具備地線融冰功能的光纜并聯專用金具設計研究

王金沛，汪晶晶，冒新國，李新春，葉鵬

（1.超高壓輸電公司貴陽局，貴州貴陽，550081;2.江東金具設備有限公司，江蘇南通，226000）

0 引言

隨著國內通信網絡的發展，國內通信線路越來越龐大，越來越復雜。在一些高寒地區，經常出現空氣潮濕、極低氣溫等環境，從而導致通信光纜覆有冰層。在這樣的情況下，通信線路存在安全隱患。為解決覆冰問題，前人提出多種融冰方式，而并聯金具在融冰過程中起著至關重要的作用。目前融冰光纜接續塔位光纜并聯主要采用并溝線夾進行連接，從而形成電氣連續的架空地線。然而，在2017 年桂山線光纜融冰過程中，出現了因并溝線夾發熱問題導致的光纜熔斷故障，如圖1 所示。為解決光纜并聯問題，設計研究一種連接效果較好，能適應不同直徑光纜并聯，通流能力強、質量輕、便于攜帶、可靈活拆卸等特點的專用連接金具，以此解決融冰光纜并聯問題以及地線并聯問題，對通信線路的安全具有重大意義。

圖1 并溝線夾發熱熔斷光纜

1 并溝線夾故障原因及設計要求

1.1 并溝線夾故障原因

并溝線夾故障發生原因可以概括為以下幾點：（1）并溝線夾與地線接觸面積，只能滿足較低電流通過，如果大電流通過并溝線夾時，導致過度電阻相應增加，引起發熱；（2）在線夾發熱的同時，被連接的地線在高溫下燒損、變形，又增大了線夾與地線之間的間隙，增大過度電阻，導致線夾與地線再次發熱，惡性循環，最終形成燒壞—斷線—造成事故。

1.2 并溝線夾設計要求

針對上述發生的問題，需要重新設計研究一種新型并溝線夾以此解決問題。對于設計并溝線夾有以下幾點要求。

(1)通流性能

最大通流能力：≥50 kA；常規通流能夠：≥ 5kA；最低融冰通流能力：≥600A；通流時間將有原來的10 小時達到24 小時；最高溫度可由原來的70℃達到90℃；滿足不同覆冰條件下的通流能力，干濕條件下的融冰試驗能力。

(2)抗機械疲勞、耐腐蝕性能

最大使用次數：≥1500 次；常規使用次數：≥ 500 次；酸雨PH 平均為6.5 至7.5 的地區使用年限25 年。

(3)低故障率

架空地線、光纜在融冰過程中需進行連接，連接故障問題一直導致融冰中斷，通過新型并溝線夾金具的研發，需要實現光纜快速溫升、增強通流能力，大大縮短現場融冰操作時間，提高融冰效率，同時需要其在工作中不得發生上述問題，降低故障率，減小后期運維成本。

2 通流性能理論

2.1 地線融冰電流計算

架空地線直流融冰對融冰電流的要求是：在融冰階段，使覆冰線路的通過電流大于融冰電流同時小于最大允許電流， 并兼顧融冰線路串接金具設備的通流能力。

進行架空地線直流融冰功能光纜并聯專用金具研究，應校驗熱穩定和人身安全防護措施，應首先確定架空地線的融冰電流以及最大允許電流，然后得到融冰電壓的大小，確定所需直流融冰裝置容量，進一步確定并聯專用金具尺寸大小。

融冰電流在架空地線電阻中產生的熱量一部分使冰柱的溫度上升至融點，一部分使冰柱融化，一部分損失在從架空地線表面到冰柱表面的傳遞途中，還有一部分通過冰柱表面散失。架空地線融冰電流的經驗計算公式如下：

式中，Ir 為融冰電流（A）；R0為0℃時的導電電阻（Ω/m）；Tr 為融冰時間（h）；Δt 為導體溫度與外界氣溫之差；g0為冰的比重，一般取0.9；b 為每邊冰層厚度（cm）；D 為導體覆冰后外徑（cm）；d 為架空地線直徑（cm）[1-2]。

2.2 地線允許最大電流計算

在融冰期間（最長幾小時）允許架空地線達到最高溫度（普通地線為 90 ℃，OPGW 為 80 ℃）所通過的電流，計算公式如式（1）和（2）[3-4]。

當風速≤2m/s 時，

式中，R90 為架空地線溫度為90℃時的電阻（℃）；Imax為架空地線最大允許電流（A）；t2為外界溫度（℃）；εi為輻射系數；D 為導體覆冰后的外徑。

2.3 地線融冰電壓計算

架空地線融冰電壓符合歐姆定律，其計算公式為U=IrR。

式中，U 為融冰電壓；Ir為融冰電流；R 為融冰回路直流電阻。

根據相關氣象條件及技術參數，通過計算，本文中地線、光纜最大通過電流、及融冰電流均可滿足提出條件。基于相關參數，對光纜并聯專用金具設計。

3 光纜并聯專用金具方案設計

3.1 光纜并聯專用金具設計圖

根據設計要求，設計如圖2 所示的光纜并聯專用金具設計圖。

圖2 光纜并聯專用金具設計圖

3.2 各部分具體設計

3.2.1 結構設計

根據要求，線夾部位不使用螺栓且需安裝方便，所以采用自鎖式結構設計。由于各接續OPGW 之間的位置不固定，所以引流部分采用鋁絞線，兩線夾之間可在各個角度自由旋轉。

3.2.2 線夾選型設計

常用OPGW 參數如下表1 所示。

表1 常用OPGW 參數表

從70-180 截面的OPGW 來看，外徑相差6.8mm，由于橡膠的壓縮比不能過大，同一種線夾無法通用這些OPGW。

對于線夾大小可以分為兩檔，線夾本體部分相同，可通過改變橡膠的厚度來實現。按照3mm 左右的直徑差來作為一個型號，OPGW-70～OPGW-120 通用一種型號的線夾，OPGW-130～OPGW-180 通用一種型號的線夾。

3.2.3 電氣接觸面尺寸設計

融冰時通流接觸面積計算公式為：S=I/J，其中：I 為融冰時的電流，取600A；J 為接觸面的電流密度，通過查找資料，當電流密度≤0.15A/mm2時，接觸面的溫升在正常范圍內。通過計算接觸面積至少為4000mm2。

線夾基本尺寸如圖3 所示，則并聯金具的線夾接觸面積為：S0=0.85πdl。式中，因光纜的直徑圓周與金具不完全接觸，故取0.85 的系數；d 為光纜直徑，考慮有最小接觸面積的70mm2光纜，其外徑為11.4mm；l 為線夾寬度；當滿足設計要求時：S0 ≥4000mm2。那么計算可得l ≥131mm;同時加上10%的設計余量，線夾寬度l 至少為144mm，在這個長度下，壓緊裝置對OPGW 的壓緊力會分散，且產品重量會成倍增加，不符合重量輕的設計初衷。所以，最終設計在通流時，可并聯兩個金具進行通流，金具的設計寬度定為74mm。同樣，端子板的面積也應大于4000mm2，通過查《電力金具手冊》端子板的尺寸a 和h 分別為80mm 及85mm，4 個孔的孔徑為14mm[5]。

圖3 線夾基本尺寸示意圖

3.2.4 薄鋁片尺寸設計

薄鋁片基本尺寸如圖4 所示，薄鋁片的截面積：S1=I/J1；薄鋁片的總厚度：T=S1/La。式中：La 為薄鋁片的寬度應等于線夾的寬度，考慮線夾的倒角，鋁片寬度取70mm；J1為通流密度，查資料得當純鋁導體的通流密度≤1.5A/mm2時，導體的溫升在正常范圍內。通過計算得：T ≥5.7mm，考慮10%的設計余量，取6.5mm；每片鋁片為0.5mm，用13 片薄鋁片的組合。

圖4 薄鋁片基本尺寸示意圖

3.2.5 橡膠尺寸設計

橡膠基本尺寸如圖5 所示，設計橡膠的長度Lb 與薄鋁片長度相等。一般而言橡膠的壓縮比為：K=1-(20-d/2-T)/(20-R1)。

圖5 橡膠基本尺寸示意圖

當安裝夾持范圍內最小的OPGW 時，橡膠的壓縮比不小于5%；即1-(20-dmin/2-T)/(20-R1)≥5%。

當安裝夾持范圍內最大的OPGW 時，橡膠的壓縮比不大于30%；即1-(20-dmax/2-T)/(20-R1)≤30%。

各式中d 為OPGW 外徑，T 為薄鋁片總厚度6.5mm。那么以OPGW-70～OPGW-120 線 夾 為 例：dmin=11.4mm，dmax=14.6mm；11.1mm ≤R1 ≤11.8mm；R1 定為11.6mm。

4 三維設計

通過關鍵尺寸的計算，結合以往線夾類金具的設計經驗，建立了三維模型，如圖6 所示，更加直觀地展現了線夾的整體結構及工作方式。

圖6 并聯金具三維示意圖

5 產品試制及實驗

5.1 產品試制

根據產品設計方案，交由工廠試制，試制產品如圖7 所示。

圖7 產品試制實物圖

5.2 產品試驗

5.2.1 通流溫升試驗

根據實驗要求及實驗條件布置如圖8 所示的實驗線路。

圖8 溫升實驗線路圖

在環境溫度25±1℃、1000A 大電流通流作用下通流一段時間后，根據溫度傳感器，得出各個測量點的溫度。結果如表2 所示。

表2 溫升數據結果表

結果顯示，在通流狀態下，整個并聯金具的溫度都遠低于導線溫度。實驗驗證其通流溫升的合格性。

5.2.2 鹽霧腐蝕試驗

為了驗證并聯金具在極端條件下的使用損壞情況，將其進行240 小時鹽霧試驗。實驗后的產品如圖9 所示。

結果表明，產品表面無明顯腐蝕痕跡，有一定的耐腐蝕性。

5.2.3 反復安裝試驗

對產品進行了500 次的重復安裝-拆卸試驗，產品完好。

6 結束語

本文中對一種具備地線融冰功能的光纜并聯專用金具設計研究，該并聯金具具有如下亮點：（1）采用鉸鏈式線夾，自鎖式結構，無需進行擰螺栓操作，大大方便了安裝。（2）橡膠瓦及薄鋁片組合的型式，可適用不同外徑的光纜并聯連接，在通過大電流時，具有彈性的橡膠瓦能消除因材料熱膨脹系數差異而導致的松動。（3）線夾之間采用軟鋁線連接，可以360°旋轉角度，不需要調整光纜的位置及角度，大大方便了安裝。

同時給出了具體設計方案，并進行試制及實驗驗證，很好的驗證了該產品的可行性及適用性。這對今后的光纜融冰具有重大意義。