光纖復合導線在輸電線路施工關鍵技術的研究與應用

光纖復合導線在輸電線路施工關鍵技術的研究與應用

國家電網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高壓輸電線光纖復合導線（OPPC）進行施工研究及應用，研發了具有自主知識產權的光纖復合導線、接頭盒及相關金具。解決了大長度、大截面光纖復合導線制造、運輸、施工等難題，實現了光纖復合導線在110kV與220kV輸電線路掛網應用。

光纖復合導線；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點，被廣泛應用于電力系統通信中，在要求越來越高的電力系統通信中發揮著重要的作用[1,2]。光纖復合導線（Optical phase conductor，以下簡稱OPPC）是在傳統的導線結構中嵌入光纖單元的一種新型特種電力特種光纜。二十世紀80年代，在歐美國家首先出現OPPC的設計理念，目前OPPC技術在國外已經應用多年，但是將OPPC與光纖測溫技術融合在一起并投入實際運行的技術至今未見到報道[3]。90年代初，國內就已經對OPPC的應用進行了關注和研究，并在10kV、35kV中壓線路上得到應用[4,5]。本文是我國首次進行高壓輸電線路光纖復合導線、接頭盒及金具的研發及應用，將先進的光纖通信、傳感技術與輸電技術進行高度融合和集成，研發由光纖、傳感器、輸電導線組成的光纖復合導線，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，為智能電網的信息化、智能化、互動化提高通道和技術支撐。

1 光纖復合導線的結構及特點

1.1 光纖復合導線結構

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

1.2 光纖復合導線特點

圖1 光纖復合導線結構示意圖

目前普遍采用的電力特種光纜主要有光纖復合架空地線OPGW和全介質自承式光纜ADSS[7]，OPPC擴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問題，具有如下技術特點:

1.2.1 OPPC技術是OPGW、ADSS技術的應用延伸和有益補充。

我國目前在110kV～500kV線路主干網廣泛采用OPGW、ADSS進行通信，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光纜的補充產品，可以實現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，由雷擊導致的斷股是OGPW光纜應用中的主要問題[8]，雷擊導致OPGW光纜的斷股，嚴重時內部光纖也會受到損害，這不但影響輸電線路的可靠運行，甚至可能導致通信的中斷。全國發生了幾十起OPGW遭雷擊斷芯斷股事故，2008年-2009年華北電網更換500kV萬順線與房保線的雷擊斷芯斷股部分OPGW光纜，共花費工時等資金約400萬元。

圖2 預絞式T型接續條

圖3 并聯引流楔型線夾應用

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，產生環流能量損耗問題，電壓等級越高，損耗越嚴重。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]。采用光纖復合導線，輸電線路避雷線仍按原架空地線采用分段和開環等方法接地，可以減小避雷線上的電流，進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光纜應用中的主要障礙是電腐蝕現象[10]。處于強電場中的ADSS光纜與導線和大地之間的電容耦合，會在光纜表面產生一定的空間電位。空間電位導致接地漏電流并在光纜表面形成干燥帶，當干燥帶兩端的電位足夠高時就產生了放電，形成了干帶電弧。電弧產生的熱量會使光纜外護套松弛融化直至脫落，進而腐蝕芳綸紗，最后導致光纜的斷裂。OPPC光纖與導線處于同一電位，不存在電腐蝕問題。

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

1.2.6 具有良好的熱穩定性，保證光通信不受影響。

輸電導線設計長期使用溫度為70℃，短期為90℃。而光纖長期使用溫度可為100℃，光纖油膏、纜膏的滴點均大于200℃，鋁包鋼線、鋁線的120℃高溫熱穩定性也很好，因此，傳輸電能和光纖通信均不受影響。

1.2.7 因OPPC導線與接頭盒上均有高電壓,有絕對的防盜優勢。

1.2.8 因OPPC導線架設在導線高度，可解決ADSS因掛點低經常受外力損壞問題。

2 施工關鍵技術研究

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

2.1 金具研制

光纖復合導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構：預絞式結構和新型并聯引流線夾。預絞式結構金具解決了傳統防振錘易滑移、耗能、頻響特性差等問題；本課題還新研制了預絞式T型接續條，提供用于光纖復合相線與其他線纜T型接續的一種接續線夾，它是由兩組螺旋狀L型預絞絲組成，兩組預絞絲主盤段用于盤繞于光纖復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。然后使用第三組直線型預絞絲，盤繞在光纖復合相線外表面，并與前兩組預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合相線進行了T接，從提高了施工效率和速度，降低了施工費用且免維護。這個T型接續線夾形成實用新型專利一個，ZL201020046768.X《用于光纖復合相線的T型接續線夾》如圖2所示。研制了新型并聯引流楔型線夾，由于OPPC接頭盒連接跳線比較短，使用預絞式金具結構握力達不到要求，新型并聯引流楔型線夾能夠達到通流能力強、握緊力強，而又不傷害導線功能，解決了在短距離內不能使用預絞式金具的問題，如圖3所示。

2.2 光纖復合導線施工關鍵技術研究

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

2.2.1 光纖復合導線需要在耐張塔上進行接續，220kV白鹿線在設計初期并未考慮應用光纖復合導線，耐張檔距很大，出現了復合導線（400mm2導線）最大單軸導線長達5.8km，導線直徑28mm，最大盤徑2.5m，最大寬度1.6m，重量8.5噸，這給施工、運輸帶來很大困難。

2.2.2 由于光纖復合導線內含光纖，所選張力機輪徑必須滿足導線最小彎曲半徑要求，同時滿足放線過程中導線最大張力要求。在放線過程中，為防止牽引繩扭轉損傷光纖，OPPC與牽引繩采用網套聯接器方式連接，依次為牽引繩、旋轉連接器、鋼絲繩套、旋轉連接器、網套連接器、OPPC導線，有效釋放了牽引繩的扭力。

2.2.3 弧垂控制。由于光纖復合導線是按區段長度配置，目前中間無法接續，耐張線夾和懸垂線夾均是預絞絲型式，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，如弧垂負誤差超出要求，而導線已經斷線完畢，則可能造成整根導線或一個耐張段導線作廢，因此應嚴格控制。

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

2.2.5 高空光纖熔接。光纖復合導線光纖接頭位置在跳線串正下方。因尾線長度較短，無法實現地面熔接操作，所以必須設置高空熔接平臺，如圖5所示。即利用桿塔橫擔為支撐，在其上鋪設專用木板，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平臺上，熔接人員站在導線橫擔里進行操作。熔接完成后，將合成絕緣子提升至掛點處連接好，最后再將兩邊跳串線夾恢復連接。該方法與吊籃相比，安全可靠，能保證熔接工作穩定，且可容納3-4人同時相互配合作業，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合導線的110kV虹窩線、220kV白鹿線在華北電網順利投產運行。按照國際標準并通過OTDR對通信光纖進行雙向測試，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。該光纖復合導線為深圳特發信息公司生產，光傳輸通道為供電公司營銷、生產、財務、調度電話、自動化、MIS與公司本部ECM、EAM,ERP等重要業務提供了高可靠通道，線路投運后運行安全穩定，測溫、監控及通信各項指標均達到設計指標，完全可以滿足電力系統運行要求。

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

測溫OPPC光纜的制造工藝與普通OPPC制造工藝基本一致，不同點在于在OPPC的不銹鋼管光單元中要加入特殊的經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，兩種光纖的應力變化差要求處理一致。對光纖復合導線來說，由于存在放線、過滑輪、緊線造成的結構伸長及運行過程中的溫度升高產生的膨脹伸長及塑性變形產生的蠕變伸長，因此對光纖余長控制工藝要求非常嚴格，余長的控制要絕對保證以光纖光柵的余長來取值，設計的光纖復合導線光纖余長達到0.5～0.7%，以保證在70%額定拉力強度（RTS）時光纖不受力。經過試驗驗證，OPPC在40%RTS和60%RTS下均保持了良好的拉伸特性。線路實際運行拉力為16-25%RTS，極限拉力40%RTS。在輸電線路覆冰狀態下，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 進一步研發內容

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

4 結論

本文是我國首次進行高壓輸電線路光纖復合導線施工應用，將先進的光纖通信、傳感技術與輸電技術進行高度融合和集成，研發由光纖、傳感器、輸電導線組成的光纖復合導線，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復合導線光纖的T接分光信號接入問題，實現了全線信息接入，為線路智能化管理奠定了基礎。首次利用光纖光柵傳感器測溫實現了OPPC光纜實時溫度在線監測功能，為輸電線路狀態監測、動態增容提供了新的技術手段。解決了大長度、大截面光纖復合導線制造、運輸、施工等難題，在國內首次實現了光纖復合導線在110kV和220kV輸電線路掛網應用，運行情況良好。

[1]云南省電力設計院編著.電力系統光纖通信線路設計[M].北京:中國電力出版社,2003.

[2]張興周,孟克編.現代光纖通信技術[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2003.

[3]張偉民,王愛國,高玉珍.光纖復合相線的研制與應用[J].電力系統通信,2006,27（9）：25-28.

[4]張偉民,吳青峰,王愛國.光纖復合相線的架設和接續[J].電力系統通信,2006,27（7）：46-69.

[5]陳廣生,鞏風國.光纖復合架空相線(OPPC)的應用[J].電力系統通信,2006,161(3):76-80.

[6]黃俊華.光學相線(OPPC)的結構和應用[J].網絡電信,2003(9):57-58.

[7]胡江濤.光纖復合架空地線在高壓送電線路中的設計應用[J].陜西電力,2006,34(3):30一33.

[8]李海泉,謝書鴻.OGPW雷擊可靠性研究[J].電力系統通信.2004(2):41-45.

[9]劉凱,吳田,施榮等.750kV輸電線路光纖復合架空地線損耗分析[J].高電壓技術,201137(2),497-504.

[10]黃俊華.ADSS光纜的電腐蝕及其控制[J].網絡電信.2003,8:64-67.

[11]DLT832-2003.《光纖復合架空地線》.

[12]郭勇.溫度對OGPW中的光纖余長的影響[J].電力系統通信.2003,5:27-29.

[13]鄒葉龍,楊懷.關于OGPW中光纖余長的探討[J].電力系統通信.2004,2:38-40.

[14]徐青松,候煒,王孟龍.架空輸電線路覆冰實時監測方案探討[J].浙江電力,2007,3(3):9-15.

[15]李偉良,張金成.光纖測溫系統在電力系統的應用[J].青海電力.2002,4:29-32.

[16]鮑吉龍,章獻民,陳抗生.光纖光柵傳感器及其應用[J].激光技術,2000,24(3):174-179.

[17]賈宏志.光纖光柵傳感器的理論和技術研究[D].中國科學院西安光學精密機械研究所博士論文.2000:12-20.

[18]張穎.布拉格光纖光柵傳感技術研究[D].南開大學博士論文.2001:47-61.

[19]趙育良,張青臣.基于分布式光纖溫度傳感器測量系統[J].傳感器技術.2002,4:33-36頁

[20]耿軍平,許家棟,郭陳江,韋高.全分布式光纖溫度傳感器研究的進展及趨勢[J].傳感器技術.2001,2:4-7.

[21]林玉蘭,陳永泰.拉曼散射分布式光纖溫度傳感器的設計[J].光電子技術與信息.2002,2:33-36.