，用13 片薄铝片的组合。

图4 薄铝片基本尺寸示意图

3.2.5 橡胶尺寸设计

橡胶基本尺寸如图5 所示，设计橡胶的长度Lb 与薄铝片长度相等。一般而言橡胶的压缩比为：K=1-(20-d/2-T)/(20-R1)。

图5 橡胶基本尺寸示意图

当安装夹持范围内最小的OPGW 时，橡胶的压缩比不小于5%；即1-(20-dmin/2-T)/(20-R1)≥5%。

当安装夹持范围内最大的OPGW 时，橡胶的压缩比不大于30%；即1-(20-dmax/2-T)/(20-R1)≤30%。

各式中d 为OPGW 外径，T 为薄铝片总厚度6.5mm。那么以OPGW-70～OPGW-120 线 夹 为 例：dmin=11.4mm，dmax=14.6mm；11.1mm ≤R1 ≤11.8mm；R1 定为11.6mm。

4 三维设计

通过关键尺寸的计算，结合以往线夹类金具的设计经验，建立了三维模型，如图6 所示，更加直观地展现了线夹的整体结构及工作方式。

图6 并联金具三维示意图

5 产品试制及实验

5.1 产品试制

根据产品设计方案，交由工厂试制，试制产品如图7 所示。

图7 产品试制实物图

5.2 产品试验

5.2.1 通流温升试验

根据实验要求及实验条件布置如图8 所示的实验线路。

图8 温升实验线路图

在环境温度25±1℃、1000A 大电流通流作用下通流一段时间后，根据温度传感器，得出各个测量点的温度。结果如表2 所示。

表2 温升数据结果表

结果显示，在通流状态下，整个并联金具的温度都远低于导线温度。实验验证其通流温升的合格性。

5.2.2 盐雾腐蚀试验

为了验证并联金具在极端条件下的使用损坏情况，将其进行240 小时盐雾试验。实验后的产品如图9 所示。

结果表明，产品表面无明显腐蚀痕迹，有一定的耐腐蚀性。

5.2.3 反复安装试验

对产品进行了500 次的重复安装-拆卸试验，产品完好。

6 结束语

本文中对一种具备地线融冰功能的光缆并联专用金具设计研究，该并联金具具有如下亮点：（1）采用铰链式线夹，自锁式结构，无需进行拧螺栓操作，大大方便了安装。（2）橡胶瓦及薄铝片组合的型式，可适用不同外径的光缆并联连接，在通过大电流时，具有弹性的橡胶瓦能消除因材料热膨胀系数差异而导致的松动。（3）线夹之间采用软铝线连接，可以360°旋转角度，不需要调整光缆的位置及角度，大大方便了安装。

同时给出了具体设计方案，并进行试制及实验验证，很好的验证了该产品的可行性及适用性。这对今后的光缆融冰具有重大意义。