具備地線融冰功能的光纜并聯(lián)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(nèi)通信網(wǎng)絡的發(fā)展，國內(nèi)通信線路越來越龐大，越來越復雜。在一些高寒地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)空氣潮濕、極低氣溫等環(huán)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(lián)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(xù)塔位光纜并聯(lián)主要采用并溝線夾進行連接，從而形成電氣連續(xù)的架空地線。然而，在2017 年桂山線光纜融冰過程中，出現(xiàn)了因并溝線夾發(fā)熱問題導致的光纜熔斷故障，如圖1 所示。為解決光纜并聯(lián)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(lián)，通流能力強、質(zhì)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(lián)問題以及地線并聯(lián)問題，對通信線路的安全具有重大意義。

圖1 并溝線夾發(fā)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(fā)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(fā)熱；（2）在線夾發(fā)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(fā)熱，惡性循環(huán)，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(fā)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(guī)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(shù)：≥1500 次；常規(guī)使用次數(shù)：≥ 500 次；酸雨PH 平均為6.5 至7.5 的地區(qū)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(fā)，需要實現(xiàn)光纜快速溫升、增強通流能力，大大縮短現(xiàn)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(fā)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(lián)專用金具研究，應校驗熱穩(wěn)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(lián)專用金具尺寸大小。

融冰電流在架空地線電阻中產(chǎn)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(jīng)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(shù)；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(jù)相關氣象條件及技術參數(shù)，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(shù)，對光纜并聯(lián)專用金具設計。

3 光纜并聯(lián)專用金具方案設計

3.1 光纜并聯(lián)專用金具設計圖

根據(jù)設計要求，設計如圖2 所示的光纜并聯(lián)專用金具設計圖。

圖2 光纜并聯(lián)專用金具設計圖

3.2 各部分具體設計

3.2.1 結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)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(jié)構(gòu)設計。由于各接續(xù)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(zhuǎn)。

3.2.2 線夾選型設計

常用OPGW 參數(shù)如下表1 所示。

表1 常用OPGW 參數(shù)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(xiàn)。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(nèi)。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(lián)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(shù)；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(chǎn)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(lián)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(nèi)。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(nèi)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(nèi)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(jié)合以往線夾類金具的設計經(jīng)驗，建立了三維模型，如圖6 所示，更加直觀地展現(xiàn)了線夾的整體結(jié)構(gòu)及工作方式。

圖6 并聯(lián)金具三維示意圖

5 產(chǎn)品試制及實驗

5.1 產(chǎn)品試制

根據(jù)產(chǎn)品設計方案，交由工廠試制，試制產(chǎn)品如圖7 所示。

圖7 產(chǎn)品試制實物圖

5.2 產(chǎn)品試驗

5.2.1 通流溫升試驗

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

表2 溫升數(shù)據(jù)結(jié)果表

結(jié)果顯示，在通流狀態(tài)下，整個并聯(lián)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(lián)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(chǎn)品如圖9 所示。

結(jié)果表明，產(chǎn)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(chǎn)品進行了500 次的重復安裝-拆卸試驗，產(chǎn)品完好。

6 結(jié)束語

本文中對一種具備地線融冰功能的光纜并聯(lián)專用金具設計研究，該并聯(lián)金具具有如下亮點：（1）采用鉸鏈式線夾，自鎖式結(jié)構(gòu)，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(lián)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(shù)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(zhuǎn)角度，不需要調(diào)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(chǎn)品的可行性及適用性。這對今后的光纜融冰具有重大意義。