光纤复合架空相线在中低压架空输电线路中应用

王春江

(上海电缆研究所，上海200093)

1 光通信在电力系统中应用的概况

由于光纤通信具有传输容量大、损耗低、速率高、无电磁干扰，以及通信光缆重量轻、外径小等优点，在上世纪70年代中期起逐渐代替了以铜导体为线芯的传统通信电缆。光通信在传统的公用通信网络中广泛应用的同时，也逐渐开始应用于电力系统专用通信网络中。在早期的电力系统专用通信网络中，大多采用同杆架设的普通型架空光缆。由于国外尤其日本开发了一种将光纤和架空地线组合成一体的新型光纤复合架空地线(OPGW)，既可作为地线，又可作为光纤通信，具有双重的功能，节省了很多原材料，又避免了因同杆架设架空光缆而重复一次施工，降低了投资成本，具有良好的技术和经济效益。因此，我国电力部门在上世纪70年底开始先后引进了多根国外的OPGW产品并建立多条输电线路，上海电缆研究所也立项进行了研究。我国上世纪90年代初进一步改革开放，大量引进了国外先进制造技术和设备，或吸收外资共同研发，使我国OPGW生产技术和产品质量有了突飞猛进。目前可以说，我国OPGW产品品种、规格和性能已接近或达到国外先进水平，并在我国架空输电线路中获得广泛应用。

尽管OPGW获得广泛应用，但不能完全替代架空光缆。在某些特定条件还需要下列产品，例如架空输电线路施工规程的规定:110 kV及以上高压架空线路在全长的架空线上必须架设地线，进行全长的防雷保护，这称为全线保护;35 kV及以下中低压架空输电线路只需在进入变电所(站)之前部分长度上架设地线，进行局部保护，这称为进线保护。因为瞬时的雷电压或短路过电压产生的电压行波将会沿着架空输电线路传播并逐渐衰减变小。中低压架空输电线路输送电压相对于高压线路而言较低，在一个短段距离内会逐渐衰减，不危及变电所(站)内设备和人身安全，所以只需要局部的进线保护，反之，110 kV及以上高压线路必须全线保护。总之，OPGW通常应用于110 kV及以上架空线路，而35 kV及以下中低压线路仍需采用架空光缆。

然而，通过多年实践发现普通型架空光缆用于电力系统同杆架设存在两大问题:(1)普通架空光缆含有金属材料，即受力构件采用高强度钢绞线，护套铠装层采用轻型钢带或薄层皱纹钢管，或采用铝塑综合护层。因此，在外磁场作用下，尤其是当架空输电线路遭雷击或发生短路故障时，瞬时的雷电流和短路过电流产生的强磁场将在含金属的架空光缆中产生很高的感应电压，危及人身安全，损坏相关的光/电设备，这是不允许的。(2)由于架空光缆和架空输电线同杆架设，当线路发生电晕时将损伤电缆塑料护套，使护套表面发生电腐蚀，影响了使用寿命。因此，电力系统用的架空光缆应采用一种称为全介质自承式光缆(ADSS)。它是以非金属材料芳纶作为光缆的受力构件，特种耐电腐蚀黑色聚乙烯作为护套材料。这种新型的产品代替原来的普通型架空光缆。

科学技术进步是发展生产力的原动力，这是千真万确的。在上述技术进步的同时，欧美各国科技人员从开发OPGW得到启示，提出一种把光纤与架空相(导)线组合在一起，制造成光纤复合架空相线(Opticalphase Conductor，简称 OPPC)代替 ADSS。这样既可省去了ADSS购置费用，又可省去一次施工费用，并可提高产品使用性能和使用寿命，具有很高的社会效益和经济效益。这就是本文论述的主题，下面将对OPCC设计制造若干问题、技术优点、经济效益分析和应用时注意的事项等问题进行详细论述。

2 OPPC设计和制造若干问题的讨论

2.1 OPPC的结构设计

图1为光纤复合架空相线(OPPC)的设计理念。从图中可知，它的设计理念是将传统的架空导线中心的受力构件中一根或多根钢线由不锈钢管的光单元替代，然后与多根铝包钢线绞合并构成中心加强芯，外层再绞合两层绞向相反的铝(或铝合金)线，构成导电基体，实现输电和通信的双重功能。如果将其与OPGW比较的话，两者共同点都是绞合了一个光单元;不同的是前者绞合于架空导线中，具有导线和通信双重功能，后者绞合于架空地线中，具有地线和通信的双重功能。因此，这两者制造工艺及设备没有大的区别，凡能创造OPGW的企业均可生产OPPC。

图1 OPPC结构设计的理念

2.2 OPPC的光单元

OPPC光单元设计包含材料选择和结构设计两个方面。这问题提出使笔者联想到上海电缆研究所承担的“全国产光纤复合架空地线(OPGW)”新产品的研究过程，认为有必要将笔者在这研究过程中设计思路作一简略介绍，这对于电线电缆产品研发或许有所参考或启示。

上世纪80年代初，我国刚处于改革开放的初期，国内外汇储备不很充足，更主要是受到一种片面强调立足国内，自力更生、独立自主技术路线的影响。因此，要求我们必须全部采用或开发国产原材料及制造设备，研制全国产化的科技产品，这是可以理解的，但现在看来是值得研究和讨论。

通常，每一项研究项目提出和确立其首要工作是查阅和分析国内外相关文献和专利，并对国内的现状进行调研，编写产品研究的可行性报告，提出技术和经济合理、符合我国国情的技术路线和技术方案。通过查阅和分析国外文献后，认为当时日本在研究和生产OPGW领域中，无论产品性能、产品制造和应用技术均处于较领先地位。但是，无论是日本古河、住友公司，还是藤仓公司都提出OPGW中光单元必须采用耐高温和高强度光纤。当时我国仅有少数几家光纤制造厂引进了国外光纤生产流水线，并且刚起步生产常规的光纤产品。因此，要在短期内研制出耐高温、高强度光纤是不可能的。这就成为本课题实施的最大障碍，有人断言采用国产光纤研制OPGW是不可能实现的。我们带着这两大问题进行深入调研和分析。

通过对全国主要的各大地区电力设计研究院调研，使我们对我国架空输电线的现状有了深入了解。架空输电线的使用温度有以下几方面考虑:(1)环境温度;(2)运行时导线长期工作温度;(3)雷击时瞬时雷电流引起的温升;(4)短路故障时瞬时短路电流引起的温升。由于我国架空输电线路设计主要参照原苏联设计规范(与欧美系统是一致的)，导线运行温度规定为不大于70℃。因此，架空地线的温度即使在温度最高的炎热夏天和最强日照条件，充其量也不会大于70℃。

日本国土面积较小，人口密集，工业发达，主要能源是电力，所以架空输电线路密布全国，并且绝大多数采用耐高温、高强度铝合金导线，进行高电压、大电流、大容量输电，导线的长期工作温度允许达到150℃。因此，选用耐高温光纤或许有一定的原因，但对我国运行温度为70℃架空输电线而言不一定采用。

关于高强度光纤的选用，应该说，因架线施工及运行条件，架空地线中光纤受力情况确实高于埋地、隧道和管道敷设的通信光缆。例如大长度的架空导(地)线是在放线张力保持一定的条件下，通过机械绞盘机的拉力，并经数个导滑轮架设在杆塔上，因此需要承受一定的张力。一旦架线完毕后，架空导地线悬挂在较大跨度的两个杆塔之间处于张力状态，并要长期经受风吹雨淋等外力作用，尤其一旦发生瞬时雷电流和短路电流将会引起线路热膨胀伸长，以及长期塑性形变的蠕变伸长等，这些综合因素都会对光纤受力条件提出了更高的要求。当我们正为这问题反复思考和举棋不定时，恰好有几个欧美国家OPGW制造商也来沪与上海电缆研究所进行技术交流，笔者借机提出了上述两大问题。

外国专家起初表示非常惊讶，然后说明根本不必考虑这两大问题。首先，当时生产的常规光纤完全可承受70℃工作温度，以及瞬时雷电流和短路电流引起的温升。其次，只要采用适当的绞合结构提供适当余长，即使架空地线受力时，光纤基本上不受力，所以不必采用高强光纤。经大量试验和应用，已验证了这个论点是正确和可行的。根据这启示，在上世纪80年中期，我所采用国产的常规光纤，选用适当的绞合结构及制造工艺，使光纤具有适当余长，成功研制了第一根全国产的OPGW，并架设于宝鸡某110 kV架空线路，进行试运行。

由上述分析可知，用于35 kV及以下光纤复合架空导线(OPPC)光单元中光纤同样可根据其使用条件和环境，适当选用符合要求的普通型光纤。但在光纤绞合结构设计及光单元制造工艺中应使光纤有适当的余长。

另外，上述也很好地说明，在查阅国外技术资料和文献时，必须认真分析研究，根据我国实际情况，吸收正确的技术观点，选择正确、经济和合理的技术方案和技术路线，这是至关重要的。

2.3 OPPC的金具和附件

电线电缆产品必须与相应的金具和附件配套后才能应用于线路工程，因此在研究线缆产品的同时，也必须对配套的金具和附件进行研究，否则即使有了新型的线缆产品也无法应用于实际的工程中。例如，早在上世纪80年代初，欧美国家就提出了光纤复合架空相线(OPPC)的设计理念。但是，OPPC的应用必须解决接头附件“光电分离”的关键技术，限于传统的瓷瓶绝缘子的技术，阻碍了新型的光电分离接头盒的开发。直到21世纪初，复合绝缘子接头盒研发成功后，才大大促进了OPPC在欧美各国广泛应用。可喜的是，由于我国实行进一步改革开放政策，自2006年以来，我国线缆制造商能及时吸收引进这种国外先进技术，研发出国产的OPPC产品及配套的金具和附件(复合绝缘子接头盒)，开始在35 kV及以下中低压架空输电线路中应用，并取得了一定的运行经验。

3 OPPC技术优点及经济效益的分析

OPPC开发的目的主要是用于35 kV及以下中低压架空线路，取代全介质自承式光缆(ADSS)。因此，以下主要是以ADSS为参照进行分析比较。

(1)OPPC可作为架空相线架设，既输送电能，又作光纤通信使用，不需要另外架设ADSS，就可实现变电所(站)之间的通电和通信。

(2)与普通架空光缆或ADSS相比，OPPC为全金属结构，提高了耐腐蚀性，延长了使用寿命。

(3)OPPC作为35 kV及以下中低压架空相线，运行时具有较高的电压，防盗优势明显，预留备用的OPPC及接头盒等附件被盗现象将减少。

(4)普通架空光缆或ADSS通常采用与输电线同杆架设，这将给杆塔增加额外的机械载荷，对杆塔的安全可靠性有影响，采用OPPC后就不存在这种缺陷。

(5)原35 kV及以下中低压架空线路的杆塔高度是按常规传统设计，并未考虑事后要增设ADSS等光缆，而当ADSS同杆架设既要考虑其与导线之间保持一定的安全距离，又要考虑ADSS对地的安全距离，给设计带来了困难，使用OPPC后这些问题可迎刃而解。

(6)采用OPPC后，既可省去了ADSS等光缆的购置费用，又可省去了一次同杆架设的施工费用，具有显著的经济效益。例如，某电力设计部门曾对某工程10 kV单回路输电线路设计采用以下三种技术方案:方案1，采用 LGJ-70导线，同杆架设 ADSS-12B1;方案2，采用OPPC-12B1-70;方案3，采用LGJ-70导线，同杆架设普通型光缆GYTA-12B1，然后对这三种技术方案进行了比较(见表1)。

表1 三种技术方案直接投资成本的比较(单位:万元/km)

从表1可知，方案2采用OPPC直接投资成本的总费用最低，是一种最佳的选择方案。

4 应用中需要注意的若干问题

(1)OPPC作为三相传输系统中的一相，须与相邻相(导)线张力弧垂特性保持一致，直径、重量、截面积和机械特性等参数应尽量与相邻相线的参数相符;与此同时，OPPC的直流电阻也应与相邻相线相近，以避免远端电压变化，从而能保持三相平衡。因此，OPPC的各种参数要接近另两相导线，这是OPPC的技术关键。

(2)OPPC光单元中光纤应有一定的余长，以保证架设和运行中光纤均不受到拉应力的作用。对OPPC来说，施工中存在放线、过滑轮、紧线等造成的结构伸长，运行过程中温度升高产生的热膨胀伸长，以及塑性变形产生的蠕变伸长，所以对光纤余长的要求很严格。此外，光单元应具有良好的机械保护，保持光纤不受挤压;为防止潮气侵入而影响光纤的使用寿命，因此，光纤应置于密闭的管中，或采取其他有效的防潮措施。

(3)OPPC作为三相导线中一相，需传导三相系统中恒定的工作电流，具有一定的持续温度，所以OPPC必须具有良好的热稳定性，保证光通信不受影响。

(4)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接续是整个工程中最为重要的部分。OPPC接续涉及到光纤接续和光电分离技术，对接续的技术和高压绝缘都有严格的要求，一般由专业的光纤接续人员进行操作。

5 结束语

随着我国架空输电线路及光通信在电力系统中获得了不断地发展，新型的光纤复合架空相线(OPPC)已在35 kV及以下中低压架空输电线中获得应用。与现有成熟的技术方案相比较，OPPC技术方案在安全性和可靠性有了很大提高，同时还能节约成本，具有广阔的应用前景，因此是35 kV及以下中低压架空输电线路中实现光通信的最佳选择。

［1］张逸群，金会军，张金光.OPPC光纤复合相线的应用与探讨［J］.电气技术，2009(9):80-82.

［2］陈 希，戚力彦，刘汉新，等.OPPC在电网中的应用研究和实验技术［J］.电力系统通信，2009(7):5-8.

［3］张新林.关于OPPC应用的探讨［J］.电力系统通信，2004(8):46-48.