OPGW光缆结构设计

河南机电高等专科学校毕业论文1铝管式OPGW光缆结构设计摘要：光纤复合架空接地线OPGW是近几年在电线电缆行业崛起的一种高科技产品，从光纤单元的保护管的种类上区分OPGW有铝管式和不锈钢管式两种，本文主要介绍铝管式OPGW的结构设计、生产工艺、质量控制、及上述两OPGW的性能比较。关键词：OPGW铝管式结构设计性能比较生产工艺不锈钢管式AlpipeOPGWstructuraldesignAbstract:Opticalfibercompositeoverheadgroundwire(OPGW)isonekindofhighandnewscienceandtechnologyproductinrecentyears，OPGWhassuchtwokindsasaluminum-tubetypeandstainlesssteel-tubetype,dividedAccordingtofiberunitsprotectivetube，ThearticlemainlyintroducesThestructuraldesign,productiontechniqueandqualitycontrolofthealuminum-tubetypeOPGW,Andcomparisoninperformancesbetweentheabove–mentionedtwoOPGW.Keywords:OPGW，structuraldesign，aluminum-tubetype，stainlesssteel-tubetype，performancescomparison，productiontechnique。河南机电高等专科学校毕业论文2第一章引言光纤复合架空地线OPGW在我国已有20多年的应用历史，但一直处于徘徊冷落的状态，在近几年才渐渐的被大量采用，目前，电力系统提出来三纵四横的输电主干线及500kv输电线路上使用OPGW的决策。可能会使我国的市场热起来。OPGW结构多样，但光纤单元的结构总的来说有两种----铝管式和不锈钢管式结构。二者孰优孰劣，众说纷纭。OPGW兼具有地线和光缆的双重功能。它结构简单可靠，可以与现有的地线相匹配，被安装在电力架空线杆的顶部，无须考虑最佳挂点与电腐蚀因素。OPGW光缆作为输电线路的屏蔽线和防雷线，为电力线抗雷击放电提供保护。在输电线路发生短路时起屏蔽作用，并减小短路电流对电网的相互干扰，同时，通过复合在地线中的光纤，可传递音频、视频、数据和各种控制信号，进行多路宽带通信。随着经济的发展，科技的进步，一切与之相关的设施和技术水平也在提高,这决定着它更大的利用价值。由于工作环境的特殊性，光纤单元结构除考虑阻水之外，还须高度重视震动疲劳、蠕变及雷击问题。它的结构简单，可以与现有地线相匹配，被安装在架空杆塔顶部无须考虑最佳挂点与电磁腐蚀等因素。再加上现代工艺成熟，OPGW在我国将得到一定的推广和发展，具资料显示，每年OPGW年用量在1.5万公里以上，从发展的形势上看，还将得到一定的提高。第二章OPGW的结构特点第一节不锈钢管式OPGW不锈钢管式OPGW光缆采用不锈钢管式层绞式结构，着色光纤套入密封无缝钢管中，管内填充阻水化合物，将含有光纤的不锈钢管同铝包钢线绞合成缆芯，缆芯外再绞合一层铝包钢线或铝合金线，这种OPGW光缆因具有简单的结构，高的抗拉强度和特殊的短路电流统计等特点，而适用于各种新建电力线路和已建电力线路的改建，该产品的主要特点有：①采用先进的不锈钢管生产技术，管内充满阻水化合物以有效地保护光纤。②通过不锈钢管内光纤余长和成缆绞合节距的优化设计，使光缆中的光纤获得二次余长，以保证OPGW光缆在受到最大运行张力时光纤不受力。③结构紧凑性好，既降低了冰荷和风荷，又确定了在短路情况下产生的热量易散去。河南机电高等专科学校毕业论文3④OPGW光缆的外径和拉力单重比与常用地线规格相近，可以用来直接替换原有地线而不须更换铁塔。⑤由于与传统架空地线基本一致，因而OPGW光缆的架设非常方便。第二节铝管式OPGW光缆铝管式OPGW光缆缆芯采用层绞式结构，多根光纤松套管成缆后包敷一层无缝铝管作为光纤金属保护管，金属保护管外再绞合一层或多层铝包钢或铝合金线，该产品除具备不锈钢管式OPGW光缆的优点外，同时具备以下优点：①无缝铝管质地均匀，与整个地线铝包钢线的材质协调一致，无电化学腐蚀之虑。②由于整个地线的材质及结构均匀一致，所以耐疲劳性能较好。第三节两者的性能比较不锈钢光纤松套管通常由0.2mm厚的不锈纲带纵包焊接而成，对于贯穿整个OPGW的大长度焊缝很难做到百分之百完好一致，万一有一处漏焊或焊不牢，就会给整个OPGW的使用带来致命的伤害，而铝管经连续挤制而成，无缝结构与不锈钢管式OPGW相比它有如下优点：（一）抗腐蚀性能好除光单元外，整个地线的其他材质由铝包钢线或铝合金线构成。与不锈钢材质不同，它们绞合在一起会发生电化学反应，尤其是贯穿于整根地线的焊缝更是耐腐蚀的薄弱环节，解决的方法是在成缆时涂抹防腐油膏，但是这会带来施工中的防腐油膏清理不干净影响地线接地效果的新问题。（二）耐振动疲劳特性好由于OPGW其工作环境的特殊性，振动疲劳是影响架空地线寿命的重要因素，振动疲劳的起因是应力集中，构件材质和结构尺寸的不均匀则是产生应力集中的根源。焊缝是容易产生应力集中的区域，焊缝的缺陷则必然会产生应力集中，从而成为振动疲劳的起点。而铝管式OPGW材质均匀一致，所以耐振动疲劳性能好。（三）短路电流对光纤的影响小不锈钢光纤单元通常没有塑料内护套，（假如有内护套，存在内护套与不锈河南机电高等专科学校毕业论文4钢粘接不好及两者材料的热膨胀系数相差太大，且管径变小进而影响光纤余长等更大的缺陷。）光纤直接放在不锈钢管内，管里面只有光纤和纤膏，隔热效果不好；而铝管式OPGW中的光纤在PBT松套管内，成缆后缆芯外绕包一层隔热材料。这种结构隔热较好，对光纤的保护也更加完善。（四）不锈钢管式的余长难控制“单层不锈钢管”的光纤单元：在单层不锈钢管光纤单元中，光纤的余长难以控制。其原因是大直径不锈钢管在冷拔过程中将大量消耗光纤余长，使光纤的余长难以达到指定的范围。这一问题在国外各家进口的光纤单元中已有多次事件发生。光纤的余长时长时短，对光缆的整体光纤余长带来问题，具体反映在光缆的光纤损耗直线上升。相比之下，铝管结构也有它的缺点即管壁厚，与相同外径的不锈钢管比较，管内光纤的根数较小。存在这一缺点可以由OPGW整体设计来弥补。第三章电缆行业标准和技术要求第一节行业标准本标准对光纤复合架空地线OPGW的产品型号、结构、技术要求、特性参数以及其他。根据电缆行业标准引用以下文件：GB/T1179-1999圆线同心绞架空导线GB/T7421.1-1998通信用单模光纤系列GB/T17048-1997架空单线用硬铝线GB/T17937-1999电工用铝包钢线YD/T839.3-2000通信电缆光缆用填充和涂覆复合物YD/T1115.1-2000通信电缆光缆用阻水材料IEC60794-4-1-1999用于高压架空电力线光缆IEC61312-1-1995抗雷击波冲击的保护IEEEStd1138-1994用于公用电力线路的光纤复合架空地线IEEE标准。第二节技术要求（一）OPGW中的单模光纤特性参数河南机电高等专科学校毕业论文5OPGW中的单模光纤特性参数如表1所示：表1单模光纤的特性参数序号技术参数名称规范值几何特性1模场直径(在1310nm下)9.30±0.50μm2模场不圆度6%3包层直径125.0±2.0μm4包层不圆度≤2.0%5模场/包层同心度偏差≤1.0μm6涂层直径245.0±10μm7包层/涂层同心度偏差≤12.5μm光学特性1运行波长1310nm或1550nm2衰减：1310nm1550nm0.37dB/km0.25dB/km3零色散波长1300nm～1320nm4色散：1285～1330nm1270～1340nm3.5Ps/(nm·km)6.0Ps/(nm·km)5零色散斜率0.092Ps/(nm·km)6光纤截止波长－2m样品1190nm～1310nm环境特性1使用温度范围－30℃～＋80℃2衰减－温度关系≤0.05dB/km3加速老化（70℃）的诱导衰减≤0.05dB/km对光纤，一般推荐采用单模光纤，并有较多芯数，为保持光纤长期工作可靠性，需进行光纤的强度筛选。同时制造时保证合理的光纤余长，以满足线路运行中的光纤最小应力要求。考虑到因短路或雷击引起的短时温升，对光纤的耐热性能有较高要求，对光纤涂覆材料和护套材料进行优化选择。（二）OPGW的机械特性①OPGW对地线应具有兼容性，即OPGW外径、重量和机械特性与原有地线相配合以保证在风荷、冰荷情况下安全可靠运行。②保证OPGW具有较高的机械强度，使在允许的张力范围内，光纤不会因OPGW河南机电高等专科学校毕业论文6的伸长而受拉，影响寿命，增大损耗。③具有良好的热稳定性。（三）规程要求线路要求规定电线的强度设计安全系数不小于2.5；电线的平均应力（年平均气温状态下）的上限不超过拉断力的25%；防雷要求，在档距中央导地线间的距离，应大于或等于0.012倍档距加1米的间隙，此状态为大气过电压或雷电过电压：气温为15℃、无风、无冰。以导地线配合公式得到的应力为已知条件，解状态方程求出控制状态下地线最大使用应力；年平均运行应力。对照OPGW强度选择型号。OPGW应经得起不小于90%RTS的拉力而无任何的断裂。OPGW在承受40%RTS拉力时，光纤无应变，也无附加衰减。在承受60%RTS拉力时，光纤的应变应小于0.25db/km，附加衰减小于0.05db/km。第四章结构设计第一节光单元结构的确定（一）光纤单元由标准选用B1.1类单模光纤，8根光纤分成四对进行二次被覆。其颜色均用：红、白表示，松套管的全色谱识辨的优先顺序为：红、绿、白1、白2。（二）松套管（PBT）PBT为脂类聚合物，有脂类高聚物的特性，PBT材料有良好的耐溶剂性、耐油性、耐化学腐蚀性等优点且与光纤填充油膏和光缆填充油膏有很好的相容性。在工艺上，PBT是连续挤制，这就决定它有着良好的机械性能。在本设计中，由光纤的芯数（2芯）确定其内径和外径分别为d1=1.60mm，d2=2.00mm，采用四根松套管层绞。（三）中心加强件中心加强件可以是金属材料也可以是非金属材料。在设计中，由于松套管的直径较小，根数也少，由其理论值来定。由节距配合，中心加强件与松套管直径比为：0.414：1。而工艺上，中心加强件的最小直径为1.00mm，所以在绞合时就河南机电高等专科学校毕业论文7会产生间隙。在选材时，我们选择非金属材料FRP，它与松套有较好的附着力，不使其移动，起到保护的作用。其材料也有较好的机械性能，又能减轻OPGW的整体重量。（四）隔热层（玻璃丝带）在OPGW的设计制造中，温升对光单元的影响特别大，这也是铝管式的一大缺点，所以在设计时，特别注重对光单元的保护。采用玻璃丝带，其耐热性好、机械强度大、热传递性能差等优点，用在OPGW中起到有效的隔热作用，特别是铝管挤制时的影响。在本设计中，其结构尺寸为宽×厚=25×0.2mm，采用绕包结构，绕包时有一定的搭盖面积，取其有效厚度t=4×0.2×0.7=0.56mm。由以上几点可确定其缆芯直径D=2×d2+t+1=5.56mm。第二节光纤余长分析“层绞缆芯+铝管”的光纤单元：由于“层绞缆芯+铝管”的光纤单元采用二次被覆松套结构，因此光纤余长的控制比较容易并且余长分布也比较稳定，这一点大家都很了解，此光纤单元的结构与层绞式普通光缆的光纤单元结构是一致的。光纤余长直接影响光纤的应变量，从而影响光纤的传输性能，铝管内的缆芯采用层绞式结构，所以光缆余长包括结构余长和松套管余长两个方面。本设计采用此结构，也是为更好的控制光纤余长，在工艺上也能较好的控制。（一）松套管余长据工艺特点，有单牵引和双牵引，具体影响因素有：放纤张力；前后段冷却水的水温差；生产线的生产速度；阻水油膏的温度和填充压力；双牵引装置的还包括履带和