王春江

(上海電纜研究所，上海200093)

1 光通信在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的概況

由于光纖通信具有傳輸容量大、損耗低、速率高、無電磁干擾，以及通信光纜重量輕、外徑小等優(yōu)點(diǎn)，在上世紀(jì)70年代中期起逐漸代替了以銅導(dǎo)體為線芯的傳統(tǒng)通信電纜。光通信在傳統(tǒng)的公用通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的同時，也逐漸開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡(luò)中。在早期的電力系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡(luò)中，大多采用同桿架設(shè)的普通型架空光纜。由于國外尤其日本開發(fā)了一種將光纖和架空地線組合成一體的新型光纖復(fù)合架空地線(OPGW)，既可作為地線，又可作為光纖通信，具有雙重的功能，節(jié)省了很多原材料，又避免了因同桿架設(shè)架空光纜而重復(fù)一次施工，降低了投資成本，具有良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國電力部門在上世紀(jì)70年底開始先后引進(jìn)了多根國外的OPGW產(chǎn)品并建立多條輸電線路，上海電纜研究所也立項(xiàng)進(jìn)行了研究。我國上世紀(jì)90年代初進(jìn)一步改革開放，大量引進(jìn)了國外先進(jìn)制造技術(shù)和設(shè)備，或吸收外資共同研發(fā)，使我國OPGW生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量有了突飛猛進(jìn)。目前可以說，我國OPGW產(chǎn)品品種、規(guī)格和性能已接近或達(dá)到國外先進(jìn)水平，并在我國架空輸電線路中獲得廣泛應(yīng)用。

盡管OPGW獲得廣泛應(yīng)用，但不能完全替代架空光纜。在某些特定條件還需要下列產(chǎn)品，例如架空輸電線路施工規(guī)程的規(guī)定:110 kV及以上高壓架空線路在全長的架空線上必須架設(shè)地線，進(jìn)行全長的防雷保護(hù)，這稱為全線保護(hù);35 kV及以下中低壓架空輸電線路只需在進(jìn)入變電所(站)之前部分長度上架設(shè)地線，進(jìn)行局部保護(hù)，這稱為進(jìn)線保護(hù)。因?yàn)樗矔r的雷電壓或短路過電壓產(chǎn)生的電壓行波將會沿著架空輸電線路傳播并逐漸衰減變小。中低壓架空輸電線路輸送電壓相對于高壓線路而言較低，在一個短段距離內(nèi)會逐漸衰減，不危及變電所(站)內(nèi)設(shè)備和人身安全，所以只需要局部的進(jìn)線保護(hù)，反之，110 kV及以上高壓線路必須全線保護(hù)。總之，OPGW通常應(yīng)用于110 kV及以上架空線路，而35 kV及以下中低壓線路仍需采用架空光纜。

然而，通過多年實(shí)踐發(fā)現(xiàn)普通型架空光纜用于電力系統(tǒng)同桿架設(shè)存在兩大問題:(1)普通架空光纜含有金屬材料，即受力構(gòu)件采用高強(qiáng)度鋼絞線，護(hù)套鎧裝層采用輕型鋼帶或薄層皺紋鋼管，或采用鋁塑綜合護(hù)層。因此，在外磁場作用下，尤其是當(dāng)架空輸電線路遭雷擊或發(fā)生短路故障時，瞬時的雷電流和短路過電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場將在含金屬的架空光纜中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，危及人身安全，損壞相關(guān)的光/電設(shè)備，這是不允許的。(2)由于架空光纜和架空輸電線同桿架設(shè)，當(dāng)線路發(fā)生電暈時將損傷電纜塑料護(hù)套，使護(hù)套表面發(fā)生電腐蝕，影響了使用壽命。因此，電力系統(tǒng)用的架空光纜應(yīng)采用一種稱為全介質(zhì)自承式光纜(ADSS)。它是以非金屬材料芳綸作為光纜的受力構(gòu)件，特種耐電腐蝕黑色聚乙烯作為護(hù)套材料。這種新型的產(chǎn)品代替原來的普通型架空光纜。

科學(xué)技術(shù)進(jìn)步是發(fā)展生產(chǎn)力的原動力，這是千真萬確的。在上述技術(shù)進(jìn)步的同時，歐美各國科技人員從開發(fā)OPGW得到啟示，提出一種把光纖與架空相(導(dǎo))線組合在一起，制造成光纖復(fù)合架空相線(Opticalphase Conductor，簡稱 OPPC)代替 ADSS。這樣既可省去了ADSS購置費(fèi)用，又可省去一次施工費(fèi)用，并可提高產(chǎn)品使用性能和使用壽命，具有很高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。這就是本文論述的主題，下面將對OPCC設(shè)計(jì)制造若干問題、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)效益分析和應(yīng)用時注意的事項(xiàng)等問題進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 OPPC設(shè)計(jì)和制造若干問題的討論

2.1 OPPC的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為光纖復(fù)合架空相線(OPPC)的設(shè)計(jì)理念。從圖中可知，它的設(shè)計(jì)理念是將傳統(tǒng)的架空導(dǎo)線中心的受力構(gòu)件中一根或多根鋼線由不銹鋼管的光單元替代，然后與多根鋁包鋼線絞合并構(gòu)成中心加強(qiáng)芯，外層再絞合兩層絞向相反的鋁(或鋁合金)線，構(gòu)成導(dǎo)電基體，實(shí)現(xiàn)輸電和通信的雙重功能。如果將其與OPGW比較的話，兩者共同點(diǎn)都是絞合了一個光單元;不同的是前者絞合于架空導(dǎo)線中，具有導(dǎo)線和通信雙重功能，后者絞合于架空地線中，具有地線和通信的雙重功能。因此，這兩者制造工藝及設(shè)備沒有大的區(qū)別，凡能創(chuàng)造OPGW的企業(yè)均可生產(chǎn)OPPC。

圖1 OPPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念

2.2 OPPC的光單元

OPPC光單元設(shè)計(jì)包含材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個方面。這問題提出使筆者聯(lián)想到上海電纜研究所承擔(dān)的“全國產(chǎn)光纖復(fù)合架空地線(OPGW)”新產(chǎn)品的研究過程，認(rèn)為有必要將筆者在這研究過程中設(shè)計(jì)思路作一簡略介紹，這對于電線電纜產(chǎn)品研發(fā)或許有所參考或啟示。

上世紀(jì)80年代初，我國剛處于改革開放的初期，國內(nèi)外匯儲備不很充足，更主要是受到一種片面強(qiáng)調(diào)立足國內(nèi)，自力更生、獨(dú)立自主技術(shù)路線的影響。因此，要求我們必須全部采用或開發(fā)國產(chǎn)原材料及制造設(shè)備，研制全國產(chǎn)化的科技產(chǎn)品，這是可以理解的，但現(xiàn)在看來是值得研究和討論。

通常，每一項(xiàng)研究項(xiàng)目提出和確立其首要工作是查閱和分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和專利，并對國內(nèi)的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，編寫產(chǎn)品研究的可行性報(bào)告，提出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)合理、符合我國國情的技術(shù)路線和技術(shù)方案。通過查閱和分析國外文獻(xiàn)后，認(rèn)為當(dāng)時日本在研究和生產(chǎn)OPGW領(lǐng)域中，無論產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造和應(yīng)用技術(shù)均處于較領(lǐng)先地位。但是，無論是日本古河、住友公司，還是藤倉公司都提出OPGW中光單元必須采用耐高溫和高強(qiáng)度光纖。當(dāng)時我國僅有少數(shù)幾家光纖制造廠引進(jìn)了國外光纖生產(chǎn)流水線，并且剛起步生產(chǎn)常規(guī)的光纖產(chǎn)品。因此，要在短期內(nèi)研制出耐高溫、高強(qiáng)度光纖是不可能的。這就成為本課題實(shí)施的最大障礙，有人斷言采用國產(chǎn)光纖研制OPGW是不可能實(shí)現(xiàn)的。我們帶著這兩大問題進(jìn)行深入調(diào)研和分析。

通過對全國主要的各大地區(qū)電力設(shè)計(jì)研究院調(diào)研，使我們對我國架空輸電線的現(xiàn)狀有了深入了解。架空輸電線的使用溫度有以下幾方面考慮:(1)環(huán)境溫度;(2)運(yùn)行時導(dǎo)線長期工作溫度;(3)雷擊時瞬時雷電流引起的溫升;(4)短路故障時瞬時短路電流引起的溫升。由于我國架空輸電線路設(shè)計(jì)主要參照原蘇聯(lián)設(shè)計(jì)規(guī)范(與歐美系統(tǒng)是一致的)，導(dǎo)線運(yùn)行溫度規(guī)定為不大于70℃。因此，架空地線的溫度即使在溫度最高的炎熱夏天和最強(qiáng)日照條件，充其量也不會大于70℃。

日本國土面積較小，人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)，主要能源是電力，所以架空輸電線路密布全國，并且絕大多數(shù)采用耐高溫、高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線，進(jìn)行高電壓、大電流、大容量輸電，導(dǎo)線的長期工作溫度允許達(dá)到150℃。因此，選用耐高溫光纖或許有一定的原因，但對我國運(yùn)行溫度為70℃架空輸電線而言不一定采用。

關(guān)于高強(qiáng)度光纖的選用，應(yīng)該說，因架線施工及運(yùn)行條件，架空地線中光纖受力情況確實(shí)高于埋地、隧道和管道敷設(shè)的通信光纜。例如大長度的架空導(dǎo)(地)線是在放線張力保持一定的條件下，通過機(jī)械絞盤機(jī)的拉力，并經(jīng)數(shù)個導(dǎo)滑輪架設(shè)在桿塔上，因此需要承受一定的張力。一旦架線完畢后，架空導(dǎo)地線懸掛在較大跨度的兩個桿塔之間處于張力狀態(tài)，并要長期經(jīng)受風(fēng)吹雨淋等外力作用，尤其一旦發(fā)生瞬時雷電流和短路電流將會引起線路熱膨脹伸長，以及長期塑性形變的蠕變伸長等，這些綜合因素都會對光纖受力條件提出了更高的要求。當(dāng)我們正為這問題反復(fù)思考和舉棋不定時，恰好有幾個歐美國家OPGW制造商也來滬與上海電纜研究所進(jìn)行技術(shù)交流，筆者借機(jī)提出了上述兩大問題。

外國專家起初表示非常驚訝，然后說明根本不必考慮這兩大問題。首先，當(dāng)時生產(chǎn)的常規(guī)光纖完全可承受70℃工作溫度，以及瞬時雷電流和短路電流引起的溫升。其次，只要采用適當(dāng)?shù)慕g合結(jié)構(gòu)提供適當(dāng)余長，即使架空地線受力時，光纖基本上不受力，所以不必采用高強(qiáng)光纖。經(jīng)大量試驗(yàn)和應(yīng)用，已驗(yàn)證了這個論點(diǎn)是正確和可行的。根據(jù)這啟示，在上世紀(jì)80年中期，我所采用國產(chǎn)的常規(guī)光纖，選用適當(dāng)?shù)慕g合結(jié)構(gòu)及制造工藝，使光纖具有適當(dāng)余長，成功研制了第一根全國產(chǎn)的OPGW，并架設(shè)于寶雞某110 kV架空線路，進(jìn)行試運(yùn)行。

由上述分析可知，用于35 kV及以下光纖復(fù)合架空導(dǎo)線(OPPC)光單元中光纖同樣可根據(jù)其使用條件和環(huán)境，適當(dāng)選用符合要求的普通型光纖。但在光纖絞合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及光單元制造工藝中應(yīng)使光纖有適當(dāng)?shù)挠嚅L。

另外，上述也很好地說明，在查閱國外技術(shù)資料和文獻(xiàn)時，必須認(rèn)真分析研究，根據(jù)我國實(shí)際情況，吸收正確的技術(shù)觀點(diǎn)，選擇正確、經(jīng)濟(jì)和合理的技術(shù)方案和技術(shù)路線，這是至關(guān)重要的。

2.3 OPPC的金具和附件

電線電纜產(chǎn)品必須與相應(yīng)的金具和附件配套后才能應(yīng)用于線路工程，因此在研究線纜產(chǎn)品的同時，也必須對配套的金具和附件進(jìn)行研究，否則即使有了新型的線纜產(chǎn)品也無法應(yīng)用于實(shí)際的工程中。例如，早在上世紀(jì)80年代初，歐美國家就提出了光纖復(fù)合架空相線(OPPC)的設(shè)計(jì)理念。但是，OPPC的應(yīng)用必須解決接頭附件“光電分離”的關(guān)鍵技術(shù)，限于傳統(tǒng)的瓷瓶絕緣子的技術(shù)，阻礙了新型的光電分離接頭盒的開發(fā)。直到21世紀(jì)初，復(fù)合絕緣子接頭盒研發(fā)成功后，才大大促進(jìn)了OPPC在歐美各國廣泛應(yīng)用?？上驳氖?，由于我國實(shí)行進(jìn)一步改革開放政策，自2006年以來，我國線纜制造商能及時吸收引進(jìn)這種國外先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)出國產(chǎn)的OPPC產(chǎn)品及配套的金具和附件(復(fù)合絕緣子接頭盒)，開始在35 kV及以下中低壓架空輸電線路中應(yīng)用，并取得了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

3 OPPC技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益的分析

OPPC開發(fā)的目的主要是用于35 kV及以下中低壓架空線路，取代全介質(zhì)自承式光纜(ADSS)。因此，以下主要是以ADSS為參照進(jìn)行分析比較。

(1)OPPC可作為架空相線架設(shè)，既輸送電能，又作光纖通信使用，不需要另外架設(shè)ADSS，就可實(shí)現(xiàn)變電所(站)之間的通電和通信。

(2)與普通架空光纜或ADSS相比，OPPC為全金屬結(jié)構(gòu)，提高了耐腐蝕性，延長了使用壽命。

(3)OPPC作為35 kV及以下中低壓架空相線，運(yùn)行時具有較高的電壓，防盜優(yōu)勢明顯，預(yù)留備用的OPPC及接頭盒等附件被盜現(xiàn)象將減少。

(4)普通架空光纜或ADSS通常采用與輸電線同桿架設(shè)，這將給桿塔增加額外的機(jī)械載荷，對桿塔的安全可靠性有影響，采用OPPC后就不存在這種缺陷。

(5)原35 kV及以下中低壓架空線路的桿塔高度是按常規(guī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，并未考慮事后要增設(shè)ADSS等光纜，而當(dāng)ADSS同桿架設(shè)既要考慮其與導(dǎo)線之間保持一定的安全距離，又要考慮ADSS對地的安全距離，給設(shè)計(jì)帶來了困難，使用OPPC后這些問題可迎刃而解。

(6)采用OPPC后，既可省去了ADSS等光纜的購置費(fèi)用，又可省去了一次同桿架設(shè)的施工費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如，某電力設(shè)計(jì)部門曾對某工程10 kV單回路輸電線路設(shè)計(jì)采用以下三種技術(shù)方案:方案1，采用 LGJ-70導(dǎo)線，同桿架設(shè) ADSS-12B1;方案2，采用OPPC-12B1-70;方案3，采用LGJ-70導(dǎo)線，同桿架設(shè)普通型光纜GYTA-12B1，然后對這三種技術(shù)方案進(jìn)行了比較(見表1)。

表1 三種技術(shù)方案直接投資成本的比較(單位:萬元/km)

從表1可知，方案2采用OPPC直接投資成本的總費(fèi)用最低，是一種最佳的選擇方案。

4 應(yīng)用中需要注意的若干問題

(1)OPPC作為三相傳輸系統(tǒng)中的一相，須與相鄰相(導(dǎo))線張力弧垂特性保持一致，直徑、重量、截面積和機(jī)械特性等參數(shù)應(yīng)盡量與相鄰相線的參數(shù)相符;與此同時，OPPC的直流電阻也應(yīng)與相鄰相線相近，以避免遠(yuǎn)端電壓變化，從而能保持三相平衡。因此，OPPC的各種參數(shù)要接近另兩相導(dǎo)線，這是OPPC的技術(shù)關(guān)鍵。

(2)OPPC光單元中光纖應(yīng)有一定的余長，以保證架設(shè)和運(yùn)行中光纖均不受到拉應(yīng)力的作用。對OPPC來說，施工中存在放線、過滑輪、緊線等造成的結(jié)構(gòu)伸長，運(yùn)行過程中溫度升高產(chǎn)生的熱膨脹伸長，以及塑性變形產(chǎn)生的蠕變伸長，所以對光纖余長的要求很嚴(yán)格。此外，光單元應(yīng)具有良好的機(jī)械保護(hù)，保持光纖不受擠壓;為防止潮氣侵入而影響光纖的使用壽命，因此，光纖應(yīng)置于密閉的管中，或采取其他有效的防潮措施。

(3)OPPC作為三相導(dǎo)線中一相，需傳導(dǎo)三相系統(tǒng)中恒定的工作電流，具有一定的持續(xù)溫度，所以O(shè)PPC必須具有良好的熱穩(wěn)定性，保證光通信不受影響。

(4)OPPC接頭盒需要組合設(shè)計(jì)復(fù)合絕緣子，實(shí)現(xiàn)光纖接續(xù)和光電分離。OPPC接續(xù)是整個工程中最為重要的部分。OPPC接續(xù)涉及到光纖接續(xù)和光電分離技術(shù)，對接續(xù)的技術(shù)和高壓絕緣都有嚴(yán)格的要求，一般由專業(yè)的光纖接續(xù)人員進(jìn)行操作。

5 結(jié)束語

隨著我國架空輸電線路及光通信在電力系統(tǒng)中獲得了不斷地發(fā)展，新型的光纖復(fù)合架空相線(OPPC)已在35 kV及以下中低壓架空輸電線中獲得應(yīng)用。與現(xiàn)有成熟的技術(shù)方案相比較，OPPC技術(shù)方案在安全性和可靠性有了很大提高，同時還能節(jié)約成本，具有廣闊的應(yīng)用前景，因此是35 kV及以下中低壓架空輸電線路中實(shí)現(xiàn)光通信的最佳選擇。

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