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关于光电复合光缆的详细介绍资料

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光纤复合架空相线(OPPC)技术介绍资料

一、概述

20世纪80年代,在欧美国家首先出现OPPC的设计理念,并尝试将OPPC用于150kV 以下的输电线路中。但OPPC的工程应用需要“光电分离”的关键技术,当时瓷瓶绝缘子技术限制了用以实现光电分离的OPPC绝缘接头盒开发不尽如人意。直到21世纪初硅橡胶复合绝缘子接头盒成功开发,从而大大促进了OPPC光缆在欧美等国的推广应用。目前在欧洲OPPC已应用于400kV、225kV线路,仅法国、德国就已应用6000 多公里,法国还计划到2009年架设15000km 的OPPC线路。

我国目前在110kV~500kV线路主干网广泛采用OPGW、ADSS进行通信,110kV以下高压电网、中低压配电网主要采用ADSS、普通光缆、载波等通信方式。对于一些难以选用OPGW、ADSS光缆的线路,如:1)10kV、35kV、66kV等中高压输电线路本身无地线,无法架设OPGW;2)架设ADSS存在对地安全距离不足、杆塔强度不够等限制;3)采用普通光缆存在被偷盗和维护的难题,载波通信受气候、地形的限制;因此这些线路的光纤化通信就需要考虑其它复合光缆,OPPC就是OPGW、ADSS光缆的补充产品。在我国现行电网中,输电线路电流一般都采用三相电力系统传输,如果用OPPC替代三相中的一相,形成由两根导线和一根OPPC组合而成的三相电力系统,不需要另外架设通信就可以解决这类电网的自动化、调度、保护等问题,并可大大提高传输的质量和速度。

二、OPPC技术特点

OPPC全称为光纤复合架空相线,是将光纤单元复合在相线中、具有电力架空相线和通信能力双重功能的电力特种光缆。将传统输电导线中的一根或多根钢丝替换为不锈钢管光单元,使钢管光单元与(铝包)钢线、铝(合金) 线共同绞合形成OPPC,用OPPC替代三相导线中的某一相导线,形成由两根导线和一根OPPC组合而成的三相电力系统,实现通电和通信双重功能融合。

光单元由多根光纤和保护管组成。光纤收容保护在不锈钢松套管中,管内填充特种油膏,以起到防水、防潮气或其他有害气体、隔热的作用。导线单元是传输电能的关键部件,一般由铝包钢芯绞线和铝线,一方面导线截面选择要合理,以保证线路有良好的电压传输质量和发热条件;另一方面,它又起到承力作用,还要具备足够的机械强度,使OPPC受到外力作用时光单元的传输性能不受影响。

OPPC结构型式下图所示:

OPPC具有如下技术特点:

(1)实现传输电能与光纤通信的完美融合。OPPC既是一条符合常规输电线路设计的架空导线,同时还是一条提供信号传输的光缆。OPPC机械特性、电气特性和光纤传输特性同等重要。

(2)充分利用输电线路走廊资源实现光通信。若输电线路无设计地线,或地线太小难以复合进光纤,就无法采用OPGW光缆;而输电线路对地安全距离受限、对导线安全间距不足,也难以采用ADSS光缆;若采用另外敷设杆路架设普通光缆,存在偷盗和维护不便的缺陷。因此,采用OPPC技术可充分利用现有输电走廊资源。

(3)没有给原有线路附加额外负荷带来的隐患。OPPC在性能设计和实际运行中,是与相邻另两相导线相匹配,属于复合型产品,不是杆塔附加型产品,其对杆塔的水平荷载及垂直荷载均无增加或明显变化,不会损伤原有输电线路的运行条件。

(4)良好的耐腐蚀性可提高OPPC的使用寿命。目前我国常规输电导线采用钢芯铝绞线(LGJ)或铝包钢芯铝绞线(JL/LB),而OPPC产品设计时都是采用铝包钢线、钢管光单元、铝线绞合而成,结构近似于铝包钢芯铝绞线。由于铝包钢线较之镀锌钢丝的良好耐电化学腐蚀,因此使用寿命大大延长。而且铝包钢芯较镀锌钢丝具有更高的导电率,OPPC整体电阻率减小,可以提高载流量,具有一定的节能效果。

(5)具有良好的热稳定性,保证光通信不受影响。我国输电导线设计长期使用温度为70℃,短期为90℃。而光纤长期使用温度可为100℃,光纤油膏、缆膏的滴点均大于200℃,铝包钢线、铝线的120℃高温热稳定性也很好,因此,传输电能和光纤通信均不受影响。

(6)不存在雷击断股、短路电流过热的事故隐患。OPPC作为输电导线,中低电压等级线路遭受雷击和短路电流可能性较小,超高压线路有地线保护,因此,OPPC不会出现OPGW容易出现的断股等事故隐患。

三、OPPC光缆与OPGW、ADSS光缆的比较

1、技术特点

(1)ADSS光缆

全介质自承式光缆ADSS,是伴随着高强度高模量非金属材料(芳纶)和电腐蚀护套材料的开发成功而产生,作为一种杆塔添加型光缆,利用现有的输电杆塔为110kV及以下等级线路新建线路或老线路光纤通信建设、快速建网提供光缆通道。

(2)OPGW光缆

光纤复合架空地线OPGW,是将光单元复合在常规架空地线中,将传统地线中的一根或多根钢丝替换为不锈钢管光单元,具有普通地线和通信光缆双重功能的电力特种光缆,是电力系统的主要通信和保护手段。目前国内在110kV~1000kV输电线路广泛采用OPGW光缆,技术成熟。

(3)OPPC光缆

光纤复合架空相线OPPC,是将光单元复合在常规架空相线中,将传统输电导线中的一根或多根钢丝替换为不锈钢管光单元,具有电力架空相线和通信能力双重功能的新型电力特种光缆。用OPPC替代三相导线中的某一相导线,形成由两根导线和一根OPPC组合而成的三相电力系统,实现通电和通信双重功能融合,可为中低电压输电线路及城网、农网通信改造、建设配网自动化提供光纤通道。

2、OPPC技术优势

(1)与“导线+ADSS”解决方案比较

10kV、35kV线路一般没有架空地线,无法沿线路架设OPGW光缆复合地线,通常会考虑在导线下架设ADSS 光缆。

因旧线路的对地高度,以及跨越公路,铁路,江河等自然环境的影响下,都需要对杆塔的高度,场强的分布进行设计。但是由于导线本身对地面距离按常规设计也已选定,过去立杆塔没有考虑日后要挂ADSS,所以会出现ADSS对地安全距离不够,尤其在跨越、交叉的情况下无法满足光缆对地距离要求,这样就会出现挂点距离偏高、造成ADSS腐蚀烧毁事故的情况,因ADSS 的电腐蚀问题断纤、断缆之困扰,国内已发生的多处长距离ADSS腐蚀烧毁事故,教训惨痛。

ADSS 光缆的架设给原有线路增加了重量、拉力,附加了额外线路负荷,给线路带来了潜在的隐患。与ADSS 相比,OPPC作为三相导线中的一相导线,没有给原有线路附加额外线路负荷带来的隐患,也没有因场强的作用而导致光缆遭遇电腐蚀或引发的毁缆、断纤等事故。同时由于OPPC与接头盒上均有高电压,还具有绝对的防盗优势。因此OPPC解决方案比“导线+ADSS”解决方案具有更高的可靠性。

(2)与“导线+OPGW”解决方案比较

用OPGW代替一根传统地线,实现输电线路的光纤化,该技术已经在国内现有高压输电线路上成功应用多年。但是在部分旧110kV线路改造中,需要拆掉一根旧的普通地线,换上一根新的OPGW光缆复合地线。为了使新换的OPGW光缆复合地线与原来地线匹配,需要收集很多杆塔资料,并且要做验算,塔头地线挂点还要做补强处理,这就要增加很多设计量和施工量。而且在施工中为了保持新地线与原导线的线间距离,就要增加塔头的拉力,才能达到原有地线和导线的线间距离,这无形中就降低了原线路杆塔的安全性。

再有老旧线路因地线本身规格太小(GJ-35、GJ-50),给复合光纤成为OPGW增加了很大的难度,并且只能采用小规格的OPGW,会存在雷击断股(高雷暴日地区)、短路电流过热等小规格OPGW易发生的运行缺陷和隐患。

而对于35kV线路,一般没有架空地线或者只有线路进出段有地线,无法架设OPGW光缆。

OPPC作为其中一相导线,充分利用现有输电线路资源,没有给原有线路附加额外负荷,同时OPPC因为光纤复合在相线内,没有地线上落雷引发的OPGW 断股、断纤的严重事故。

四、OPPC线路设计内容

(一)OPPC光缆

OPPC作为三相导线中的一相,为了与相邻导线的弧垂张力特性保持一致,OPPC的直径、重量、截面和机械特性等参数应尽量与相邻导线的参数相符;与此同时,OPPC的直流电阻也应与相邻导线相似,以避免远端电压变化并保持三相平衡。

下面以LGJ-95/20导线为例,设计相匹配的OPPC结构参数:

OPPC及配合导线


OPPC-24B1-90/20

LGJ-95/20

最大光纤芯数

Nos

24

直径

mm

14.00

13.87

截面积

mm2

110.28

113.96

单位重量

kg/km

402

408.9

抗拉强度

kN

37.0

37.20

20℃直流电阻

Ω/km

0.2966

0.3019

载流量(40-70℃)

A

264

261

(二)OPPC配套金具接头盒

OPPC直接安装在高压系统中,其安装的金具和附件(如耐张线夹,悬垂线夹和终端接头盒)需绝缘,线夹可用于相应的绝缘耐张串或绝缘悬垂串,光电绝缘(分离)和连接则需要特殊的技术,对施工的要求也比较高。

OPPC光缆金具附件包括预绞丝耐张金具、预绞丝悬垂金具、防振锤和接头盒。

1、金具

OPPC采用预绞式金具通过线路杆塔上原有绝缘子串将光缆安装在杆塔上。与传统电力金具相比,预绞式金具安装简单、可靠,无应力集中点,耐腐蚀、重量轻、电晕小、磁损小,更可增加导线的刚度,加强导线的抗振能力,同时减少在线夹出口处导线的附加弯曲应力,具有握力大、免维护优点。

(1)耐张金具设计

耐张线夹是架设OPPC的关键金具,它不仅要将光缆紧固在杆塔上,承受较大的张力,同时对光缆具有较大的握着力,且又不能超过光缆的侧压强度。

OPPC耐张金具采用双层预绞丝耐张金具,每个杆塔配两套耐张金具,构架终端配一套耐张金具。

(2)悬垂金具的设计:

悬垂预绞丝线夹是用来将OPPC光缆吊挂在杆塔上,起支撑作用,与通常输配电线路的悬垂线夹作用相似,每个直线塔配一套。

金具与杆塔绝缘子串相连接,连接示意图如下:

耐张杆塔和直线杆塔金具安装示意图

2、接头盒

OPPC接头盒是整个解决方案中的技术关键,也是技术难点。OPPC接头盒需要组合设计复合绝缘子,实现光纤接续和光电分离。

OPPC通过接头盒在耐张杆塔上将OPPC连接起来。OPPC接续涉及到光纤接续和光电分离技术,对接续的技术、高压绝缘都有严格的要求,是整个工程中最为重要的部分。

OPPC接头盒与OPGW、ADSS有很大不同,需要组合设计或安装绝缘子。OPPC接头盒既具备一般接头盒的性能,也具备光纤熔接和不影响通电的性能。一般在耐张塔安装用于连接OPPC,需安装组合绝缘子。

OPPC接头盒按用途分成中间接头盒和终端接头盒。

(1)OPPC中间接头盒

在线路耐张杆塔上选取适当位置(C相),设计一个固定台架,安装OPPC中间接头盒,做好接头并密闭接头盒,再用带有并沟线夹的电力跳线跨接接头盒两端的OPPC,保证导线的连通。

中间接头盒及安装示意图

(2)OPPC终端接头盒

OPPC终端接头盒在线路起始两端的变电站构架安装,连接OPPC和导引光缆,OPPC终端接头盒采用“高压隔离绝缘”技术和海缆接头盒的密封及光缆固定技术,在杆塔上一次性光纤熔接接续,并采用座式固定结构安装。

OPPC终端接头盒安装示意图

五、线路选用OPPC条件

理论上OPPC可应用于各种电压等级线路,但在我国110kV~1000kV主干网电力系统通信中,OPGW、ADSS已经得到了成熟应用,建议OPPC主要用于一些难以选用OPGW、ADSS光缆的10kV、35kV和某些66kV、110kV线路:

(1)10kV、35kV和某些66kV线路本身无地线或非全线路有地线,无法架设OPGW;

(2)某些110kV老线路,收集线路资料和验算杆塔承受能力有难度,难以改造塔头或改造代价过大;

(3)线路对地安全距离不足、无法解决交叉跨越、杆塔强度不够、经常改道等限制架设ADSS;

(4)采用普通光缆存在被偷盗和维护的难题,而载波通信又受气候、地形的限制。

六、线路选用OPPC费用构成概算比较

某35kV单回路输电线路,使用LGJ-185/45导线,架设普通地线GJ-50、架设OPGW、架设ADSS、架设OPPC的四个方案,比较直接投资成本:

是否

有地线

方案

产品型号

线缆价格

(万元/km)

金具价格

(万元/km)

施工费

(万元/km)

总价格

(万元/km)

成本比较

有地线

方案1

LGJ-185/45

1.5

0.45

A

3.43+2A

采用OPGW比OPPC节省13%

OPGW-24B1-50

1.2

0.28

A

方案2

OPPC-24B1-185/45

2.74

0.69

A

3.93 +2A

GJ-50

0.3

0.2

A

无地线

方案3

LGJ-185/45

1.8

0.45

A

3.93 +2A

采用OPPC比ADSS节省19%,一次施工费

ADSS-24B1

1. 4

0.28

A

方案4

OPPC-24B1-185/45

2.74

0.69

A

3.19 +A

从上表比较可以看出:

①若线路有地线,架设OPGW成本更低,但OPGW匹配设计、施工难度大;

②若线路无地线,架设OPPC优于ADSS。

七、OPPC优势

(一)提供OPPC系统解决方案

1)在2007年成功开发OPPC光缆的同时,同步开发成功绝缘接头盒、配套金具;

2)提供OPPC系统解决方案,OPPC光缆、接头盒、配套金具进行配合型式试验,并成功配套实际工程应用。

(二)OPPC产能及产业链优势

1)拥有光纤、铝包钢线、铝合金、铝线、金具、接头盒等完备产业链,以及分布全国的售后服务服务网络;

2)拥有6条进口钢管光单元生产线,13条笼绞和2条管绞生产线,超过百套检测设备;

3)作为国内唯一既能生产光缆又能生产导线的专业厂家,在导线制造和特种光缆领域具有较强的技术、供货能力和市场影响力,具有良好的品牌和用户形象,确保了中天OPPC的供货周期、质量保证和技术进步。

(三)OPPC通过权威检测及鉴定

1)OPPC、配套金具及接头盒经国网北京电力建设研究院等权威机构进行型式试验,各项性能指标均符合国家有关标准及企业标准的技术规定;

2)2008年5月17日中天OPPC光缆、配套金具和接头盒成功通过中国电力企业联合会组织的产品技术鉴定,专家认为产品总体上达到国际先进水平。

3)已为江西、海南、宁夏、河南、贵州、黑龙江110kV、35kV和10kV线路累计供货OPPC光缆超过400km,并独家中标西藏高海拔地区农网OPPC通信线路。

八、结束语

未来建成的通信网络将要求具有良好的扩展性、灵活性、可靠性,能给话音信号、远动信号以及继电保护提供传输通道,同时也可以实现数据业务的传输。随着城乡中低压电网改造和建设,旧电网更新,新电网大量建立,电力调度显得更为重要,因此对电力通信提出了更高的要求,以前的载波通信等通信方式已很难满足更高的通信要求。光纤通信以光导纤维为传输媒质、光波为载波的光纤信道,具有损耗低、频带宽、高速、安全等诸多其他通信方式所不具备的优点,将被广泛应用。

在我国光纤通信网络建设的这些年,有很多ADSS 光缆发生电腐蚀现象和OPGW 光缆遭雷击断股断芯的事故,以及常有光缆接头盒经常被盗的事件发生,这给电网运行带来很大的危害和社会经济损失。部分中低压电网的线路没有架地线,无法架设OPGW 光缆,交叉跨越太多也给采用ADSS 光缆带来一定难度。采用OPPC新技术解决了电力特种光缆遭遇电腐蚀、遭雷击、被偷盗的弊端,也解决了没地线架ADSS 光缆带来的跨越交叉距离问题,而且更重要的是给将来中低压电网自动化提供了线路光纤通信通道。

OPPC光缆是一种新型的电力特种光缆,它的应用在国内属于刚刚起步阶段,但是OPPC解决了载波通信、OPGW 光缆和ADSS 光缆在中低压电网中无法解决的问题,很好地实现了中低压电网的通信问题。观念的创新、技术的创新与进步对电网的安全、经济、稳定运行有很重要的、不可替代的作用,相信随着电网的发展,OPPC光缆这种新技术将会在全省得到广泛的推广,为电网的调度、电网自动化控制、商业化运营以及实现电力企业的现代化管理服务。

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