光纤复合导线在输电线路施工关键技术的研究与应用

光纤复合导线在输电线路施工关键技术的研究与应用

国家电网公司冀北电力有限公司 杨 静 龚延兴 王 辉朱晓岭 刘亚新 王书渊 赵 盟 张吉飞 苏 斌 袁 翔

本文对110kV、220kV高压输电线光纤复合导线（OPPC）进行施工研究及应用，研发了具有自主知识产权的光纤复合导线、接头盒及相关金具。解决了大长度、大截面光纤复合导线制造、运输、施工等难题，实现了光纤复合导线在110kV与220kV输电线路挂网应用。

光纤复合导线；光纤光栅；输电线路；接头盒；金具

引言

光纤通信由于其容量大、保密性好、不易受电磁干扰等优点，被广泛应用于电力系统通信中，在要求越来越高的电力系统通信中发挥着重要的作用[1,2]。光纤复合导线（Optical phase conductor，以下简称OPPC）是在传统的导线结构中嵌入光纤单元的一种新型特种电力特种光缆。二十世纪80年代，在欧美国家首先出现OPPC的设计理念，目前OPPC技术在国外已经应用多年，但是将OPPC与光纤测温技术融合在一起并投入实际运行的技术至今未见到报道[3]。90年代初，国内就已经对OPPC的应用进行了关注和研究，并在10kV、35kV中压线路上得到应用[4,5]。本文是我国首次进行高压输电线路光纤复合导线、接头盒及金具的研发及应用，将先进的光纤通信、传感技术与输电技术进行高度融合和集成，研发由光纤、传感器、输电导线组成的光纤复合导线，解决了目前电力特种光缆OPGW及ADSS光缆遇到的电腐蚀、雷击、线损等问题，为智能电网的信息化、智能化、互动化提高通道和技术支撑。

1 光纤复合导线的结构及特点

1.1 光纤复合导线结构

光纤复合导线是具有传统架空导线和通信能力的导线，是在传统的导线结构中嵌入光纤单元的一种新型特种电力特种光缆，通常OPPC是将传统输电导线中的一根或多根钢丝用不锈钢管光单元进行替换，使钢管光单元与（铝包）钢线、铝（合金）线共同绞合[6]。

1.2 光纤复合导线特点

图1 光纤复合导线结构示意图

目前普遍采用的电力特种光缆主要有光纤复合架空地线OPGW和全介质自承式光缆ADSS[7]，OPPC扩大了电力通信媒介的选择余地，同时在某种程度上解决了OPGW光缆、ADSS光缆不能解决或难以解决的技术问题，具有如下技术特点:

1.2.1 OPPC技术是OPGW、ADSS技术的应用延伸和有益补充。

我国目前在110kV～500kV线路主干网广泛采用OPGW、ADSS进行通信，但对于一些难以选用OPGW、ADSS光缆的线路就需要考虑其它特种光缆，在10-35kV线路，因原线路没有架空地线，所以无法使用OPGW，使用OPPC更为适宜。OPPC就是OPGW、ADSS光缆的补充产品，可以实现传输电能与光纤通信的完美融合。

1.2.2 OPPC可有效避免OPGW雷击断股问题。

目前，由雷击导致的断股是OGPW光缆应用中的主要问题[8]，雷击导致OPGW光缆的断股，严重时内部光纤也会受到损害，这不但影响输电线路的可靠运行，甚至可能导致通信的中断。全国发生了几十起OPGW遭雷击断芯断股事故，2008年-2009年华北电网更换500kV万顺线与房保线的雷击断芯断股部分OPGW光缆，共花费工时等资金约400万元。

图2 预绞式T型接续条

图3 并联引流楔型线夹应用

1.2.3 OPPC可解决OPGW能量损耗问题。

目前OPGW光缆须采用逐基塔接地的方式，产生环流能量损耗问题，电压等级越高，损耗越严重。220kV输电线路地线百公里年电能损耗约为5-10万kWh,330 kV输电线路地线百公里年电能损耗约为60万kWh,500 kV输电线路地线百公里年电能损耗约为140万kWh。750 kV输电线路地线百公里年电能损耗约为218万kWh[9]。采用光纤复合导线，输电线路避雷线仍按原架空地线采用分段和开环等方法接地，可以减小避雷线上的电流，进而减小避雷线上电能损耗。

1.2.4 OPPC可解决ADSS电腐蚀问题。

目前，ADSS光缆应用中的主要障碍是电腐蚀现象[10]。处于强电场中的ADSS光缆与导线和大地之间的电容耦合，会在光缆表面产生一定的空间电位。空间电位导致接地漏电流并在光缆表面形成干燥带，当干燥带两端的电位足够高时就产生了放电，形成了干带电弧。电弧产生的热量会使光缆外护套松弛融化直至脱落，进而腐蚀芳纶纱，最后导致光缆的断裂。OPPC光纤与导线处于同一电位，不存在电腐蚀问题。

1.2.5 充分利用输电线路资源，非杆塔附加型产品，没有给原有杆塔或线路附加额外机械负荷，不会降低输电线路的安全性和可靠性。

1.2.6 具有良好的热稳定性，保证光通信不受影响。

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。

1.2.7 因OPPC导线与接头盒上均有高电压,有绝对的防盗优势。

1.2.8 因OPPC导线架设在导线高度，可解决ADSS因挂点低经常受外力损坏问题。

2 施工关键技术研究

光纤复合导线在工程中应用时，是将三相导线中的一相（或一根）更换为光纤复合导线光缆，使其即满足线路输电的要求，同时满足系统对通信信号的要求，涉及导线间的机械性能与电气性能的配合、光纤光栅成缆及余长控制、长期耐热性等关键技术[11]。

2.1 金具研制

光纤复合导线具有传输电能及光信号的双重功能，为避免光单元由于螺栓挤压而带来信号衰减，与OPPC相接触的金具部分采用两种结构：预绞式结构和新型并联引流线夹。预绞式结构金具解决了传统防振锤易滑移、耗能、频响特性差等问题；本课题还新研制了预绞式T型接续条，提供用于光纤复合相线与其他线缆T型接续的一种接续线夹，它是由两组螺旋状L型预绞丝组成，两组预绞丝主盘段用于盘绕于光纤复合相线的螺旋绞线外表面上，并且各自沿相反方向延伸，两组预绞丝另一端在T接处彼此与接入线缆螺旋嵌合，形成T型接续。然后使用第三组直线型预绞丝，盘绕在光纤复合相线外表面，并与前两组预绞丝的主盘绕段螺旋嵌合。这样需要接入的线缆很容易的与光纤复合相线进行了T接，从提高了施工效率和速度，降低了施工费用且免维护。这个T型接续线夹形成实用新型专利一个，ZL201020046768.X《用于光纤复合相线的T型接续线夹》如图2所示。研制了新型并联引流楔型线夹，由于OPPC接头盒连接跳线比较短，使用预绞式金具结构握力达不到要求，新型并联引流楔型线夹能够达到通流能力强、握紧力强，而又不伤害导线功能，解决了在短距离内不能使用预绞式金具的问题，如图3所示。

2.2 光纤复合导线施工关键技术研究

在施工过程中，由于光纤复合导线融合了普通导线和OPGW光缆两种线缆的特点，其放线、紧线附件安装、引流制作、光纤接续等工艺方法都与普通导线或OPGW光缆存在较大的不同，且对施工机具有特殊要求。施工中解决了大长度、大截面光纤复合导线运输、张力放线、弧垂控制、高空光纤熔接技术等施工难题，全面自主研究形成了工程设计、施工及现场验收规范等全套技术资料。

2.2.1 光纤复合导线需要在耐张塔上进行接续，220kV白鹿线在设计初期并未考虑应用光纤复合导线，耐张档距很大，出现了复合导线（400mm2导线）最大单轴导线长达5.8km，导线直径28mm，最大盘径2.5m，最大宽度1.6m，重量8.5吨，这给施工、运输带来很大困难。

2.2.2 由于光纤复合导线内含光纤，所选张力机轮径必须满足导线最小弯曲半径要求，同时满足放线过程中导线最大张力要求。在放线过程中，为防止牵引绳扭转损伤光纤，OPPC与牵引绳采用网套联接器方式连接，依次为牵引绳、旋转连接器、钢丝绳套、旋转连接器、网套连接器、OPPC导线，有效释放了牵引绳的扭力。

2.2.3 弧垂控制。由于光纤复合导线是按区段长度配置，目前中间无法接续，耐张线夹和悬垂线夹均是预绞丝型式，安装拆卸较困难。如弧垂超出偏差要求，返工非常困难，甚至无法返工，如弧垂负误差超出要求，而导线已经断线完毕，则可能造成整根导线或一个耐张段导线作废，因此应严格控制。

2.2.4 光纤复合导线在直通型耐张塔处没有接头，且引流线均是绕跳型式，直接使用本导线进行引流线长度及弧垂比量，工序复杂，难度较大。借鉴普通导线引流线比量法制作经验，本工程采用了“辅助导线比量法工艺”进行引流线制作，如图4所示。

2.2.5 高空光纤熔接。光纤复合导线光纤接头位置在跳线串正下方。因尾线长度较短，无法实现地面熔接操作，所以必须设置高空熔接平台，如图5所示。即利用杆塔横担为支撑，在其上铺设专用木板，形成一个熔接操作平台，熔接时先将两边跳线串线夹松开，再将接头盒及合成绝缘子吊放到横担平台上，熔接人员站在导线横担里进行操作。熔接完成后，将合成绝缘子提升至挂点处连接好，最后再将两边跳串线夹恢复连接。该方法与吊篮相比，安全可靠，能保证熔接工作稳定，且可容纳3-4人同时相互配合作业，很好的解决了高空熔接难题。

2009年6月和2010年8月采用具有光纤测温及通信功能光纤复合导线的110kV虹窝线、220kV白鹿线在华北电网顺利投产运行。按照国际标准并通过OTDR对通信光纤进行双向测试，110kV虹窝线电路平均衰减为：1310nm：0.352dB/km，1550nm：0.203dB/km；220kV白鹿线路平均衰减为：1310nm：0.34dB/km，1550nm：0.21dB/km。该光纤复合导线为深圳特发信息公司生产，光传输通道为供电公司营销、生产、财务、调度电话、自动化、MIS与公司本部ECM、EAM,ERP等重要业务提供了高可靠通道，线路投运后运行安全稳定，测温、监控及通信各项指标均达到设计指标，完全可以满足电力系统运行要求。

3.3 光纤光栅成缆及余长控制[12,13]

图4 引流线施工

图5 高空光纤熔接作业

测温OPPC光缆的制造工艺与普通OPPC制造工艺基本一致，不同点在于在OPPC的不锈钢管光单元中要加入特殊的经过制作成的光纤光栅，光纤光栅与普通光纤同时加工成光单元过程中，余长控制不是单一普通光纤的余长控制，两种光纤的应力变化差要求处理一致。对光纤复合导线来说，由于存在放线、过滑轮、紧线造成的结构伸长及运行过程中的温度升高产生的膨胀伸长及塑性变形产生的蠕变伸长，因此对光纤余长控制工艺要求非常严格，余长的控制要绝对保证以光纤光栅的余长来取值，设计的光纤复合导线光纤余长达到0.5～0.7%，以保证在70%额定拉力强度（RTS）时光纤不受力。经过试验验证，OPPC在40%RTS和60%RTS下均保持了良好的拉伸特性。线路实际运行拉力为16-25%RTS，极限拉力40%RTS。在输电线路覆冰状态下，一般厚度不大于缆径时光缆受力不会大于70%RTS，光纤不会受力。

3 进一步研发内容

目前使用的OPPC和OPGW带光纤的导地线都无法在线路的档中接续，均需要在耐张塔进行光纤和导线接续，这给将来运行带来很大困扰，一旦出现断线就需要更换整个耐张段导线，造成施工难度增加、费用加大。为此已研究发明了光纤导地线的直线接续方法和设备，可以在任何地点进行光纤复合导线接续，不久即将在现场中应用，这将大大增加了光纤复合导线的使用范围，减少事故检修的时间和费用。发明专利201010594823.3《光纤复合电力电缆直线接续方法和装置》，目前已经开展了光纤复合导线在500kV输电线路的研究与应用项目的前期工作。

4 结论

本文是我国首次进行高压输电线路光纤复合导线施工应用，将先进的光纤通信、传感技术与输电技术进行高度融合和集成，研发由光纤、传感器、输电导线组成的光纤复合导线，解决了目前电力特种光缆OPGW及ADSS光缆遇到的电腐蚀、雷击、线损等问题。研制了适用于高压输电线路的支柱式和悬挂式接头盒，解决了OPPC复合导线光纤的T接分光信号接入问题，实现了全线信息接入，为线路智能化管理奠定了基础。首次利用光纤光栅传感器测温实现了OPPC光缆实时温度在线监测功能，为输电线路状态监测、动态增容提供了新的技术手段。解决了大长度、大截面光纤复合导线制造、运输、施工等难题，在国内首次实现了光纤复合导线在110kV和220kV输电线路挂网应用，运行情况良好。

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