光纖復(fù)合導(dǎo)線在輸電線路施工關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

國家電網(wǎng)公司冀北電力有限公司 楊 靜 龔延興 王 輝朱曉嶺 劉亞新 王書淵 趙 盟 張吉飛 蘇 斌 袁 翔

本文對110kV、220kV高壓輸電線光纖復(fù)合導(dǎo)線（OPPC）進(jìn)行施工研究及應(yīng)用，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光纖復(fù)合導(dǎo)線、接頭盒及相關(guān)金具。解決了大長度、大截面光纖復(fù)合導(dǎo)線制造、運(yùn)輸、施工等難題，實(shí)現(xiàn)了光纖復(fù)合導(dǎo)線在110kV與220kV輸電線路掛網(wǎng)應(yīng)用。

光纖復(fù)合導(dǎo)線；光纖光柵；輸電線路；接頭盒；金具

引言

光纖通信由于其容量大、保密性好、不易受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信中，在要求越來越高的電力系統(tǒng)通信中發(fā)揮著重要的作用[1,2]。光纖復(fù)合導(dǎo)線（Optical phase conductor，以下簡稱OPPC）是在傳統(tǒng)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中嵌入光纖單元的一種新型特種電力特種光纜。二十世紀(jì)80年代，在歐美國家首先出現(xiàn)OPPC的設(shè)計理念，目前OPPC技術(shù)在國外已經(jīng)應(yīng)用多年，但是將OPPC與光纖測溫技術(shù)融合在一起并投入實(shí)際運(yùn)行的技術(shù)至今未見到報道[3]。90年代初，國內(nèi)就已經(jīng)對OPPC的應(yīng)用進(jìn)行了關(guān)注和研究，并在10kV、35kV中壓線路上得到應(yīng)用[4,5]。本文是我國首次進(jìn)行高壓輸電線路光纖復(fù)合導(dǎo)線、接頭盒及金具的研發(fā)及應(yīng)用，將先進(jìn)的光纖通信、傳感技術(shù)與輸電技術(shù)進(jìn)行高度融合和集成，研發(fā)由光纖、傳感器、輸電導(dǎo)線組成的光纖復(fù)合導(dǎo)線，解決了目前電力特種光纜OPGW及ADSS光纜遇到的電腐蝕、雷擊、線損等問題，為智能電網(wǎng)的信息化、智能化、互動化提高通道和技術(shù)支撐。

1 光纖復(fù)合導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 光纖復(fù)合導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

光纖復(fù)合導(dǎo)線是具有傳統(tǒng)架空導(dǎo)線和通信能力的導(dǎo)線，是在傳統(tǒng)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中嵌入光纖單元的一種新型特種電力特種光纜，通常OPPC是將傳統(tǒng)輸電導(dǎo)線中的一根或多根鋼絲用不銹鋼管光單元進(jìn)行替換，使鋼管光單元與（鋁包）鋼線、鋁（合金）線共同絞合[6]。

1.2 光纖復(fù)合導(dǎo)線特點(diǎn)

圖1 光纖復(fù)合導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

目前普遍采用的電力特種光纜主要有光纖復(fù)合架空地線OPGW和全介質(zhì)自承式光纜ADSS[7]，OPPC擴(kuò)大了電力通信媒介的選擇余地，同時在某種程度上解決了OPGW光纜、ADSS光纜不能解決或難以解決的技術(shù)問題，具有如下技術(shù)特點(diǎn):

1.2.1 OPPC技術(shù)是OPGW、ADSS技術(shù)的應(yīng)用延伸和有益補(bǔ)充。

我國目前在110kV～500kV線路主干網(wǎng)廣泛采用OPGW、ADSS進(jìn)行通信，但對于一些難以選用OPGW、ADSS光纜的線路就需要考慮其它特種光纜，在10-35kV線路，因原線路沒有架空地線，所以無法使用OPGW，使用OPPC更為適宜。OPPC就是OPGW、ADSS光纜的補(bǔ)充產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)傳輸電能與光纖通信的完美融合。

1.2.2 OPPC可有效避免OPGW雷擊斷股問題。

目前，由雷擊導(dǎo)致的斷股是OGPW光纜應(yīng)用中的主要問題[8]，雷擊導(dǎo)致OPGW光纜的斷股，嚴(yán)重時內(nèi)部光纖也會受到損害，這不但影響輸電線路的可靠運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致通信的中斷。全國發(fā)生了幾十起OPGW遭雷擊斷芯斷股事故，2008年-2009年華北電網(wǎng)更換500kV萬順線與房保線的雷擊斷芯斷股部分OPGW光纜，共花費(fèi)工時等資金約400萬元。

圖2 預(yù)絞式T型接續(xù)條

圖3 并聯(lián)引流楔型線夾應(yīng)用

1.2.3 OPPC可解決OPGW能量損耗問題。

目前OPGW光纜須采用逐基塔接地的方式，產(chǎn)生環(huán)流能量損耗問題，電壓等級越高，損耗越嚴(yán)重。220kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為5-10萬kWh,330 kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為60萬kWh,500 kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為140萬kWh。750 kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為218萬kWh[9]。采用光纖復(fù)合導(dǎo)線，輸電線路避雷線仍按原架空地線采用分段和開環(huán)等方法接地，可以減小避雷線上的電流，進(jìn)而減小避雷線上電能損耗。

1.2.4 OPPC可解決ADSS電腐蝕問題。

目前，ADSS光纜應(yīng)用中的主要障礙是電腐蝕現(xiàn)象[10]。處于強(qiáng)電場中的ADSS光纜與導(dǎo)線和大地之間的電容耦合，會在光纜表面產(chǎn)生一定的空間電位?？臻g電位導(dǎo)致接地漏電流并在光纜表面形成干燥帶，當(dāng)干燥帶兩端的電位足夠高時就產(chǎn)生了放電，形成了干帶電弧。電弧產(chǎn)生的熱量會使光纜外護(hù)套松弛融化直至脫落，進(jìn)而腐蝕芳綸紗，最后導(dǎo)致光纜的斷裂。OPPC光纖與導(dǎo)線處于同一電位，不存在電腐蝕問題。

1.2.5 充分利用輸電線路資源，非桿塔附加型產(chǎn)品，沒有給原有桿塔或線路附加額外機(jī)械負(fù)荷，不會降低輸電線路的安全性和可靠性。

1.2.6 具有良好的熱穩(wěn)定性，保證光通信不受影響。

輸電導(dǎo)線設(shè)計長期使用溫度為70℃，短期為90℃。而光纖長期使用溫度可為100℃，光纖油膏、纜膏的滴點(diǎn)均大于200℃，鋁包鋼線、鋁線的120℃高溫?zé)岱€(wěn)定性也很好，因此，傳輸電能和光纖通信均不受影響。

1.2.7 因OPPC導(dǎo)線與接頭盒上均有高電壓,有絕對的防盜優(yōu)勢。

1.2.8 因OPPC導(dǎo)線架設(shè)在導(dǎo)線高度，可解決ADSS因掛點(diǎn)低經(jīng)常受外力損壞問題。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)研究

光纖復(fù)合導(dǎo)線在工程中應(yīng)用時，是將三相導(dǎo)線中的一相（或一根）更換為光纖復(fù)合導(dǎo)線光纜，使其即滿足線路輸電的要求，同時滿足系統(tǒng)對通信信號的要求，涉及導(dǎo)線間的機(jī)械性能與電氣性能的配合、光纖光柵成纜及余長控制、長期耐熱性等關(guān)鍵技術(shù)[11]。

2.1 金具研制

光纖復(fù)合導(dǎo)線具有傳輸電能及光信號的雙重功能，為避免光單元由于螺栓擠壓而帶來信號衰減，與OPPC相接觸的金具部分采用兩種結(jié)構(gòu)：預(yù)絞式結(jié)構(gòu)和新型并聯(lián)引流線夾。預(yù)絞式結(jié)構(gòu)金具解決了傳統(tǒng)防振錘易滑移、耗能、頻響特性差等問題；本課題還新研制了預(yù)絞式T型接續(xù)條，提供用于光纖復(fù)合相線與其他線纜T型接續(xù)的一種接續(xù)線夾，它是由兩組螺旋狀L型預(yù)絞絲組成，兩組預(yù)絞絲主盤段用于盤繞于光纖復(fù)合相線的螺旋絞線外表面上，并且各自沿相反方向延伸，兩組預(yù)絞絲另一端在T接處彼此與接入線纜螺旋嵌合，形成T型接續(xù)。然后使用第三組直線型預(yù)絞絲，盤繞在光纖復(fù)合相線外表面，并與前兩組預(yù)絞絲的主盤繞段螺旋嵌合。這樣需要接入的線纜很容易的與光纖復(fù)合相線進(jìn)行了T接，從提高了施工效率和速度，降低了施工費(fèi)用且免維護(hù)。這個T型接續(xù)線夾形成實(shí)用新型專利一個，ZL201020046768.X《用于光纖復(fù)合相線的T型接續(xù)線夾》如圖2所示。研制了新型并聯(lián)引流楔型線夾，由于OPPC接頭盒連接跳線比較短，使用預(yù)絞式金具結(jié)構(gòu)握力達(dá)不到要求，新型并聯(lián)引流楔型線夾能夠達(dá)到通流能力強(qiáng)、握緊力強(qiáng)，而又不傷害導(dǎo)線功能，解決了在短距離內(nèi)不能使用預(yù)絞式金具的問題，如圖3所示。

2.2 光纖復(fù)合導(dǎo)線施工關(guān)鍵技術(shù)研究

在施工過程中，由于光纖復(fù)合導(dǎo)線融合了普通導(dǎo)線和OPGW光纜兩種線纜的特點(diǎn)，其放線、緊線附件安裝、引流制作、光纖接續(xù)等工藝方法都與普通導(dǎo)線或OPGW光纜存在較大的不同，且對施工機(jī)具有特殊要求。施工中解決了大長度、大截面光纖復(fù)合導(dǎo)線運(yùn)輸、張力放線、弧垂控制、高空光纖熔接技術(shù)等施工難題，全面自主研究形成了工程設(shè)計、施工及現(xiàn)場驗(yàn)收規(guī)范等全套技術(shù)資料。

2.2.1 光纖復(fù)合導(dǎo)線需要在耐張塔上進(jìn)行接續(xù)，220kV白鹿線在設(shè)計初期并未考慮應(yīng)用光纖復(fù)合導(dǎo)線，耐張檔距很大，出現(xiàn)了復(fù)合導(dǎo)線（400mm2導(dǎo)線）最大單軸導(dǎo)線長達(dá)5.8km，導(dǎo)線直徑28mm，最大盤徑2.5m，最大寬度1.6m，重量8.5噸，這給施工、運(yùn)輸帶來很大困難。

2.2.2 由于光纖復(fù)合導(dǎo)線內(nèi)含光纖，所選張力機(jī)輪徑必須滿足導(dǎo)線最小彎曲半徑要求，同時滿足放線過程中導(dǎo)線最大張力要求。在放線過程中，為防止?fàn)恳K扭轉(zhuǎn)損傷光纖，OPPC與牽引繩采用網(wǎng)套聯(lián)接器方式連接，依次為牽引繩、旋轉(zhuǎn)連接器、鋼絲繩套、旋轉(zhuǎn)連接器、網(wǎng)套連接器、OPPC導(dǎo)線，有效釋放了牽引繩的扭力。

2.2.3 弧垂控制。由于光纖復(fù)合導(dǎo)線是按區(qū)段長度配置，目前中間無法接續(xù)，耐張線夾和懸垂線夾均是預(yù)絞絲型式，安裝拆卸較困難。如弧垂超出偏差要求，返工非常困難，甚至無法返工，如弧垂負(fù)誤差超出要求，而導(dǎo)線已經(jīng)斷線完畢，則可能造成整根導(dǎo)線或一個耐張段導(dǎo)線作廢，因此應(yīng)嚴(yán)格控制。

2.2.4 光纖復(fù)合導(dǎo)線在直通型耐張塔處沒有接頭，且引流線均是繞跳型式，直接使用本導(dǎo)線進(jìn)行引流線長度及弧垂比量，工序復(fù)雜，難度較大。借鑒普通導(dǎo)線引流線比量法制作經(jīng)驗(yàn)，本工程采用了“輔助導(dǎo)線比量法工藝”進(jìn)行引流線制作，如圖4所示。

2.2.5 高空光纖熔接。光纖復(fù)合導(dǎo)線光纖接頭位置在跳線串正下方。因尾線長度較短，無法實(shí)現(xiàn)地面熔接操作，所以必須設(shè)置高空熔接平臺，如圖5所示。即利用桿塔橫擔(dān)為支撐，在其上鋪設(shè)專用木板，形成一個熔接操作平臺，熔接時先將兩邊跳線串線夾松開，再將接頭盒及合成絕緣子吊放到橫擔(dān)平臺上，熔接人員站在導(dǎo)線橫擔(dān)里進(jìn)行操作。熔接完成后，將合成絕緣子提升至掛點(diǎn)處連接好，最后再將兩邊跳串線夾恢復(fù)連接。該方法與吊籃相比，安全可靠，能保證熔接工作穩(wěn)定，且可容納3-4人同時相互配合作業(yè)，很好的解決了高空熔接難題。

2009年6月和2010年8月采用具有光纖測溫及通信功能光纖復(fù)合導(dǎo)線的110kV虹窩線、220kV白鹿線在華北電網(wǎng)順利投產(chǎn)運(yùn)行。按照國際標(biāo)準(zhǔn)并通過OTDR對通信光纖進(jìn)行雙向測試，110kV虹窩線電路平均衰減為：1310nm：0.352dB/km，1550nm：0.203dB/km；220kV白鹿線路平均衰減為：1310nm：0.34dB/km，1550nm：0.21dB/km。該光纖復(fù)合導(dǎo)線為深圳特發(fā)信息公司生產(chǎn)，光傳輸通道為供電公司營銷、生產(chǎn)、財務(wù)、調(diào)度電話、自動化、MIS與公司本部ECM、EAM,ERP等重要業(yè)務(wù)提供了高可靠通道，線路投運(yùn)后運(yùn)行安全穩(wěn)定，測溫、監(jiān)控及通信各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，完全可以滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行要求。

3.3 光纖光柵成纜及余長控制[12,13]

圖4 引流線施工

圖5 高空光纖熔接作業(yè)

測溫OPPC光纜的制造工藝與普通OPPC制造工藝基本一致，不同點(diǎn)在于在OPPC的不銹鋼管光單元中要加入特殊的經(jīng)過制作成的光纖光柵，光纖光柵與普通光纖同時加工成光單元過程中，余長控制不是單一普通光纖的余長控制，兩種光纖的應(yīng)力變化差要求處理一致。對光纖復(fù)合導(dǎo)線來說，由于存在放線、過滑輪、緊線造成的結(jié)構(gòu)伸長及運(yùn)行過程中的溫度升高產(chǎn)生的膨脹伸長及塑性變形產(chǎn)生的蠕變伸長，因此對光纖余長控制工藝要求非常嚴(yán)格，余長的控制要絕對保證以光纖光柵的余長來取值，設(shè)計的光纖復(fù)合導(dǎo)線光纖余長達(dá)到0.5～0.7%，以保證在70%額定拉力強(qiáng)度（RTS）時光纖不受力。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，OPPC在40%RTS和60%RTS下均保持了良好的拉伸特性。線路實(shí)際運(yùn)行拉力為16-25%RTS，極限拉力40%RTS。在輸電線路覆冰狀態(tài)下，一般厚度不大于纜徑時光纜受力不會大于70%RTS，光纖不會受力。

3 進(jìn)一步研發(fā)內(nèi)容

目前使用的OPPC和OPGW帶光纖的導(dǎo)地線都無法在線路的檔中接續(xù)，均需要在耐張塔進(jìn)行光纖和導(dǎo)線接續(xù)，這給將來運(yùn)行帶來很大困擾，一旦出現(xiàn)斷線就需要更換整個耐張段導(dǎo)線，造成施工難度增加、費(fèi)用加大。為此已研究發(fā)明了光纖導(dǎo)地線的直線接續(xù)方法和設(shè)備，可以在任何地點(diǎn)進(jìn)行光纖復(fù)合導(dǎo)線接續(xù)，不久即將在現(xiàn)場中應(yīng)用，這將大大增加了光纖復(fù)合導(dǎo)線的使用范圍，減少事故檢修的時間和費(fèi)用。發(fā)明專利201010594823.3《光纖復(fù)合電力電纜直線接續(xù)方法和裝置》，目前已經(jīng)開展了光纖復(fù)合導(dǎo)線在500kV輸電線路的研究與應(yīng)用項(xiàng)目的前期工作。

4 結(jié)論

本文是我國首次進(jìn)行高壓輸電線路光纖復(fù)合導(dǎo)線施工應(yīng)用，將先進(jìn)的光纖通信、傳感技術(shù)與輸電技術(shù)進(jìn)行高度融合和集成，研發(fā)由光纖、傳感器、輸電導(dǎo)線組成的光纖復(fù)合導(dǎo)線，解決了目前電力特種光纜OPGW及ADSS光纜遇到的電腐蝕、雷擊、線損等問題。研制了適用于高壓輸電線路的支柱式和懸掛式接頭盒，解決了OPPC復(fù)合導(dǎo)線光纖的T接分光信號接入問題，實(shí)現(xiàn)了全線信息接入，為線路智能化管理奠定了基礎(chǔ)。首次利用光纖光柵傳感器測溫實(shí)現(xiàn)了OPPC光纜實(shí)時溫度在線監(jiān)測功能，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測、動態(tài)增容提供了新的技術(shù)手段。解決了大長度、大截面光纖復(fù)合導(dǎo)線制造、運(yùn)輸、施工等難題，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了光纖復(fù)合導(dǎo)線在110kV和220kV輸電線路掛網(wǎng)應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。

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