光纖復合架空相線在中低壓架空輸電線路中應用

王春江

(上海電纜研究所，上海200093)

1 光通信在電力系統中應用的概況

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、外徑小等優點，在上世紀70年代中期起逐漸代替了以銅導體為線芯的傳統通信電纜。光通信在傳統的公用通信網絡中廣泛應用的同時，也逐漸開始應用于電力系統專用通信網絡中。在早期的電力系統專用通信網絡中，大多采用同桿架設的普通型架空光纜。由于國外尤其日本開發了一種將光纖和架空地線組合成一體的新型光纖復合架空地線(OPGW)，既可作為地線，又可作為光纖通信，具有雙重的功能，節省了很多原材料，又避免了因同桿架設架空光纜而重復一次施工，降低了投資成本，具有良好的技術和經濟效益。因此，我國電力部門在上世紀70年底開始先后引進了多根國外的OPGW產品并建立多條輸電線路，上海電纜研究所也立項進行了研究。我國上世紀90年代初進一步改革開放，大量引進了國外先進制造技術和設備，或吸收外資共同研發，使我國OPGW生產技術和產品質量有了突飛猛進。目前可以說，我國OPGW產品品種、規格和性能已接近或達到國外先進水平，并在我國架空輸電線路中獲得廣泛應用。

盡管OPGW獲得廣泛應用，但不能完全替代架空光纜。在某些特定條件還需要下列產品，例如架空輸電線路施工規程的規定:110 kV及以上高壓架空線路在全長的架空線上必須架設地線，進行全長的防雷保護，這稱為全線保護;35 kV及以下中低壓架空輸電線路只需在進入變電所(站)之前部分長度上架設地線，進行局部保護，這稱為進線保護。因為瞬時的雷電壓或短路過電壓產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，在一個短段距離內會逐漸衰減，不危及變電所(站)內設備和人身安全，所以只需要局部的進線保護，反之，110 kV及以上高壓線路必須全線保護?？傊琌PGW通常應用于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，通過多年實踐發現普通型架空光纜用于電力系統同桿架設存在兩大問題:(1)普通架空光纜含有金屬材料，即受力構件采用高強度鋼絞線，護套鎧裝層采用輕型鋼帶或薄層皺紋鋼管，或采用鋁塑綜合護層。因此，在外磁場作用下，尤其是當架空輸電線路遭雷擊或發生短路故障時，瞬時的雷電流和短路過電流產生的強磁場將在含金屬的架空光纜中產生很高的感應電壓，危及人身安全，損壞相關的光/電設備，這是不允許的。(2)由于架空光纜和架空輸電線同桿架設，當線路發生電暈時將損傷電纜塑料護套，使護套表面發生電腐蝕，影響了使用壽命。因此，電力系統用的架空光纜應采用一種稱為全介質自承式光纜(ADSS)。它是以非金屬材料芳綸作為光纜的受力構件，特種耐電腐蝕黑色聚乙烯作為護套材料。這種新型的產品代替原來的普通型架空光纜。

科學技術進步是發展生產力的原動力，這是千真萬確的。在上述技術進步的同時，歐美各國科技人員從開發OPGW得到啟示，提出一種把光纖與架空相(導)線組合在一起，制造成光纖復合架空相線(Opticalphase Conductor，簡稱 OPPC)代替 ADSS。這樣既可省去了ADSS購置費用，又可省去一次施工費用，并可提高產品使用性能和使用壽命，具有很高的社會效益和經濟效益。這就是本文論述的主題，下面將對OPCC設計制造若干問題、技術優點、經濟效益分析和應用時注意的事項等問題進行詳細論述。

2 OPPC設計和制造若干問題的討論

2.1 OPPC的結構設計

圖1為光纖復合架空相線(OPPC)的設計理念。從圖中可知，它的設計理念是將傳統的架空導線中心的受力構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成中心加強芯，外層再絞合兩層絞向相反的鋁(或鋁合金)線，構成導電基體，實現輸電和通信的雙重功能。如果將其與OPGW比較的話，兩者共同點都是絞合了一個光單元;不同的是前者絞合于架空導線中，具有導線和通信雙重功能，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備沒有大的區別，凡能創造OPGW的企業均可生產OPPC。

圖1 OPPC結構設計的理念

2.2 OPPC的光單元

OPPC光單元設計包含材料選擇和結構設計兩個方面。這問題提出使筆者聯想到上海電纜研究所承擔的“全國產光纖復合架空地線(OPGW)”新產品的研究過程，認為有必要將筆者在這研究過程中設計思路作一簡略介紹，這對于電線電纜產品研發或許有所參考或啟示。

上世紀80年代初，我國剛處于改革開放的初期，國內外匯儲備不很充足，更主要是受到一種片面強調立足國內，自力更生、獨立自主技術路線的影響。因此，要求我們必須全部采用或開發國產原材料及制造設備，研制全國產化的科技產品，這是可以理解的，但現在看來是值得研究和討論。

通常，每一項研究項目提出和確立其首要工作是查閱和分析國內外相關文獻和專利，并對國內的現狀進行調研，編寫產品研究的可行性報告，提出技術和經濟合理、符合我國國情的技術路線和技術方案。通過查閱和分析國外文獻后，認為當時日本在研究和生產OPGW領域中，無論產品性能、產品制造和應用技術均處于較領先地位。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度光纖。當時我國僅有少數幾家光纖制造廠引進了國外光纖生產流水線，并且剛起步生產常規的光纖產品。因此，要在短期內研制出耐高溫、高強度光纖是不可能的。這就成為本課題實施的最大障礙，有人斷言采用國產光纖研制OPGW是不可能實現的。我們帶著這兩大問題進行深入調研和分析。

通過對全國主要的各大地區電力設計研究院調研，使我們對我國架空輸電線的現狀有了深入了解。架空輸電線的使用溫度有以下幾方面考慮:(1)環境溫度;(2)運行時導線長期工作溫度;(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計主要參照原蘇聯設計規范(與歐美系統是一致的)，導線運行溫度規定為不大于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，工業發達，主要能源是電力，所以架空輸電線路密布全國，并且絕大多數采用耐高溫、高強度鋁合金導線，進行高電壓、大電流、大容量輸電，導線的長期工作溫度允許達到150℃。因此，選用耐高溫光纖或許有一定的原因，但對我國運行溫度為70℃架空輸電線而言不一定采用。

關于高強度光纖的選用，應該說，因架線施工及運行條件，架空地線中光纖受力情況確實高于埋地、隧道和管道敷設的通信光纜。例如大長度的架空導(地)線是在放線張力保持一定的條件下，通過機械絞盤機的拉力，并經數個導滑輪架設在桿塔上，因此需要承受一定的張力。一旦架線完畢后，架空導地線懸掛在較大跨度的兩個桿塔之間處于張力狀態，并要長期經受風吹雨淋等外力作用，尤其一旦發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。當我們正為這問題反復思考和舉棋不定時，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行技術交流，筆者借機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，當時生產的常規光纖完全可承受70℃工作溫度，以及瞬時雷電流和短路電流引起的溫升。其次，只要采用適當的絞合結構提供適當余長，即使架空地線受力時，光纖基本上不受力，所以不必采用高強光纖。經大量試驗和應用，已驗證了這個論點是正確和可行的。根據這啟示，在上世紀80年中期，我所采用國產的常規光纖，選用適當的絞合結構及制造工藝，使光纖具有適當余長，成功研制了第一根全國產的OPGW，并架設于寶雞某110 kV架空線路，進行試運行。

由上述分析可知，用于35 kV及以下光纖復合架空導線(OPPC)光單元中光纖同樣可根據其使用條件和環境，適當選用符合要求的普通型光纖。但在光纖絞合結構設計及光單元制造工藝中應使光纖有適當的余長。

另外，上述也很好地說明，在查閱國外技術資料和文獻時，必須認真分析研究，根據我國實際情況，吸收正確的技術觀點，選擇正確、經濟和合理的技術方案和技術路線，這是至關重要的。

2.3 OPPC的金具和附件

電線電纜產品必須與相應的金具和附件配套后才能應用于線路工程，因此在研究線纜產品的同時，也必須對配套的金具和附件進行研究，否則即使有了新型的線纜產品也無法應用于實際的工程中。例如，早在上世紀80年代初，歐美國家就提出了光纖復合架空相線(OPPC)的設計理念。但是，OPPC的應用必須解決接頭附件“光電分離”的關鍵技術，限于傳統的瓷瓶絕緣子的技術，阻礙了新型的光電分離接頭盒的開發。直到21世紀初，復合絕緣子接頭盒研發成功后，才大大促進了OPPC在歐美各國廣泛應用?？上驳氖?，由于我國實行進一步改革開放政策，自2006年以來，我國線纜制造商能及時吸收引進這種國外先進技術，研發出國產的OPPC產品及配套的金具和附件(復合絕緣子接頭盒)，開始在35 kV及以下中低壓架空輸電線路中應用，并取得了一定的運行經驗。

3 OPPC技術優點及經濟效益的分析

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

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

(2)與普通架空光纜或ADSS相比，OPPC為全金屬結構，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，運行時具有較高的電壓，防盜優勢明顯，預留備用的OPPC及接頭盒等附件被盜現象將減少。

(4)普通架空光纜或ADSS通常采用與輸電線同桿架設，這將給桿塔增加額外的機械載荷，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傳統設計，并未考慮事后要增設ADSS等光纜，而當ADSS同桿架設既要考慮其與導線之間保持一定的安全距離，又要考慮ADSS對地的安全距離，給設計帶來了困難，使用OPPC后這些問題可迎刃而解。

(6)采用OPPC后，既可省去了ADSS等光纜的購置費用，又可省去了一次同桿架設的施工費用，具有顯著的經濟效益。例如，某電力設計部門曾對某工程10 kV單回路輸電線路設計采用以下三種技術方案:方案1，采用 LGJ-70導線，同桿架設 ADSS-12B1;方案2，采用OPPC-12B1-70;方案3，采用LGJ-70導線，同桿架設普通型光纜GYTA-12B1，然后對這三種技術方案進行了比較(見表1)。

表1 三種技術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用最低，是一種最佳的選擇方案。

4 應用中需要注意的若干問題

(1)OPPC作為三相傳輸系統中的一相，須與相鄰相(導)線張力弧垂特性保持一致，直徑、重量、截面積和機械特性等參數應盡量與相鄰相線的參數相符;與此同時，OPPC的直流電阻也應與相鄰相線相近，以避免遠端電壓變化，從而能保持三相平衡。因此，OPPC的各種參數要接近另兩相導線，這是OPPC的技術關鍵。

(2)OPPC光單元中光纖應有一定的余長，以保證架設和運行中光纖均不受到拉應力的作用。對OPPC來說，施工中存在放線、過滑輪、緊線等造成的結構伸長，運行過程中溫度升高產生的熱膨脹伸長，以及塑性變形產生的蠕變伸長，所以對光纖余長的要求很嚴格。此外，光單元應具有良好的機械保護，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作為三相導線中一相，需傳導三相系統中恒定的工作電流，具有一定的持續溫度，所以OPPC必須具有良好的熱穩定性，保證光通信不受影響。

(4)OPPC接頭盒需要組合設計復合絕緣子，實現光纖接續和光電分離。OPPC接續是整個工程中最為重要的部分。OPPC接續涉及到光纖接續和光電分離技術，對接續的技術和高壓絕緣都有嚴格的要求，一般由專業的光纖接續人員進行操作。

5 結束語

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

［1］張逸群，金會軍，張金光.OPPC光纖復合相線的應用與探討［J］.電氣技術，2009(9):80-82.

［2］陳 希，戚力彥，劉漢新，等.OPPC在電網中的應用研究和實驗技術［J］.電力系統通信，2009(7):5-8.

［3］張新林.關于OPPC應用的探討［J］.電力系統通信，2004(8):46-48.