不銹鋼管式OPGW的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)
時(shí)間:2014-04-11 17:43:00 來(lái)源：
摘要：本文介紹了OPGW光纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算及制造技術(shù)。
關(guān)鍵詞：OPGW 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 制造
0. 概述
光纖復(fù)合排擠地線（OPGW）不僅具有地線與光纜的雙重功能，而且光纖受到光單元（通常為金屬管）與金屬（通常為鋁包鋼和鋁合金）線的雙重保護(hù)，所以具有很高的可靠性。
OPGW結(jié)構(gòu)型式多樣，不象普通光纜或ADSS光纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。OPGW主要由含光纖的纜芯（光單元）和絞合的金屬線組成。按光單元的不同類(lèi)型來(lái)分，可歸納為鋁管型、鋁骨架型和鋼管型等三類(lèi)主要結(jié)構(gòu)。不銹鋼管式的OPGW在結(jié)構(gòu)上與地線相類(lèi)似，比較等閑設(shè)計(jì)成與現(xiàn)有地線相匹配。
1. 不銹鋼管式OPGW光纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
不銹鋼管光單元（以下簡(jiǎn)稱為“鋼管”）式結(jié)構(gòu)的OPGW具有尺寸小，重量輕，與傳統(tǒng)的地線如GJ35、GJ50、GJ80、GJ100、GJ125等尺寸接近（可能略粗），其每公里自重與傳統(tǒng)的地線接近，機(jī)械性能與傳統(tǒng)地線接近，光單元阻水性能優(yōu)異、耐溫性能好等顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
由于光纖相對(duì)于鋼管和纜體長(zhǎng)度具有一定的余長(zhǎng)（如中心管式余長(zhǎng)在5‰以上,層絞式可以做到7‰以上）因此，當(dāng)光纜在幾十年一遇的最?lèi)毫託庀髼l件下（相當(dāng)于承受70%破斷力時(shí)），可以保證光纖不受力在波長(zhǎng)1550nm窗口損耗不增加。 來(lái)源:輸配電設(shè)備網(wǎng)
單層絞線的中心管式結(jié)構(gòu)緊湊，常用于小規(guī)格尺寸地線的更換，如GJ35、GJ50等。由于在（1+6）絞線結(jié)構(gòu)中，用鋼管替代了處于中心的金屬線，鋼管不計(jì)入機(jī)械強(qiáng)度，故要想獲得與地線一樣的抗拉強(qiáng)度，需適當(dāng)增加外徑（一般只增加零點(diǎn)幾毫米）。
鋼管不處于中心位置的多層絞線結(jié)構(gòu)，常用于替代GJ80（及以上）地線?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)金屬截面積中的鋁/鋼比率，權(quán)衡直徑，抗拉強(qiáng)度、載流量等參量，比單層絞絞線中心管式結(jié)構(gòu)有較大的設(shè)計(jì)空間。
當(dāng)鋼管內(nèi)徑和光纖余長(zhǎng)一定，鋼管內(nèi)可容納的最大光纖數(shù)量也就決定了。在鋼管規(guī)格的光纖容量范圍內(nèi)光纖芯數(shù)的增加不影響光纜的外徑。反之，則要增加鋼管數(shù)量或增大管徑，有可能會(huì)增大光纜外徑。
2. 鋼管式OPGW光纜的設(shè)計(jì)
光纖復(fù)合排擠地線的設(shè)計(jì)必須滿意兩個(gè)基本條件：一是滿意光纖通信的要求，二是滿意排擠地線的機(jī)械與電氣性能要求。
2.1 光纖通信設(shè)計(jì)的基本要素
在設(shè)計(jì)OPGW光纜的光纖通信要求時(shí)，需要考慮該光纜中的光纖的數(shù)量、光纖的類(lèi)型以及光纖的應(yīng)用波長(zhǎng)及光性能指標(biāo)。
OPGW常采用G.652類(lèi)光纖，有時(shí)會(huì)采用G.655類(lèi)和G.652類(lèi)光纖混裝。
根據(jù)最新（2003版）GTU-T的光纖建議，G.652類(lèi)光纖己細(xì)分為四個(gè)子類(lèi)，G.655類(lèi)光纖也己細(xì)分為三個(gè)子類(lèi)。應(yīng)根據(jù)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求來(lái)選用。
在設(shè)計(jì)光通信傳輸性能時(shí)，還需要兼顧不銹鋼管中的光纖的余長(zhǎng)以及成纜后的光纖的余長(zhǎng)。光纖的余長(zhǎng)是保證光纜可靠性的關(guān)鍵因素。光纖的余長(zhǎng)需通過(guò)光纜的尺寸、不銹鋼管的尺寸、光纖芯數(shù)與絞合節(jié)距來(lái)綜合考慮。
2.2 排擠地線設(shè)計(jì)的基本要求
OPGW光纜必須滿意地線的機(jī)械與電氣兩個(gè)方面的性能要求。在設(shè)計(jì)地線部分時(shí)主要是選擇合適的鋁包鋼線和鋁合金線及它們的配比。在地線設(shè)計(jì)中需考慮到的主要參量有最大直徑、自重、抗拉強(qiáng)度、直流電阻、最高溫度及短路電流容量。
總之，OPGW的外徑、重量、抗拉強(qiáng)度等機(jī)械特性應(yīng)與另一根地線和桿塔負(fù)荷相匹配，保證OPGW在該安裝區(qū)最不利氣象條件下能夠安全運(yùn)行。
(1) 外直徑
OPGW的外徑與它的所有性能都有密切的關(guān)系。外徑的增大可能意味著重量的增加，而且還會(huì)增加OPWG的風(fēng)荷載和冰荷載，從而引起桿塔負(fù)荷的增加。
OPGW的外直徑是絞合單線標(biāo)稱直徑之和的計(jì)算值。
（2）額定抗拉強(qiáng)度（RTS）
在工程設(shè)計(jì)中，導(dǎo)線的安全系數(shù)σ一般不小于2.5，OPGW和另一根地線的安全系數(shù)σ一般按不小于導(dǎo)線的安全系數(shù)考慮。因此，有（1）式：
額定抗拉強(qiáng)度(RTS) ≥σ×最大運(yùn)行張力（MAT）. （1）
最大運(yùn)行張力（MAT）是在最不利設(shè)計(jì)氣象條件下計(jì)算出來(lái)的負(fù)荷力。以此確保OPGW運(yùn)行時(shí)光纖不受力。
工程設(shè)計(jì)中一般使OPGW和另一根地線的安裝弧垂相當(dāng)，以此得出的抗拉強(qiáng)度和最大運(yùn)行張力的比值要滿意安全系數(shù)的要求。
RTS與所用金屬材料的抗拉強(qiáng)度和截面積有關(guān)，通常：
RTS＝( Aacs.Tacs +Aaa.Taa)×95% （2）
式中:
AaaA,，Aacs ： ： :鋁合金線，鋁包鋼線截面積 ，（mm2）
Taa, Tacs ： 鋁合金線，鋁包鋼線的抗拉強(qiáng)度，（Mpa）
（3） 重量
光纜組成元件，即光單元、單絲及纜膏重量之和。
?。?）最終彈性模量
最終彈性模量（E）的計(jì)算式：
（3）
式中，
En： 每種材料的彈性模量值，（KN/mm2 ）；
An 對(duì)應(yīng)材料的橫截面積（mm2）；
n n種材料。
?。?）線膨脹系數(shù)
線膨脹系數(shù)（β）的計(jì)算式：
(4)
式中，
En 每種材料的模量值，（KN/mm2 ）；
An 對(duì)應(yīng)材料的橫截面積，（mm2 ）；
βn 每種材料的線膨脹系數(shù)值，（1/℃?10-6 ）；
n n種材料。
?。?）短路電流熱容量
由于OPGW使用的特殊性，它不僅需承受與普通光纜同樣的惡劣條件下的環(huán)境溫度，而且在大電流高電壓的感應(yīng)下，會(huì)使OPGW產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使光纖的溫度升高。特別是在出現(xiàn)短路故障或雷擊時(shí)，OPGW的溫度會(huì)急劇上升，溫度的升高對(duì)光纖的傳輸性能是不利的。
額定短時(shí)負(fù)載電流密度 由下式給出
（ 5 ）
其中 （6）式中:
熱容量，[J/kg℃]；
20℃的導(dǎo)電率，[ / ]；
密度，[kg/ ]；
溫度系數(shù)，[1/℃]；
短路開(kāi)始時(shí)的溫度，［℃］；
短路終止時(shí)的溫度，[℃]。
7）直流電阻
OPGW應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定容量。影響熱穩(wěn)定容量的因素有短路電流、OPGW及另一根地線的直流電阻、短路電流持續(xù)時(shí)間等。OPGW中所有導(dǎo)電元件在20℃時(shí)的并聯(lián)電阻應(yīng)盡量與另一根地線接近。如果OPGW直流電阻過(guò)大，會(huì)劣化機(jī)械特性。增大OPGW的截面（特別是鋁合金的截面）能夠提高其熱穩(wěn)定容量。
OPGW直流電阻的計(jì)算：
（7）
式中，
R： 整個(gè)OPGW的線性直流電阻，（Ω/km）；
Rmn： 每種材料的線性直流電阻，（Ω/km）；
n： n種材料。
（8）
式中，
ρm： 材料的電阻系數(shù)（Ωmm2/km）；
Ami： 第i 層中的指定材料的面積(mm2)；
Fi 第i層的絞入率；
i： 絞合層數(shù)。
（8）抗雷擊性能的考慮
在OPGW的抗雷擊方面，應(yīng)考慮增大外層股線的直徑，制造外層股線和內(nèi)層股線之間的空氣間隙，防止熱量從外層股線傳導(dǎo)到內(nèi)層和光纖，加厚外層鋁包鋼的鋁包厚度，以便鋁吸收更多的熱量，保護(hù)內(nèi)部鋁包鋼線和光單元，維持OPGW所需的抗拉強(qiáng)度。在相同的材料下，采用直徑更粗的外層股線是一種很有效的辦法，但應(yīng)顧及到整個(gè)OPGW的外徑符合要求。另外，OPGW的弧垂宜稍小于另一地線，以保證對(duì)導(dǎo)線的安全距離和防雷保護(hù)角要求。
3. OPGW光纜的制造
3.1 不銹鋼光單元的制造
不銹鋼管制造中應(yīng)考慮的主要標(biāo)題題目有光纖的余長(zhǎng)、光纖油膏的填充率和鋼管焊縫的質(zhì)量。
?。?）鋼管中光纖余長(zhǎng)的控制
眾所周知，余長(zhǎng)是所有光纜（包括OPGW）最關(guān)鍵性的標(biāo)題題目，特別對(duì)于中心管式OPGW尤為關(guān)鍵，因?yàn)橛嚅L(zhǎng)的最終值必須在鋼管內(nèi)直接獲得。光纖余長(zhǎng)要盡可能的控制精確并分布在平均值左右。
在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T832-2002中，要求中心管式的OPGW在受到40%RTS時(shí)，光纖無(wú)應(yīng)變，無(wú)附加衰減。這就要求光纖余長(zhǎng)在0.5%左右。要保證光纖的余長(zhǎng)，又要保證光纖的損耗不增加，這就對(duì)一定規(guī)格的鋼管內(nèi)的光纖數(shù)量提出了限制。所以在設(shè)計(jì)光纜結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮到生產(chǎn)制造時(shí)的可能性和可行性。
（2）鋼管中油膏的填充率
油膏填充率直接牽涉到光單元的阻水性能，還會(huì)對(duì)始終帶有一定弧垂（包括安裝和運(yùn)行）的OPGW在高溫、低溫、微風(fēng)振動(dòng)和舞動(dòng)時(shí)纜內(nèi)的光纖的性能造成影響。對(duì)光纖油膏在鋼管中的填充率有一定的要求。偏低的填充率（如70%左右）雖然能通過(guò)阻水試驗(yàn)，但對(duì)光纖的長(zhǎng)期保護(hù)功能欠佳。
針對(duì)光纖油膏的填充率，我們不但做了光單元的滲水試驗(yàn)。試驗(yàn)要求從成品OPGW端部取一段1m長(zhǎng)的光單元試樣，水溶液對(duì)試樣中心形成1m高的水頭，試驗(yàn)結(jié)果一小時(shí)后無(wú)水滲出。同時(shí)我們對(duì)油膏填充率的試驗(yàn)計(jì)算方法進(jìn)行了研究并用于生產(chǎn)實(shí)踐（另文介紹）。
大量的試驗(yàn)證明，我們生產(chǎn)的光單元不但確保阻水性能，其油膏填充率目前是最高的。
?。?）焊縫的質(zhì)量控制
科學(xué)常識(shí)告訴我們：任何工藝都不能保證100%，俗稱的“絕對(duì)” 是不存在的。鋼管焊接時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生一些虛焊點(diǎn)，只是“多”或“少”而己。如果鋼管未經(jīng)過(guò)冷拔，等于焊縫的質(zhì)量未經(jīng)過(guò)連續(xù)檢驗(yàn)，所以在絞纜時(shí)這些虛焊點(diǎn)的焊縫等閑開(kāi)裂。由于絞纜速度較快，而且鋼管一般處于內(nèi)層，不等閑發(fā)現(xiàn)也無(wú)法在成纜時(shí)或成纜后再檢查鋼管質(zhì)量。很等閑將焊縫不合格的鋼管應(yīng)用到生產(chǎn)和工程中去。
我們?cè)阡摴苌a(chǎn)過(guò)程中對(duì)其連續(xù)進(jìn)行拉撥（在彈性范圍之內(nèi)），因此，焊接的質(zhì)量等于連續(xù)經(jīng)受了拉撥檢驗(yàn)，如果有漏焊虛焊（那怕肉眼不可見(jiàn)的缺陷）經(jīng)拉撥后，缺陷會(huì)當(dāng)即變大，渦流探傷儀會(huì)自動(dòng)當(dāng)即記錄缺陷所在點(diǎn)位置。這種方法避免了有缺陷隱患的OPGW光纜的成品出廠。
3.2 OPGW光纜的絞制
OPGW外層絞向一般為右向。對(duì)于采用兩種不同金屬絞合的OPGW，為了有效減少不同金屬間電化腐蝕的危險(xiǎn)性，OPGW的絞線層間可以涂覆防腐油膏。
絞合節(jié)距與OPGW的拉伸性能相關(guān)，鋼管不處于中心的多層絞OPGW結(jié)構(gòu)通過(guò)絞合獲得額外的絞合余長(zhǎng)。
絞合余長(zhǎng)的大小與絞合節(jié)距P的平方成反比，即P值越小，余長(zhǎng)越大，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，P值取值一般在絞層直徑的10—14倍，實(shí)際上內(nèi)行的廠家都知道，P值小于12，工藝難度很大，鋼管很等閑被扭壞，接近14時(shí)，余長(zhǎng)又太小。因此，通常情況在12—12.5倍的絞層直徑較為合適，在此范圍內(nèi)，中心管或?qū)咏g式的OPGW，光纖余長(zhǎng)一般都能得到保證。因此，一根品質(zhì)優(yōu)良的OPGW光纜首先是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其次是好的材料和高性能的進(jìn)步前輩設(shè)備來(lái)保證，工藝應(yīng)當(dāng)根據(jù)理論指導(dǎo)來(lái)決定：
?。?） 余長(zhǎng)計(jì)算來(lái)控制節(jié)距范圍；
（2） 放線張力，使各種線材料在受力狀態(tài)下應(yīng)變同步；
（3） 調(diào)整三種線材（鋁包鋼線、鋁合金鋁線、不銹鋼管）的預(yù)變形量。
4. 結(jié)束語(yǔ)
?。?） 鋼管式OPGW的設(shè)計(jì)技術(shù)包括光纜（傳輸性能）和排擠地線（機(jī)械、電氣性能）兩大部分。
?。?） 鋼管式OPGW的主要生產(chǎn)技術(shù)包括不銹鋼管光單元和絞線兩大部份。
?。?） 長(zhǎng)光通訊在多年的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)為國(guó)內(nèi)大量的工程提供了數(shù)千公里的OPGW光纜，并成功運(yùn)行。在各地反映情況良好，受到了廣大用戶的歡迎。
參考文獻(xiàn)
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