周凝翠
［摘 要］介紹了4種電力系統(tǒng)專(zhuān)用的特殊光纜。其中，對(duì)無(wú)金屬自承式光纜(ADSS)和架空地線復(fù)合光纜(OPGW)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、在工程應(yīng)用中必須注意的問(wèn)題，以及在不同工程中如何選擇光纜進(jìn)行了詳細(xì)的論述，對(duì)光纖通信工程傳輸衰減設(shè)計(jì)也作了介紹。
�。坳P(guān)鍵詞］光纜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；工程應(yīng)用探討；傳輸設(shè)計(jì)介紹
�。壑袌D分類(lèi)號(hào)］TN929．11 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A�。畚恼戮幪�(hào)］1006-3986（1999）04-0037-04
Discussion on the Engineering Applications of Fiber-optic Communication In Electric Power System
ZHOU Ning-cui
（Hubei Electric Power Ccompany Hubei Wuhan 430077,China)
Abstract: Four kinds of special optical fiber used in electric power system are introduced.The structures and characterisitics of ADSS and OPGW,some problems in engineering application and how to choose optical fiber cable in different projects are discussed in details.The design on optical fiber transmission attenuation is also introduced.
Key words: Optical fiber cable’s structures and features；Engineering application；Design of transmission attenuation
電力系統(tǒng)有強(qiáng)大的電力網(wǎng)，遍布全國(guó)的城市和農(nóng)村，借助于電力線路及桿塔建設(shè)光纖通信網(wǎng)是完全可行的。并且可以為發(fā)展電網(wǎng)自動(dòng)化和新型繼電保護(hù)提供寬頻通道。目前，電力系統(tǒng)的城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)改造也為電力通信的發(fā)展帶來(lái)了極好的機(jī)遇，許多省、地(市)電力局和縣電力局都紛紛建設(shè)光纖電路，為實(shí)現(xiàn)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)做好充分準(zhǔn)備。現(xiàn)就電力系統(tǒng)專(zhuān)用的幾種特殊光纜的特點(diǎn)、架設(shè)方式，城網(wǎng)改造中光纜選擇應(yīng)用時(shí)必須注意的問(wèn)題，及光纖的傳輸衰減設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面作一探討。
1 電力系統(tǒng)專(zhuān)用的幾種特殊光纜
電力系統(tǒng)專(zhuān)用的特殊光纜有4種：無(wú)金屬捆綁式光纜(AD-Lash)、無(wú)金屬纏繞式光纜(GWWOP)、無(wú)金屬自撐式光纜(ADSS)、架空地線復(fù)合光纜(OPGW)。
無(wú)金屬捆綁式架空光纜(AD-Lash)和無(wú)金屬纏繞式光纜(GWWOP)是在電力線路上建設(shè)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的一種既經(jīng)濟(jì)又快捷的方式，它們用自動(dòng)捆綁機(jī)和纏繞機(jī)將光纜捆綁和纏繞在地線或相線上。它們共同的優(yōu)點(diǎn)是：光纜重量輕、造價(jià)低、安裝迅速。在地線或10 kV/30 kV相線上可不停電安裝。它們共同的缺點(diǎn)是：由于都采用了有機(jī)合成材料做外護(hù)套，因此都不能承受線路短路時(shí)相線或地線上產(chǎn)生的高溫，都有外護(hù)套材料老化問(wèn)題，施工時(shí)都需要專(zhuān)用機(jī)械，因此在電力系統(tǒng)中都未能得到廣泛的應(yīng)用。
1．1 無(wú)金屬自承式架空光纜(ADSS)
1．1．1 ADSS光纜的種類(lèi)
目前世界上ADSS光纜的結(jié)構(gòu)主要有4種類(lèi)型(見(jiàn)圖1)。
A型：中心束管式ADSS光纜；
B型：層絞式ADSS光纜；
C型：分布式增強(qiáng)型ADSS光纜；
D型：帶狀式ADSS光纜。
其中A型與B型在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。
1．1．2 ADSS光纜的特點(diǎn)
采用了具有高彈性模量的高強(qiáng)度芳綸紗作為抗張?jiān)�。芳綸紗彈性模量高、重量輕、具有負(fù)膨脹系數(shù)、有防彈能力。同時(shí)光纜幾何尺寸小，纜重僅為普通光纜的三分之一，可直接架掛在電力桿塔的適當(dāng)位置上，對(duì)桿塔增加的額外負(fù)荷很��；
外護(hù)套經(jīng)過(guò)中性離子化浸漬處理，使光纜具有極強(qiáng)的抗電腐蝕能力；
光纜采用無(wú)金屬材料，絕緣性能好，能避免雷擊，電力線出故障時(shí)，不會(huì)影響光纜的正常運(yùn)行；
利用現(xiàn)有電力桿塔，可以不停電施工，與電力線同桿架設(shè)，可降低工程造價(jià)；
運(yùn)行溫度范圍寬：－40～＋70℃；
使用跨距范圍：50～1200m。
1．1．3 使用ADSS光纜需注意的特殊問(wèn)題
在電力系統(tǒng)中采用ADSS光纜具有很多優(yōu)越性，但是根據(jù)ADSS光纜多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，在光纜設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮光纜掛點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，桿塔受力等問(wèn)題外，還應(yīng)考慮采取措施減少下述2個(gè)因素對(duì)ADSS光纜造成的損害。
�。�1）“干帶電荷”放電現(xiàn)象：光纜在空氣污染和雨水作用下表面會(huì)形成污層，在不均勻電場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生泄漏電流并加熱污層。由于污層沿表面分布不均勻，污層被泄漏電流加熱也不平衡。在電流密度最大且污層最薄的地方，水分迅速蒸發(fā)、變干，電阻增大，沿表面電壓分布會(huì)隨之改變，大部分電壓降落在該部分，結(jié)果這部分將出現(xiàn)火花放電通道，形成放電電弧。如泄漏電流進(jìn)一步增大，電弧將逐步拉長(zhǎng)而發(fā)展成沿光纜表面的閃絡(luò)，使光纜外護(hù)套燒傷、炭化，進(jìn)而損壞光纜。在光纜靠近桿塔的連接處，電場(chǎng)電壓分布變化最大，由于重力和弧垂的作用也使該處污層分布最不均勻，因此是放電最容易發(fā)生的部位。
�。�2）導(dǎo)線“鞭擊”現(xiàn)象：在風(fēng)力的作用下導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)而碰擊光纜，由于光纜表面有污層、潮濕等，在導(dǎo)線接觸光纜表面污層介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放電而灼傷光纜表面，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致光纜燒損。
1．1．4 ADSS光纜工程設(shè)計(jì)需考慮的問(wèn)題
�。�1）選擇電場(chǎng)強(qiáng)度較小處（≤25kV）作為光纜掛點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將線路資料(線路電壓等級(jí)、線路回?cái)?shù)、導(dǎo)線布列、桿塔結(jié)構(gòu)、路由參數(shù)、導(dǎo)線參數(shù)等)，線路環(huán)境資料(大氣溫度范圍、最大風(fēng)速、復(fù)冰厚度、污染程度等)及光纖芯數(shù)等告知光纜生產(chǎn)廠家，以便光纜生產(chǎn)廠家根據(jù)桿塔結(jié)構(gòu)做出空間電勢(shì)分布圖，提出光纜在桿塔上的最佳掛點(diǎn)。
（2）根據(jù)光纜所處電場(chǎng)強(qiáng)度選擇光纜外護(hù)套材料。當(dāng)空間電勢(shì)≤12kV時(shí)，光纜外護(hù)套采用黑色高密度聚乙烯外護(hù)套(HDPE)，此情況一般出現(xiàn)在110 kV及以下線路。當(dāng)空間電勢(shì)在12～25 kV時(shí)，光纜外護(hù)套采用黑色高密度抗電痕外護(hù)套(AT)，此情況一般出現(xiàn)在110 kV以上線路。
（3）在污染較重的地區(qū)，需對(duì)光纜進(jìn)行特殊處理，減少表面污層形成。路由選擇時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)鹽霧污染區(qū)。
�。�4）根據(jù)導(dǎo)線和光纜的溫度特性及運(yùn)行條件，合理確定光纜掛點(diǎn)及弧垂，盡量避免發(fā)生導(dǎo)線“鞭擊”光纜現(xiàn)象。同時(shí)還要考慮ADSS光纜與其他建筑物、樹(shù)木和電力線路的最小垂直距離及交叉跨越距離，各種情況的安全距離要求如下：
對(duì)居民區(qū) �。�6m
對(duì)非居民區(qū) �。�5．5m
跨越房屋屋頂時(shí) �。�1m
跨越樹(shù)木的樹(shù)頂時(shí) ＞1．5m
對(duì)通信線交叉跨越距離 �。�1m
對(duì)公路交叉跨越距離 ＞6m
最大風(fēng)偏時(shí)對(duì)建筑物的距離 �。�1m
對(duì)10 kV電力線交叉跨越距離 �。�2m
對(duì)35 kV電力線交叉跨越距離 �。�3m
對(duì)低壓線交叉跨越距離 �。�1m
對(duì)鐵路交叉跨越距離 �。�7．5m
對(duì)航船桅桿頂距離 �。�1m
�。�5）為了安裝及維護(hù)方便，通過(guò)配盤(pán)一定要使ADSS光纜的接頭位置落在耐張塔上。
1．2 架空地線復(fù)合光纜(OPGW)
1．2．1 OPGW光纜的種類(lèi)
OPGW光纜是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式，它具有2種功能，其一是作為輸電線路的防雷線，對(duì)輸電導(dǎo)線抗雷閃放電提供屏蔽保護(hù)；其二是通過(guò)復(fù)合在地線中的光纖，作為傳送光信號(hào)的介質(zhì)，可以傳送音頻、視頻、數(shù)據(jù)和各種控制信號(hào)，組建多路寬帶通信網(wǎng)。OPGW光纜的鎧裝層是起屏蔽和防雷作用的元件，它既是短路電流的直接承受者也為纜芯提供保護(hù)作用。鎧裝層是根據(jù)地線的電氣要求和機(jī)械特性，由鋁合金線、鍍鋅鋼絞線和高強(qiáng)度的鋁包鋼線配合組成的，鋁線提供導(dǎo)電性能，鋼線提供所需的機(jī)械特性。為了適應(yīng)不同的工程需要，OPGW光纜的鎧裝層又分為單層、雙層及3層等3種結(jié)構(gòu)。
1．2．2 OPGW光纜的特點(diǎn)
光纜鎧裝層有很好的機(jī)械強(qiáng)度特性，因此，光纖能得到最好的保護(hù)(不受磨損、不受拉伸的應(yīng)力、不受側(cè)向壓力)，在根本上保證了光纖不受外力損害；
光纜鎧裝層有很好的抗雷閃放電性能和短路電流過(guò)載能力，因此，在雷電和短路電流過(guò)載的情況下，光纖仍可正常運(yùn)行；
OPGW光纜，可直接作為架空地線安裝在任意跨距的電力桿塔的地線掛點(diǎn)上；
特殊設(shè)計(jì)的OPGW光纜可直接替換原有高壓線路的架空地線，不用更換原有塔頭；
與高壓線路同步建設(shè)光纜通信系統(tǒng)，可節(jié)省光纜施工費(fèi)用，降低通信工程造價(jià)；
纜徑小，重量輕，不會(huì)給鐵塔帶來(lái)大額外荷載；
運(yùn)行溫度－40～＋70℃。
1．2．3 選擇使用OPGW光纜應(yīng)注意的問(wèn)題
�。�1）合理選擇光纖外護(hù)套。光纖外護(hù)套有3種管材：塑料管(有機(jī)合成材料)、鋁管、鋼管。塑料管造價(jià)低。為滿足塑料管護(hù)套對(duì)紫外線的防護(hù)要求，最少要使用兩層鎧裝。塑料管OPGW承受短路電流引起的短時(shí)溫升能力＜180℃；鋁管造價(jià)較低。由于鋁材阻抗小，因此能加大OPGW鎧裝層承受短路電流的能力。鋁管OPGW承受短路電流引起短時(shí)溫升能力＜300℃；不銹鋼管造價(jià)高。但是由于鋼管的管壁薄，在相同截面條件下裝入不銹鋼管的光纖芯數(shù)比塑料管和鋁管都要多，因此在多芯條件下單位光芯造價(jià)并不高。鋼管OPGW承受短時(shí)溫升的能力可達(dá)450℃。用戶可根據(jù)工程具體情況，合理選擇光纖外護(hù)套。（2）當(dāng)用OPGW光纜更換老線路地線時(shí)，必須選擇與原有架空地線的機(jī)械特性和電氣特性相當(dāng)?shù)腛PGW。即OPGW的外徑、單位長(zhǎng)度重量、極限拉力、彈性模量、線膨脹系數(shù)、短路電流等參數(shù)與現(xiàn)有地線參數(shù)相接近，這樣既可以不改變現(xiàn)有的塔頭，減少改造工程量，又可以保證OPGW與現(xiàn)有相導(dǎo)線的安全距離，確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。
（3）安裝施工OPGW光纜與安裝ADSS光纜差不多，使用的金具也幾乎一樣，只是掛點(diǎn)不一樣，OPGW光纜要安裝在架空地線的位置上。光纜線路的中間接頭位置必須通過(guò)配盤(pán)落在耐張鐵塔上。在以上幾種光纜的選擇應(yīng)用中，還需要共同注意的一點(diǎn)是：選擇松套結(jié)構(gòu)光纜，不要選用緊套結(jié)構(gòu)光纜。因?yàn)楣饫w在松套管內(nèi)可以留有一定的余長(zhǎng)，控制范圍在0．0％～1．0％之間(典型數(shù)值為0．5％～0．7％）。當(dāng)光纜在施工時(shí)，或在重力和風(fēng)力的作用下而發(fā)生拉伸時(shí)，只要光纜的拉伸長(zhǎng)度在余長(zhǎng)范圍內(nèi)，光纖則具有應(yīng)變能力而不承受張力，從而保證光纖的傳輸質(zhì)量不受外力影響。
2 光纜工程應(yīng)用選擇
對(duì)于高壓電網(wǎng)的光纖通信應(yīng)將電網(wǎng)自動(dòng)化、繼電保護(hù)以及管理信息系統(tǒng)所需要的各類(lèi)數(shù)據(jù)、圖像和語(yǔ)音通道作統(tǒng)一規(guī)劃，綜合利用，并爭(zhēng)取與郵電、交通或其他系統(tǒng)取得聯(lián)系，可提供部分通道給其他系統(tǒng)使用，對(duì)重要通道作互為備用，以提高通道的可靠性和投資效益。當(dāng)組建一個(gè)光纖通信網(wǎng)時(shí)，不能一味強(qiáng)調(diào)使用新技術(shù)、新光纜、特殊光纜，要根據(jù)工程的實(shí)際情況來(lái)選用不同類(lèi)型的光纜。光纖網(wǎng)上有許多節(jié)點(diǎn)(即光纜開(kāi)口點(diǎn))，這些節(jié)點(diǎn)可以是供電局、電廠、分局、重要變電站等等。選型時(shí)要考慮在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間有甚麼電壓等級(jí)的線路，一般跨距是多少，是否有特殊地段，如污染嚴(yán)重的地段，冰雪嚴(yán)重的地段，跨江、跨河、跨山澗的大跨距地段；還要考慮安裝維護(hù)是否方便，經(jīng)濟(jì)承受能力如何，這些都是需要綜合考慮的問(wèn)題�，F(xiàn)將不同類(lèi)型的光纜在甚麼工程情況下應(yīng)用，作一簡(jiǎn)單介紹(見(jiàn)表1)。
表1 光纜工程應(yīng)用表
類(lèi)型
適宜工程
安裝維護(hù)
備 注
OPGW
替代新建或正在改造的110～500kV線路工程的地線；
替代大跨距(跨江、跨河、跨山澗)高壓線路的地線。
安裝維護(hù)方便；須停電施工。
光纜不受外力破壞；
光纜使用壽命長(zhǎng)；
價(jià)格稍貴。
ADSS
可在新老35～220kV線路塔上加掛；中、大跨距電路(200～1 200m)。
安裝方便；
維護(hù)不方便；
可帶電施工。
在110～220 kV線路塔上加掛時(shí)，須考慮場(chǎng)強(qiáng)分布、弧垂(安全距離)等因素，選擇最佳掛點(diǎn)；
在35 kV線路塔上加掛時(shí)，不考慮場(chǎng)強(qiáng)分布，只考慮安全距離；
冰雪嚴(yán)重地段(復(fù)冰10 mm及以上)不能用；價(jià)格適中；
AD-Lash
捆綁在架空地線或≤35kV的相線上。
安裝非常方便、迅速；維護(hù)不方便；
可帶電施工。
國(guó)內(nèi)尚未應(yīng)用；租用捆綁機(jī)很貴。
GWWOP
纏繞在架空地線或相線上。
安裝非常方便、迅速；維護(hù)不方便；
可帶電施工。
國(guó)內(nèi)已有少量應(yīng)用；租用纏繞機(jī)很貴。
普通光纜
加掛在10～35kV線路桿塔上。
安裝非常方便、迅速；維護(hù)非常方便。
國(guó)內(nèi)已普遍應(yīng)用；價(jià)格便宜。
3 光纖的傳輸衰減設(shè)計(jì)［1］
設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)時(shí)，必須充分考慮所用光纖的衰減、帶寬、以及接頭連接損耗，它們都是影響傳輸性能的最重要的參數(shù)。本文只介紹單模光纖和多模光纖的衰減設(shè)計(jì)。
光纜系統(tǒng)的衰減(aK），與光纜長(zhǎng)度(L)、光纖衰減系數(shù)(aF)和n個(gè)接頭損耗(aSP)有關(guān)。光纜系統(tǒng)的衰減(aK）計(jì)算公式如下：
aK＝LaF＋naSP （1）
式中 aK——光纜系統(tǒng)的衰減，dB；
L——光纜長(zhǎng)度，km；
aF——光纖衰減系數(shù)，dB/km；
aSP——接頭損耗，dB(取值：固定接頭0．1～0．2 活接頭1～2）。
由于光纜系統(tǒng)要長(zhǎng)期運(yùn)行，因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮預(yù)留一定的余量來(lái)補(bǔ)償維修時(shí)增加接頭的需要。衰減預(yù)留量(aRes)取決于本地條件和系統(tǒng)的重要性，一般取值為：0．1～0．4 dB/km。
對(duì)一個(gè)中繼段而言，中繼段的衰減值(aR）由下式求得：
aR＝aK＋aResL�。�2）
式中 aR——中繼段衰減值，dB；
aRes——衰減預(yù)留量，dB/km；
L——中繼段距離，km。
在一個(gè)中繼段內(nèi)，通常盡可能選用長(zhǎng)光纜來(lái)減少由于接頭引起的損耗。同時(shí)，也要選用光纖衰減系數(shù)（aF）合適的光纖，以便在線路中間不加光中繼器，從而減少工程投資。
作者單位：周凝翠 湖北省電力公司 湖北 武漢 430077
參考文獻(xiàn)：
［1］(德)Gunther Mahlke and Peter Gossing著，胡先志等譯，光纜(Fiber Optic Cables)，［M］
