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光纤复合架空地线光缆在大跨越工程中的设计及应用

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2020年4月19日
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光纤复合架空地线光缆在大跨越工程中的设计及应用
谢书鸿 ，路　浩
中天日立光缆有限公司,上海 226463
摘要：文章经过大跨越线路的典型特点对光纤复合架空地线光缆(以下简称OPGW)的技术要求，说明OPGW在设计、运用中需要注意的问题。并经过实际的运行案例对OPGW光缆的设计思路、应用环境及试验论证作了深入的阐述。经过深入论证证明OPGW在大跨越工程中是完全能够使用的，但尚需要积累运行经验。
关键词：OPGW光缆;大跨越;拉重比;光缆试验
　　光纤复合架空地线光缆（OPGW）已经在国内各种电压等级的输电线路上得到应用，其优越的复合性能、可靠性、经济性、长寿命都得到了认可。当前，OPGW光缆在一般线路中使用，完全能够做到质量优良，但输电线路工程中免不了跨江、跨河、跨山等，OPGW是否适合大跨越工程呢，需要注意哪些技术要求呢？中天日立光缆有限公司积累了多个OPGW大跨越工程的应用经验，希望这 些设计和应用经验能够供广大同行借鉴。

1　大跨越工程对OPGW光缆的要求

　　大跨越工程，顾名思义，它需要跨越大的档距，往往是跨越大的河流、湖泊、高山、峡谷或海岛等，因此耐张段较长，而且导地线悬挂点很高，特别是两个跨越塔一般都较高，但又要求导地线的弧垂比较小。大跨越导地线工作环境较差，跨越处风速都较高，因此导地线都受到较大的额外风荷载。大跨越工程的这些特点对所使用的OPGW光缆提出了许多严格的要求：
　　(1) 要求OPGW有足够大的抗拉强度，更重要的是它必须有良好的拉力重量比，一般要求在13～15之间，取14较合适。拉力重量比(简称拉重比)表示单位质量所承受的张力，单位为千米，它能够简单地理解为弧垂的倒数，拉重比越大，弧垂越小。拉重比(km)＝拉力(N)/单位质量(kg/km) 
　　(2) 大跨越线路一般离变电站较远，处于短路电流分布较小区域，因此其截面不太受热稳定控制，理论上为了增大抗拉强度能够增大OPGW直径。但增大直径就增加质量导致拉重比下降，因此希望采用小直径大抗拉强度的OPGW。较小的外径及质量对于降低光缆荷 载、减轻铁塔的负荷来说是非常重要的。
　　(3) 微风振动是造成架空线疲劳断股的主要原因，特别在跨河、湖泊等水面的大跨越中，可能会出现最大的理论振动指标。在这种线路条件下，要求OPGW光缆有良好的自阻尼性能，同 时应配合有效的防振措施。
　　(4) 要求OPGW光缆有优良的电气性能和良好的抗腐蚀性，延长OPGW光缆的寿命，考虑大抗拉强度，OPGW光缆主要应采用全铝包钢线。早期大跨越导线曾采用镀锌钢绞线，但它的电气性能差、抗腐 蚀性不良而被淘汰，以后已逐步采用铝包钢绞线、高强度钢芯铝合金绞线作大跨越导线，且质量逐步提高。
　　(5) 要求OPGW光缆有足够的光纤余长。光纤余长是光缆承受荷载能力和光缆寿命的决定因素之一，当光缆承受较大的机械荷载时，光纤应保证不受力，也就不会增加衰耗。由于大跨越OPGW光缆主要由铝包钢线组成，在正常运行时光缆延伸率和覆冰、风荷载时的延伸率都小于一般线路在同样条件下的延伸率，因此从理论上说大跨越OPGW光缆对光纤余长要求要小一点。

2　大跨越工程OPGW光缆应用实例
　　中天日立光缆有限公司积极参与国内重难点OPGW工程建设，经过在上海长兴岛至横沙岛1 519 m长江大跨越工程、1 533 m广西浔江大跨越工程中与建设单位、设计院、北京帕尔普线路器材有限公司及试验单位的密切配合，积累了一些大跨越工程OPGW光缆的设计和应用解决方案。
2.1　1 519 m上海长江大跨越OPGW光缆
　　上海长兴岛至横沙岛1 519 m长江大跨越工程，跨越主塔塔高159 m，跨越档跨距1 519 m，最大风速36 m/s,最大覆冰10 mm。为了满足大跨越的强度需求，铁塔塔头做了特殊的加强设计。根据设计要求，中天日立的OPGW光缆的结构设计采用了三层结构的全铝包钢线绞合。1 519 m上海长江大跨越示意图和OPGW光缆结构图见图1，招标要求OPGW技术规范和实际使用OPGW的技术参数见表1。

图1　1 519 m上海长江大跨越图例

表1　长江大跨越OPGW技术指标
项　　目
招标技术规范
OPGW光缆
光纤芯数（G652）芯
24
24
外径/mm
19.3
18.85
单位质量/kg·km-1
1 3901
384
承载面积AA/AS/mm2
206
0/206
额定抗张强度RTS/kN
245
253.4
拉重比/km

18.7
最大使用张力/kN
98
113(40%RTS)
平均运行张力/kN
15%～20%RTS
18%RTS
20℃时直流电阻/俜km-1
0.43
0.421
短路电流热容量（40℃，0.5 s）
200
228.0
允许环境温度/℃
-30～+70
-40～+80
　　根据大跨越线路的特点和该线路的地形条件和气象条件，考虑线路光缆年平均运行张力、直径、质量及风速，经过与防振锤厂家联合设计，决定采用防振锤进行单一防振来达到预期 的预防微风振动的效果，见图2。该工程最后采用的防振方案见表2。

图2　防振锤布置图

表2　长江口大跨越防振方案　
位置/m
A
4D-40
B
4D-40
C
4D-40
D
4D-40
E
4D-30
F
4D-30
G
4D-30
357 m档
0.90
1.10
0.90

1 519 m档
0.90
1.10
0.70
2.50
0.80
0.90
1.00
537 m档
0.90
1.10
0.90
0.90

　　OPGW光缆交货后，由用户和施工单位截取试样送至国电电力建设研究所进行微风振动疲劳实验，在25％标称破断张力、振动角28′～30′、振动频率47.3～48.3 Hz、振动次数3×107的条件下试验，结果显示：光纤附加衰减小于0.16 dB/km，悬垂线夹内及悬垂线夹出口附近OPGW光缆铝包钢丝均未出现疲劳断裂。OPGW光缆在架设后与另一根地线张力弧垂特性匹配良好，用户和施工单位又邀请研究人员进 行现场测振，证明防振设计效果良好。
2.2　1 533 m广西浔江大跨越OPGW光缆
　　广西梧州500 kV变电站至平浪220 kV线路浔江大跨越工程由广西电力勘查设计院设计。该大跨越段跨越方式为N-Z-Z-N，跨越浔江水面，三档档距分别为402、1 533 m和421 m，跨河耐张段全长2 356 m。直线跨越主塔塔高97.5 m，最大风速30 m/s。
　　为了减轻铁塔荷载，该光缆设计时使用全铝包钢结构OPGW光缆，采用了相对较小的外径（16.5 mm），截面积为150.6 mm2，光缆强度达200 kN。
　　经过与北京PLP公司和澳大利亚达亨公司联合设计，该跨越档采用4D系列防振锤能够达到预期防振效果，其防振方案见表3。
表3　广西浔江大跨越防振方案　
位置/m
A
4D-30
B
C
4D-20
D
4D-20
E
4D-20
F
4D-20
G
4D-20
H
4D-20
4D-20
4D-30
421 m档一侧
0.72
1.3

421 m档另一侧
0.8
1.35

402 m档一侧
0.72
1.3

402 m档另一侧
0.8
1.35

1 519 m档一侧
1.4

2.2
3.2
4.9
5.7
6.3
8
8.9
1 519 m档另一侧
1.3

2.35
3.3
4.85
5.6
6.4
8.1
9.2
　　该型光缆经过了国电电力建设研究所进行的防振性能评估研究。报告显示，光缆本身具有良好的自阻尼特性，在采用了金具供应商提供的防振措施后，光缆在悬垂线夹出口处及防振锤出口处的振动明显降低，远低于安全指标的要求范围。

3　大跨越工程OPGW光缆金具配置
3.1　耐张线夹
　　大跨越工程用OPGW一般都要求强度很大，为了保证大跨越的特殊力学性能，同时又保证对光缆的保护，根据PLP公司的经验，强度≤120 kN时，能够采用预绞丝耐张线夹；若强度≥120kN，推荐使用U型螺栓可调式单层预绞丝耐张线夹(U-Bolt)。此种耐张线夹具有PLP独特的结构设计，一方面线夹握力可设计高达300 kN，一方面又应用了预绞丝分散应力的特点，对OPGW的核心光单元具有良好的保护。
3.2　悬垂线夹
　　对于大跨越线路来说，悬垂线夹必须具备如下特点：①由于架线张力大，必须使用握力大的悬垂线夹；②因为悬挂点高差大，必须使用悬垂角大的悬垂线夹。因此大跨越档使用悬垂线夹时，尽量使用双支点悬垂线夹。
3.3　防振措施
　　由于大跨越档距大、悬点高、跨越面开阔，要求消振耗能容量大，对防振措施需特别重视，因此要求消振系统顾及全部风频，控制 各节点处(线夹出口、防振装置)动应变均在±100 μζ微应变内。
　　OPGW光缆供应商应和设计院、防振锤供应商密切配合，根据阻抗匹配和风速(振动频率)的要求确定防振锤的型号，按照防振锤的吸收动力和风动力的平衡来决定防振锤的数量。中国原来比较借鉴日本大跨越的防振措施，采用防振锤和阻尼线联合防振方式。但欧美比较偏向于采用单纯防振锤防振方式，不论怎样，必须在悬垂线夹、防振锤和阻尼线与OPGW光缆握着处安装预绞丝护线条以保护OPGW光缆。

4　大跨越工程OPGW光缆试验

　　 即使经过上述这些理论计算，但考虑大跨越的重要性，依然能够在供需双方配合下进行以下试验来验证OPGW的耐疲劳振动性能和光纤在典型微风振动下的光学特性。
　　(1) 耐张线夹握力试验。耐张线夹握力必须达到95％UTS而不产生滑移。
　　(2) 悬垂线夹垂直荷载试验和不平衡张力试验。参见电力行业标准DL/T 766- 《OPGW用预绞式金具技术条件和试验方法》。
　　(3) OPGW光缆自阻尼特性试验。测定振动输入P，OPGW光缆波腹振幅A、波长λ、阻尼系数，线夹出口处弯曲应变，离线夹出口89 mm处振幅。经过测得的输入功率、波腹振幅、频率，能够得到OPGW光缆单位长度消耗功率和比振幅，经过换算，分析计算得到试验曲线方程。试验曲线方程与风功率曲线方程联合解即为平衡点，由平衡点估算出OPGW光缆的振动强度。这些计算过程都是经过计算机程序完成的。在振动台上试验测量防振锤的自振频率fi和阻尼系数ξi振动特性。由OPGW光缆自阻尼特性和防振锤自振特性试验，得到(估算)OPGW光缆的振动强度、波腹振幅、波长、频率、阻尼系数、线夹出口处弯曲应变等，提出OPGW光缆防振方案，确定防振锤型号、数量、安装距离、安装位置等。
　　(4) OPGW光缆防振方案消振性能试验。在试验OPGW光缆上安装好悬垂线夹、防振锤、传感器，试验频率在15～75 Hz内，可能产生5～6个共振频率。在共振状态下测量下列参数：①线夹出口处弯曲应变值εc，防振锤连接点处弯曲应变值εd；②测量离线夹出口89 mm处OPGW光缆弯曲振幅A89，提供A89曲线；③波长、波腹振幅值、阻尼系数；④离线夹出口700 mm处OPGW光缆绝对振幅A700。对试验结果进行分析，对防振方案进行修改、调整，再次进行实验和测量，不断进行优化，最后提出最佳防振方案。
　　(5) 现场实型观测。将OPGW架设在大跨越档上后，在现场自然环境中观测以上参数值。对上述振动弯曲应变波形、振幅波形在动态分析系统上进行波形时域分析和频域分析、功率谱分析、功率密度谱分析、概率分析。求出振动最大值(峰值)、均方根值，与风速、频率之间的关系，所有这些数据采集、分析在计算机上自动完成。根据测试分析结果，对原防振方案进 行修改、调整，直到将振动控制在无危险的范围内。

5　结束语
　　 纵观以上分析，国产OPGW光缆在大跨越线路工程中使用是完全可行的。可是，国内大跨越线路使用OPGW光缆运行经验还是较少，因此从设计、制造、架线、安装、防振措施等都需要不断总结经验和建立质量管理体系，最主要应做好产品试验验证工作。

收稿日期： -05-31
作者简介：谢书鸿（1970-），男，硕士，从事多年电力架空输电线和电力特种光缆的技术开发和应用研究，参与多项国家重点项目研究和应用工作；金海峰（1978-），男，工程师，从事电力特种光缆OPGW光缆技术支持工作。