富秋豪 邱 明 曹 歡 劉藝璇

（亨通國際產業(yè)集團）

0 引言

巴基斯坦作為當前世界第六人口大國，隨著人口不斷增加，該國電力消費量在近幾年呈現出逐年增長的態(tài)勢，目前巴基斯坦電力需求的年增速將達到4.1%左右，截止到2025年電力消費總量達到120890GW·h。但因能源短缺導致電力供應嚴重不足是目前巴基斯坦面臨的很大問題，拉閘限電的情況時有發(fā)生，給企業(yè)的正常生產和人民的日常生活帶來很大影響，嚴重制約了該國的經濟增長［1］。巴基斯坦正在積極尋求雙邊和多邊援助，建設高壓線路，升級改造電網以此解決電力需求緊張的問題。而多不銹鋼管OPGW 是其電網主要應用的產品結構，該結構目前在國內應用較少。隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，中國走向世界的步伐加快，為加深中巴友誼解決該國電力危機并應對未來國內外OPGW 市場特殊結構的需求，多不銹鋼管OPGW 結構的設計具有很高的研究價值［2-3］。

1 多不銹鋼管結構

常規(guī)的鋁包OPGW 光單元采用一根不銹鋼管，管外包覆鋁管結構。而多管結構光單元如圖1所示，多采用三管、四管、六管與加強芯絞合后再進行包覆鋁管形成OPGW 光單元［4］。下文將重點介紹生產難度較高的三管結構并以此進行探討研究。

圖1 多管結構光單元

2 三管不銹鋼結構設計

光單元結構由中心加強件與多不銹鋼管組成，考慮到輕質、環(huán)保、節(jié)能等方面要求，中心加強件我們通常選用纖維增強復合材料（Fibre Reinforced Polymer，FRP）材質。FRP是以樹脂為基體材料，玻璃纖維為增強材料，按工藝比例混合后拉制而成的高性能復合材料，其在中心位置的作用是支撐光單元，并在一定程度上提高光單元的徑向抗拉能力和抗彎曲性能［5］。

關于FRP尺寸的選用，首先根據各公司的工藝水平決定不銹鋼管的尺寸，本文以24芯3管2.0mm不銹鋼管為例。根據三管相切圓三角函數可以得出FRP直徑D1，公式如下：

考慮到三管不銹鋼結構的不穩(wěn)定性（加強件直徑?。魧⒅行募訌娂哟?，則外層光單元縫隙變大，從而導致光單元絞合過程中極易出現FRP錯位跳出并斷線、光單元壓扁變形等現象。因此為了避免這類情況產生，我們通常根據理論值選用尺寸負偏差的FRP，即D1＝0.3mm，使不銹鋼管絞合更緊密，不易出現錯位現象。同時，絞合緊密增加了不銹鋼管之間的受力面積，為避免受力不均導致不銹鋼管局部過度受壓而造成光纖衰減偏大現象，在絞制過程中應選用張力系統(tǒng)較好的主動放線設備。

3 三管不銹鋼余長設計

眾所周知，光單元余長是決定OPGW 電力光纜能否安全運行的重要因素，合理的余長設計可以保證電力光纜在架設過程中光纖不受力，保障其正常的通信傳輸。在設計過程中，余長的下限應充分考慮OPGW 在施工過程、氣象溫度、蠕變情況下產生的塑性及彈性形變伸長量［6］。

蠕變伸長量ε可根據產品蠕變曲線（如圖2所示）得出，ε＝64.210t0.195＝0.646‰，設計時應考慮余量，故選取0.8‰。因溫度變化和架設期間造成的伸長量，可根據產品的彈性模量及線性膨脹系數得出，具體設計參考量見表1?？紤]到施工時會進行初伸長處理從而解決塑蠕伸長，因此OPGW 生產余長通常設計在5‰左右。

表1 工況伸長量

圖2 蠕變曲線

3.1 不銹鋼管管內余長

不銹鋼管內光纖受纖膏保護，處于游離狀態(tài)，其主要分布形式為［7］：

（1）所有光纖分布為束狀；

（2）整個光纖束在管內沿內壁分布為SZ螺旋曲線以及正弦分布。

關于多根光纖束狀分布，根據二維密堆積結構分析，可求出小圓密堆大圓（見表2）形成的等效圓之間的面積占比為0.75。

表2 小圓密堆大圓

根據面積占比為0.75，可以推導出多根光纖形成束狀分布后的等效圓直徑Ds，如公式（2）所示。

式中，Ds為等效圓直徑；Df為著色光纖直徑。

螺旋線產生余長分布如圖3所示。

圖3 光纖余長螺旋分布示意

光纖的彎曲半徑與管內空間決定了不銹鋼管內光纖最大余長，詳見公式：

式中，D為不銹鋼管徑；h為不銹鋼壁厚；Rmin為光纖最小彎曲半徑；Rn為光纖束到中心的距離；L為光纖彎曲節(jié)距；S為光纖管內實際長度。

根據公式（4）、（5）即可推導出管內余長ε1：

以3管24芯光單元為例，設計為2.0-8B1不銹鋼管，壁厚0.18mm，著色光纖尺寸0.255mm。G652光纖的彎曲半徑Rmin＝55mm，根據以上參數代入公式（2）、（3）、（6），可得出ε1＝3.69‰。

3.2 光單元絞合結構余長

對于多管不銹鋼絞合結構來說，除了管內余長外，還應考慮絞合結構余長ε2。此結構余長是由于當OPGW 在拉伸狀態(tài)時，首先消耗管內光纖余長ε1并使光纖束向管內中心位置移動，之后由于絞合余長ε2的存在，有更大的余長拉伸空間，因此光纖束將向內側移動（如圖4所示），從而防止光纖受力產生附加衰減。這種結構余長的大小與光單元的節(jié)距與徑向移動距離Rn有關，結構余長ε2的公式如式（8）所示。

圖4 結構余長及移動示意圖

根據公式可以看出，通過調整節(jié)距即節(jié)徑比可以獲得理想的結構余長，但是在節(jié)徑比＜20的情況下，雖然獲得的結構余長較大，但是工藝上對不銹鋼管的焊縫要求高，容易造成扭壞。因此對于三管結構我們通常設計節(jié)徑比為26左右，即L1＝60mm。光纖束在消耗一次余長后分布為不完全束狀，因此計算結構余長時，等效直徑Ds需考慮直徑系數k＝1.2，代入公式（7）、（8），獲得ε2＝3.45‰，則綜合余長ε總＝ε1＋ε2＝7.14‰，滿足OPGW 日常架設需求。

4 外層結構設計

三管不銹鋼絞合后，應設計外包覆鋁管以提高產品的抗測壓能力、圓整度和電氣性能。通過調整鋁管厚度、單絲類型、單絲尺寸等設計手段來滿足電力客戶對OPGW 產品的電氣性能和機械性能的要求。但是在單絲調整設計過程中，應充分考慮產品結構產生的縫隙大小。若縫隙過小，其外層單絲在絞合過程中易出現相互擠出現象從而使內層產生空隙。若設計縫隙過大則絞合不緊密，在高壓情況下易產生電場集中，從而導致放電現象［8］。

為便于理解，假設各層圓線尺寸相等為Dx，則每層的材料根數為6n。另假設各層單絲橫截面為正圓且未經過絞合，則各層的間隙為（2Dxπ－6Dx）×n。由間隙公式可以看出，絞合層數越多，外層的縫隙也越大。

為了避免各層縫隙過大，產品必須通過絞合方式即控制節(jié)徑比參數使各單絲同時產生螺旋升角α，從而增加單絲的截面寬度，達到減少縫隙的目的（如圖5所示）。在設計階段我們定義各層單絲的截面寬度總和與該層節(jié)圓的周長比值為覆蓋率ω，覆蓋率ω越高，則絞合的縫隙越小，反之縫隙就越大。螺旋升角α、覆蓋率ω的推導見公式（9）、（10）。

圖5 螺旋升角示意圖

然而節(jié)徑比也不宜過小，因為生產階段單絲線徑會出現偏差，若縫隙過小，會導致生產過程中單絲擠出現象。

因此在設計階段應考慮： （1）層數越多縫隙越大，各層的節(jié)徑比應逐層遞減，即絞線標準上規(guī)定的任何層節(jié)徑比應不大于緊鄰內層節(jié)徑比。 （2）節(jié)徑比不能過小，即各層的節(jié)徑比不應小于10。綜上兩點因素，為滿足產品緊密絞合工藝需求，設計內層節(jié)徑比10～16，外層節(jié)徑比10～12，同時覆蓋率ω控制在95%～98%。

5 結束語

加強芯尺寸、光纖余長、結構縫隙是多管不銹鋼OPGW結構設計階段的關鍵考慮因素以及工藝衡量的重要指標。其中加強芯的尺寸決定了多管不銹鋼工藝絞合質量；余長大小決定了OPGW 架設過程中的使用壽命以及通信質量；結構縫隙決定了產品的質量及后期使用安全。只有在設計階段充分考慮產品質量的關鍵影響因素，才能提高產品性能，為未來國內外市場提供品質更優(yōu)越的多管不銹鋼OPGW。