光纤复合低压电力电缆的设计制造和使用.pdf

2 0 1 2年第 1期 No ．1 2 0l 2 电 线 电 缆 E l e c t r i c W i r e＆ Ca b l e 2 0 1 2年 2月 F e b ．． 2 0 1 2 光纤复合低压电力 电缆的设计制造和使用 王 国忠 ( 江苏通光强能输电线科技有限公司， 江苏 海门 2 2 6 1 0 0 ) 摘要： 叙述了光纤复合低压电力电缆( O P L C ) 的设计、 制造、 试验和使 用， 给出了光纤复合低压电力电缆设计、 制造过程中应注意的问题和一些关键参数。 关键词： 光纤复合低压电力电缆；光单元； 复合位置；护层； 制造；试验 中图分类号： T M2 4 7 ． 1 ； T N 8 1 8 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 2 4 5 9 0 1 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 0 8 - 0 5 De s i g n，Ma n u f a c t u r e a n d Us e o f Op t i c a l F i b e r Co mp o s i t e Lo w- Vo l t a g e Ca b l e W ANG Guo ． z h o n g ( J i a n g s u T o n g g u a n g Q i a n g n e n g T r a n s m i s s i o n L i n e T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， H a i me n 2 2 6 1 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r p res e n ~ t h e d e s i g n，ma n u f a c t u r e ，t e s t an d u s e o f o p ti c a l fi b e r c o mp o s i t e l o w- v o l t a g e c a b l e ． S o me p r e e a t i o n s a n d k e y p a r a me t e r s d u ri n g d e s i gn a n d ma k i n g o p t i c al fi b e r c o mpo s i t e l o w— v o l t a g e c a b l e are g i v e n ． Ke y wo r d s ：O P L C；o p t i c al fi b e r u n i t ；c o mp o s i t e p l a c e ；p r o t e c t i v e c o v e ri n g ；ma n ufa c t u r e ；t e x t 0 引 言 随着 国家电网公司电力光纤到户工程的正式启 动， 光纤复合低压电力电缆( O P L C ) 应运而生。电 力光纤到户工程主要依靠在低压电力电缆内复合光 单元， 在供电的同时， 将光纤同时接人， 以实现智能 电网功能， 并开展电信网、 广播网、 互联网内容传输 的“ 三网融合” 等业务。 工程的核心 内容是采用 O P L C配合 E P O N( 基 于以太 网方式的无源光网络 ) 技术实现光纤入户 ， 承载“ 内网” 的居民用户用电信息采集业务。具体 实施时， 进行信息“ 内外网” 的隔离， 系统中分别设 置内外网传输的 E P O N设备。用电信息采集通过 “ 内网” 进行， 多网融合及电网互动的智能家庭通过 “ 外 网” 进行。 本文就 O P L C的设计 、 制造、 试验及使用加 以论 述和介绍 。 1 设计 为了规范 O P L C的生产、 验收和管理， 中国电力 科学研究院于 2 0 1 0年 7月 2 6日发布实施了 Q ／ E P R 1 0 3 8 --2 0 1 0 ( 光纤复合低压绝缘电力电缆》 企 业标准( 以下简称企标 ， 在某种程度上也成为 了行 业标准。虽然标准经过几次修改后才发布实施， 但 收稿日期： 2 0 1 1 -07 -0 7 作者简介： 王国忠( 1 9 6 2一) ， 男， 高级工程师． 作者地址： 江苏海门市大生路 3 9 6 6号[ 2 2 6 1 0 0 ] 还有不妥之处 ， 有待 于在 国家电网公 司的企业标准 及国家标准编订时修改 ， 并且 ， 企标 中还有许多内容 不能规定的 ， 必须在设计时加以考虑。 1 ． 1 绝缘线芯 首先是导体的形状。在企标中没有明确规定导 体采用圆形导体， 但在给出的典型结构图中， 导体几 乎全是圆形的。这种形状在最初研制光纤复合低压 电缆时是有效的， 因为用圆形导体生产的绝缘线芯 绞合成缆时能给光单元提供的空间较常用的成型导 体生产的绝缘线芯的要大 ， 对光单元 的保 护性 能更 好。随着 O P L C用量 的提高及结构 的进一步优化 ， 还应研究采 用适 应复合缆的成型导体 ( 如扇形 、 瓦 楞形等) 结构。毕竟使用成型导体制造的电缆直径 小 ， 可极大地节省原材料 ， 低压电缆已是如此 ， O P L C 也应如此。在电缆生产方面， 国外成型导体已成功 地用到 6 6 k V级的交联电缆上 了。 其次是电缆的绝缘。绝缘材料的选择可根据用 户的需求进行 。现阶段 ， 用户选择较多的是硅烷交 联聚乙烯料。绝缘厚度按照 G B ／ T 1 2 7 0 6标准执 行， 对于特殊的复合缆结构， 可适当加厚绝缘。 1 ． 2光单元 在企标 中列出了一些典型光单元 的结构特征示 意图。主要分为蝶形光单元、 中心管式和层绞式光 单元 。光单元的所有构成材料 ， 包括加强元件 ， 均为 非金属材料。在中心管式和层绞式光单元 中， 又分 为干式和油膏填充两种。 ( 1 ) 光单元中光纤芯数和光单元结构 2 0 1 2年第 1 期 No ． 1 2 0 1 2 电 线 电 缆 El e c t ile Wi r e& Ca bl e 2 0 1 2年 2月 F e b．， 2 01 2 光单元 中， 光纤的类别和芯数应符合用户要求。 在企标 中给出了“ 光单元 中光纤芯数宜为 1 、 2 、 4 、 6 、 8、 1 2、1 6、1 8、2 0、 2 4 3 0、 36 48 6 0 7 2、8 4 9 6、1 2 0 ． 1 3 2或 1 4 4芯” 。根据笔者的经验 ， 实际使用不需要 这么多芯数的光纤单元。E P O N系统的典型网络结 构 由 O L T ( 光线路终端 ) 、 O N U( 光网络单元) 和 O D N ( 光分配网即分光器 ) 组成 ， 其 中的 O D N分 光器是 一 个连接 O L T和 O N U的无 源设备 ， 它 的功能是分 发下行数据并集中上行数据。分光器有 1 ： 2 、 1 ： 1 6 、 1 ： 3 2 、 1 ： 6 4等多种 ， 实现点对多点的功能 ， 主要作用 是节省光纤 ， 所 以， 在 O P L C实际应用 中， 如果不考 虑更多芯数备用光纤的话 ， 真正使用 1 2芯以上光纤 的可能性较小。当然， 光纤芯数一少， 中心束管式光 单元就完全能胜任 了。 ( 2 ) 束管内填充物 束管 内是填充纤膏还是干式阻水材料 ， 笔者认 为应该填充纤膏 。因为纤膏 已使用多年 ， 有着 良好 的物理 、 化学性能和温度特性。在垂直敷设时， 由于 复合缆中光单元随电力线芯一道螺旋绞合， 光单元 不是呈一根直线状 ， 而是呈和电缆节距相 同的螺旋 状 ， 即使在光单元完全呈直线状时 ， 由于纤膏对在光 纤和束管壁有一定的粘附力， 也不存在那种想象的 滴流现象。当然， 对于需要垂直敷设场合使用的光 单元， 可以适当地提高纤膏的性能， 如滴点温度、 纤 膏的流变特性等。 虽然在 Y D ／ T 9 0 1 --2 0 0 9 ( 核心网用光缆——层 绞式通 信用 室外 光缆》中第 4 ． 1 ． 2 ． 3 ． 6条 也规 定 “ 在全干式光缆 中， 松 套管 内的 间隙中应放置 一种 固态阻水材料”， 但 固态阻水材料遇水膨胀 ， 从而起 到阻止水进一步渗透的作用 。当光单元内使用 固态 阻水材料， 即所谓的干式结构时， 随着束管端头裸露 在空气中的时间延长， 而束管端头裸露在空气中的 现象在生产、 运输、 仓储和使用过程中又是不可避免 的， 固体阻水材料会吸收空气中的水分而失去阻水 作用 ， 且光纤对其吸收的水份所产生的 O H一 又极为 敏感。水和潮气会使光纤表面的微裂纹扩张， 从而 造成光纤的强度显著下降。而且水中的氢会引起光 纤的氢损， 导致光纤的传输损耗增大， 严重影响光单 元的使用质量和寿命。为此笔者认为， 固态阻水材 料不宜用在复合缆的光单元 内。根据使用层绞式通 信光缆多年的人士介绍， 他们也不曾使用过干式结 构的光缆。 ( 3 ) 光纤余长 束管内光纤余长的设计原则是使得拉力和温度 变化不会对光纤产生应力。在光纤余长的规定范围 内， 拉力和温度变化： 会造成光纤 的附加损耗。达 到规定的光纤余长幅度时， 光纤接触到 P B T束管的 内壁。光缆再受到进一步的拉伸或 收缩 ， 就会对光 纤产生应力， 使光纤的损耗开始增加。在 O P L C用 的光单元中， 我们将光纤的余长控制在 3 ％ o ～ 5 ％ 0 之 间。 ( 4 ) 光单元抗拉： 力 光单元 中的加强件材料根据光单元 的结构来选 择 ， 一般有芳纶纤维和 F R P， 抗拉力是根据复合缆成 缆时对光单元的应能承受的抗拉力而提出的。电力 电缆使用的成缆机一般都是被动式放线， 放线拉力 从几千克到几十千克不等 ， 所 以， 对光单元要求一般 以能承受 1 0 0 k g的抗拉力来设计就可以了。 1 3 电力绝缘线芯和光单元复合位置设计 在企标 中列 出了一些 O P L C典型结 构示 意 图 ( 见图 1 ) ， 除了8 字形 O P L C结构外， 其余各种结构 的共同点是光单元均置于绝缘线芯的边隙中。如果 光单元置于绝缘线芯的 中间位置 ， 由于几根绝缘线 芯绞合的中间空隙位置较小， 在多数复合缆结构中， 允许的光单元直径较小 ， 光单元易受到挤压； 其次 ， 即使几根绝缘线芯 中间空隙大小允许放置光单元 ， 但光单元处于中心位置时， 由于没有同绝缘线芯一 起螺旋绞合而呈直线状， 在 O P L C受到拉力作用时， 将率先受到力的作用， 易受到破坏； 再者， 光单元处 于中心位置 ， 受到电力线芯温度作 用可能大于处于 边 隙位置 ， 对光纤的传输性能可能影响较大。 我们对光单元处于中心位 置的 O P L C — Y J V- 0 ． 6 ／ 1 3 6+ G T 2 - 4 B 1 的复合缆进行了拉伸试验。按 照 G B 5 0 1 6 8 ( 电气装置安装工程电缆线路施工及验 收规范》 ， 该缆的最大允许拉力是 1 ． 2 6 k N 。试验结 果是拉力在 0 ． 5 k N左右( 约 4 0 ％允许拉力) 时， 光 纤的附加损耗开始明显增大， 但光纤应变还没有明 显增加 ； 在 1 k N左右 ( 约 8 0 ％允许拉力) 时 ， 光纤 附 加损耗继续增加 ， 光纤应变开始 出现 。在对光单元 处于复合缆边隙位置的2 6 ／ 3 5 k V海底光电复合缆 进行拉伸试验时 ， 几种拉力下 ， 光纤 的附加损耗和应 变几乎没有任何变化， 见参考文献[ 3 ] 。虽然电压 等级不同， 但也能说明， 光单元放置在复合缆中绝缘 线芯的边隙位置是最合适的。 在图 l f 中， 电力绝缘线芯如果为 4+1 ／ 2( 即 4 根主线芯 + 1 根地线：芑 ： ， 下同) 或 5芯等截面， 导体 为圆形结构， 则宜采用图2 的结构， 即绝缘线芯全部 绞合， 光单元置于绝缘线芯边隙中， 绝缘线芯之间的 中心部分及其余的空隙中均有填充物。图2的结构 较图 1 的复合缆直径要小许多， 且结构较为稳定。 2 0 1 2年第 1期 No ． 1 2 01 2 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e＆ C a b l e 2 0 1 2年 2月 F e b ．， 2 0 1 2 非吸湿性填充物 —— 兰兰三 绕包带 填充绳 绝缘层 非吸 b ) 撕裂绳 导体 光单元 非吸湿性填充物 外护套 撕裂绳 导体 填充绳 外护套 绝缘层 外护套 光单元 绕包带 撕裂绳 导体 绝缘层 非吸湿性填充物 外护套 绝缘层 导体 撕裂绳 绕包带 光单元 非吸湿性填充物 外护套 绕包带 内衬层 导体 绝缘层 光单元 铠装 撕裂绳 非吸湿性填充物 f ) 图 1 O P L C典型结构示意图 光单元放置在复合缆中的边隙处， 对于三芯等 截面、 四芯等截面、 五芯等截面的复合缆， 以 d表示 1 0 绝缘线 芯直径， 光单元 最大允许 直径分 别为： 0 ． 4 8 3 d 、 0 ． 4 1 4 d 、 0 ． 3 7 7 d 。如果实际光单元的直径 大 于计算的光单元最大允许直径， 为了使光单元不受 侧压力作用及复合缆 圆整 ， 则应加大 中心填充材料 的直径 ， 使得边隙的空间容得下光单元。其它结 构 形式的复合缆允许放置光单元 的直径也可按类似的 方法计算。 外护套 绕包带 内衬层 导体 绝缘层 光单元 铠装 撕裂绳 非吸湿性填充物 图 2 绝缘线 芯为 5芯 的 O P L C结构 1 ． 4 复合缆的护层设计 复合缆的护层结构应符合用户的要求。 护层的结构尺寸设计 ， 按照 G B ／ T 1 2 7 0 6 ． 1中附 录 确 定护层尺寸 的假设计 算方法 ” 加 以计算 。 假设直径计算时， 不考虑光单元的存在。关于复合 缆假设直径计算 ， 在企业标 准编制讨论 时有些 同仁 提到应考虑光单元的假设外径 ， 不知 以后的标准趋 向怎样 ， 但笔者认为， 复合缆假设直径计算不宜考虑 光单元因素。因为规定假设直径计算是为了统一确 定护层的尺寸， 光单元没有统一的假设外径计算标 准 。如果在 O P L C标准中加入这一内容 ， 会使护层 尺寸计算混乱。何况， 相比电力绝缘线芯来说， 光单 元直径较小 ， 往往对复合缆直径不构成影响。 铠装内衬层结构 ， 按照 G B ／ T 1 2 7 0 6 ． 1 允许采用 绕包方式和挤包方式。笔者建议宜采用挤包结构 ， 因为挤包内衬层的径向阻水及对缆芯保护作用比绕 包内衬层的要好， 这样会对复合缆形成更好的保护。 2 制 造 复合缆的制造关键工序在于绝缘线芯和光单元 的复合成缆。由于一般光电复合缆的电力线芯为3+ 1 ／ 2芯、 4芯等截面或 4+1 ／ 2芯 ， 再加上光单元， 必须 在6 盘成缆机上绞合成缆。成缆时应采用退扭方式。 放置光单元的栏架要求放线张力小而均匀， 防止忽大 忽小， 以免损伤光单元。在复合缆缆芯拉出成缆机牵 引轮后 ， 对光纤的衰减进行测试 ， 看是否有附加衰减 2 0 1 2年第 1 期 No ． 1 2 01 2 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e& C a b l e 2 0 1 2年 2月 Fe b．， 2 01 2 和衰减曲线是否平直。如有异常 ， 应查找原因， 并加 以排除。光纤衰减的各种参数正常后 ， 才可复合成 缆。复合成缆过程中， 有异常波动应随时测试。 复合缆的其它制造工艺与电力电缆生产一样， 这里不再赘述。 3 试验 我们在制造了 O P L C后 ， 受中电飞华上海分公司 委托， 经国家电网公司电力线通信应用技术实验室和 上海电缆研究所联合成立的“ 光纤复合低压电缆联合 质检 中心” 对五个不同型号规格的 O P L C进行了识别 色谱 、 结构和尺寸、 光纤特性、 电气性能、 环境性能和 机械性能方面的各项试验， 结果均符合要求。 4 使用 图 3是 O P L C在 某个 小 区到 1号楼 的使用 情 况 。本次工程实现了 O P L C从小区 1 0 k V变电所到 楼宇地下配电间的应用。由于施工及成本问题 ， 没 能实现 O P L C从楼宇到住户的联接 。从楼宇到住户 的接线还是分别通过放置光缆和布 电线来实现的。 图 3 O P L C在小区的使用 4 ． 1 建设概况 1 号楼为 1 2层高层建筑， 共两个单元， 单元每 层 2户 ， 该楼共 4 8户。电缆竖井分为强电竖井和弱 电竖井 ， 户 内强、 弱 电箱相互独立。小区变 电所至 1 、 2单元低压配 电间敷设 O P L C ． Z R ． Y J V 2 2 - 0 ． 6 ／ 1 3 2 4 0+ 1 x 1 2 0+ G T 2 — 1 2 B 1 光纤复合低压电缆； 每 个单元强电竖井内敷设 2芯蝶形光缆， 弱、 电竖井内 敷设 G Y F X T Y - 8 B 1型配线光缆 ； 人户敷设 G J F P H- 2 蝶形光缆 。 4 ． 2 分光器设计 “ 三网融合” 业务分光器布放在每个单元低压 配电间和弱电竖井 内第 3 、 9层 。低压配 电间配置 1 ： 2 分光器， 对单元的第 3 、 9 层分光器分光； 两个单元 第 3 、 9 层配置 1 ： 1 6的2级分光器， 每个分光器管 6 层的 1 2 个用户。用电信息采集业务分光器布放在 每个单元低压配电间 ， 采用 l ： 8 的分光器 ， 对单元的 3台用电信息采集O N U分光， 将 1 号楼二个单元楼的 O N U设备接人中心机旁 O L T主设备的 P O N口。 4 ． 3 光缆芯数配置 根据该楼配电结构 ， 变 电所至单元配 电问采用 1 2芯 O P L C ， “ 三网融合” 用 1 芯备 1 芯， 用电信息采 集用 1 芯备 1 芯， 预留8芯； 强电竖井内放置 3 根 2 芯蝶形光缆， 用于用电信息采集业务， 每根用 1 芯备 1 芯 ； 弱电竖井 内放置 2根 8芯配线光缆 ， 用 于“ 三 网融合” 业务 ， 每根用 1 芯备 1 芯 ， 预 留6芯 ； 人户光 缆采用 2 芯蝶形光缆， 1 芯用于三网融合业务接人， 预 留 1芯。 4 ． 4 交接箱配置 1 、 2单元低压配电间各安装光配箱， 交接 1 2芯 O P L C 1根 ， 8芯配线光缆 2根 ， 2芯蝶形光缆 3根 ， 交 接容量共 3 4芯； “ 三网融合” 第 3 、 9层分光器位置 ( 下转第 1 S页) 2 0 1 2年第 1期 No．1 2 01 2 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e& C a b l e 2 0 1 2年 2月 F e b ．． 2 0l 2 《 ＼ 咖 堰 辑 吕 ＼ 常 幂 图2 载流量与温度的变化关系 4 5 6 O 7 5 9 O 1 0 5 1 2 0 I 3 5 l 5 O 温度／ ℃ 弧垂与温度的变化关系 从图2中可以看出， 随着导线温度的升高， 间隙 型增容导线的载流量是同截面普通钢芯铝绞线 ( 7 0 ~C) 的2 倍。从图3中可以看出， 随着导线温度 的升高， 间隙型增容导线的弧垂比同截面普通钢芯 铝绞线的弧垂的变化平缓。在紧线温度以下时， 间 隙型增容导线的弧垂等同于同截面普通钢芯铝绞 线； 在紧线温度以上时， 间隙型增容导线的温度弧垂 曲线斜率仅为同截面普通钢芯铝绞线的 1 ／ 2 ； 当温 度升高到 1 5 0 ~ C 时， 间隙型增容导线的弧垂与同截 面普通钢芯铝绞线在7 0 ℃时的弧垂相当； 即间隙型 增容导线的线膨胀系数为同截面普通钢芯铝绞线的 一 半。事实证明， 间隙型增容导线在紧线温度以上 时， 导线的张力全部转移到钢芯上， 实现了铝部张力 转移 。 3 结束语 间隙型增容导线的特点主要是钢芯和( 超) 耐 热合金层之间有一定的间隙， 而( 超) 耐热铝合金和 “ 间隙结构” 的结合， 再通过创新的施工工艺实现了 低弧垂增容。在输电线路进行增容改造时只要简单 地更换导线， 就能实3 见1 ． 6～ 2 ． 0 倍的输送容量而不 增加弧垂。这为我国输电线路的改造又提供了一种 方案。 参考文献： [ 1 ] 尤传永． 增容导线在架空输电线路上的应用研究 [ J ] ． 电力建 设． 2 0 0 6 。 1 0 ( 7 ) ： 1 - 7 ． [ 2 ] 张颖璐． 倍容量导线的张力弧垂特性分析计算[ J ] ． 电力建设． 2 0 0 6 ， 2 7 ( 9 ) ： 7 ． 9 ． ( 上接 第 n 页 ) 安装光配箱， 交接配线光缆和用户蝶形光缆， 各层交 接容量是 8芯 +1 22芯 = 3 2芯； 人户弱电箱安装 光纤接头盒， 交接用户蝶形光缆， 交接容量为2芯。 4 ． 5 ON U设备放置位置和供电 “ 三网融合” 用户端 O N U设备放置于每户室内 弱电箱， 弱电箱需要提供 1 路2 2 0 V 交流电源； 用电 信息采集系统 O N U放置于强电竖井 内， 强电竖井 内 需要提供 l 路2 2 O V 交流电源供 O N U使用。 从上面的使用情况介 绍看 ， 1 2芯光纤 的 O P L C 实际使用了 2芯光纤 ， 即 1 芯用于“ 内网” ， 1芯用于 “ 外网” ， 其余光纤均为预留或备用。 5结束语 O P L C在江苏通光强能输电线科技有限公司已 进入了工艺稳定的生产 阶段 ， 产 品已在多个小 区得 到了使用。实践证明， 只要结构设计合理， 制造、 使 用过程中不会对光单元中光纤的光学性能和机械性 能产生不 良影响。 参考文献i [ 1 ] Q ／ S P in o 3 8 --2 O l O 光纤复合低压绝缘电力电缆[ S ] ． [ 2 ] 王国忠． 海底光纤复合电力电缆的开发[ J ] ． 电线电缆 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 1 2 - 1 4 ． [ 3 ] 王国忠． 海底光纤复合电力电缆试制及机械性能试验[ J ] ． 电 线电缆， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 1 3 1 5 ． [ 4 ] 王国忠． 海底光电复合缆的研制[ J ] ． 光纤与电缆及其应用技 术 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 l - 1 3 ． [ 5 ] Y D ／ T 9 0 1 --2 0 0 9 核心网用光缆——层绞式通信用室外光缆 [ S ] ． [ 6 ] Y D ／ T 7 6 9 --2 0 0 3 核心网用光缆——中心管式通信用室外光 缆[ s ] ． [ 7 ] Y D ／ T 1 9 9 7 --2 0 0 9 接入网用蝶形引入光缆[ s ] ． [ 8 ] G B ／ T1 2 7 0 6 --2 0 0 2 额定电压 1 k V( =1 ． 2 k V) 到3 5 k V ( V m= 4 0 ． 5 k V ) 挤包绝缘电力电缆及附件[ s ] ． [ 9 ] G B 5 0 1 6 8 --2 0 0 6 电气装置安装工程 电缆线路施工及验收 规范[ S ] 1 5 0 3 ， 图 S 0