多不锈钢管OPGW 结构设计探究

富秋豪 邱 明 曹 欢 刘艺璇

（亨通国际产业集团）

0 引言

巴基斯坦作为当前世界第六人口大国，随着人口不断增加，该国电力消费量在近几年呈现出逐年增长的态势，目前巴基斯坦电力需求的年增速将达到4.1%左右，截止到2025年电力消费总量达到120890GW·h。但因能源短缺导致电力供应严重不足是目前巴基斯坦面临的很大问题，拉闸限电的情况时有发生，给企业的正常生产和人民的日常生活带来很大影响，严重制约了该国的经济增长［1］。巴基斯坦正在积极寻求双边和多边援助，建设高压线路，升级改造电网以此解决电力需求紧张的问题。而多不锈钢管OPGW 是其电网主要应用的产品结构，该结构目前在国内应用较少。随着国家“一带一路”战略的实施，中国走向世界的步伐加快，为加深中巴友谊解决该国电力危机并应对未来国内外OPGW 市场特殊结构的需求，多不锈钢管OPGW 结构的设计具有很高的研究价值［2-3］。

1 多不锈钢管结构

常规的铝包OPGW 光单元采用一根不锈钢管，管外包覆铝管结构。而多管结构光单元如图1所示，多采用三管、四管、六管与加强芯绞合后再进行包覆铝管形成OPGW 光单元［4］。下文将重点介绍生产难度较高的三管结构并以此进行探讨研究。

图1 多管结构光单元

2 三管不锈钢结构设计

光单元结构由中心加强件与多不锈钢管组成，考虑到轻质、环保、节能等方面要求，中心加强件我们通常选用纤维增强复合材料（Fibre Reinforced Polymer，FRP）材质。FRP是以树脂为基体材料，玻璃纤维为增强材料，按工艺比例混合后拉制而成的高性能复合材料，其在中心位置的作用是支撑光单元，并在一定程度上提高光单元的径向抗拉能力和抗弯曲性能［5］。

关于FRP尺寸的选用，首先根据各公司的工艺水平决定不锈钢管的尺寸，本文以24芯3管2.0mm不锈钢管为例。根据三管相切圆三角函数可以得出FRP直径D1，公式如下：

考虑到三管不锈钢结构的不稳定性（加强件直径小），若将中心加强件加粗，则外层光单元缝隙变大，从而导致光单元绞合过程中极易出现FRP错位跳出并断线、光单元压扁变形等现象。因此为了避免这类情况产生，我们通常根据理论值选用尺寸负偏差的FRP，即D1＝0.3mm，使不锈钢管绞合更紧密，不易出现错位现象。同时，绞合紧密增加了不锈钢管之间的受力面积，为避免受力不均导致不锈钢管局部过度受压而造成光纤衰减偏大现象，在绞制过程中应选用张力系统较好的主动放线设备。

3 三管不锈钢余长设计

众所周知，光单元余长是决定OPGW 电力光缆能否安全运行的重要因素，合理的余长设计可以保证电力光缆在架设过程中光纤不受力，保障其正常的通信传输。在设计过程中，余长的下限应充分考虑OPGW 在施工过程、气象温度、蠕变情况下产生的塑性及弹性形变伸长量［6］。

蠕变伸长量ε可根据产品蠕变曲线（如图2所示）得出，ε＝64.210t0.195＝0.646‰，设计时应考虑余量，故选取0.8‰。因温度变化和架设期间造成的伸长量，可根据产品的弹性模量及线性膨胀系数得出，具体设计参考量见表1。考虑到施工时会进行初伸长处理从而解决塑蠕伸长，因此OPGW 生产余长通常设计在5‰左右。

表1 工况伸长量

图2 蠕变曲线

3.1 不锈钢管管内余长

不锈钢管内光纤受纤膏保护，处于游离状态，其主要分布形式为［7］：

（1）所有光纤分布为束状；

（2）整个光纤束在管内沿内壁分布为SZ螺旋曲线以及正弦分布。

关于多根光纤束状分布，根据二维密堆积结构分析，可求出小圆密堆大圆（见表2）形成的等效圆之间的面积占比为0.75。

表2 小圆密堆大圆

根据面积占比为0.75，可以推导出多根光纤形成束状分布后的等效圆直径Ds，如公式（2）所示。

式中，Ds为等效圆直径；Df为着色光纤直径。

螺旋线产生余长分布如图3所示。

图3 光纤余长螺旋分布示意

光纤的弯曲半径与管内空间决定了不锈钢管内光纤最大余长，详见公式：

式中，D为不锈钢管径；h为不锈钢壁厚；Rmin为光纤最小弯曲半径；Rn为光纤束到中心的距离；L为光纤弯曲节距；S为光纤管内实际长度。

根据公式（4）、（5）即可推导出管内余长ε1：

以3管24芯光单元为例，设计为2.0-8B1不锈钢管，壁厚0.18mm，着色光纤尺寸0.255mm。G652光纤的弯曲半径Rmin＝55mm，根据以上参数代入公式（2）、（3）、（6），可得出ε1＝3.69‰。

3.2 光单元绞合结构余长

对于多管不锈钢绞合结构来说，除了管内余长外，还应考虑绞合结构余长ε2。此结构余长是由于当OPGW 在拉伸状态时，首先消耗管内光纤余长ε1并使光纤束向管内中心位置移动，之后由于绞合余长ε2的存在，有更大的余长拉伸空间，因此光纤束将向内侧移动（如图4所示），从而防止光纤受力产生附加衰减。这种结构余长的大小与光单元的节距与径向移动距离Rn有关，结构余长ε2的公式如式（8）所示。

图4 结构余长及移动示意图

根据公式可以看出，通过调整节距即节径比可以获得理想的结构余长，但是在节径比＜20的情况下，虽然获得的结构余长较大，但是工艺上对不锈钢管的焊缝要求高，容易造成扭坏。因此对于三管结构我们通常设计节径比为26左右，即L1＝60mm。光纤束在消耗一次余长后分布为不完全束状，因此计算结构余长时，等效直径Ds需考虑直径系数k＝1.2，代入公式（7）、（8），获得ε2＝3.45‰，则综合余长ε总＝ε1＋ε2＝7.14‰，满足OPGW 日常架设需求。

4 外层结构设计

三管不锈钢绞合后，应设计外包覆铝管以提高产品的抗测压能力、圆整度和电气性能。通过调整铝管厚度、单丝类型、单丝尺寸等设计手段来满足电力客户对OPGW 产品的电气性能和机械性能的要求。但是在单丝调整设计过程中，应充分考虑产品结构产生的缝隙大小。若缝隙过小，其外层单丝在绞合过程中易出现相互挤出现象从而使内层产生空隙。若设计缝隙过大则绞合不紧密，在高压情况下易产生电场集中，从而导致放电现象［8］。

为便于理解，假设各层圆线尺寸相等为Dx，则每层的材料根数为6n。另假设各层单丝横截面为正圆且未经过绞合，则各层的间隙为（2Dxπ－6Dx）×n。由间隙公式可以看出，绞合层数越多，外层的缝隙也越大。

为了避免各层缝隙过大，产品必须通过绞合方式即控制节径比参数使各单丝同时产生螺旋升角α，从而增加单丝的截面宽度，达到减少缝隙的目的（如图5所示）。在设计阶段我们定义各层单丝的截面宽度总和与该层节圆的周长比值为覆盖率ω，覆盖率ω越高，则绞合的缝隙越小，反之缝隙就越大。螺旋升角α、覆盖率ω的推导见公式（9）、（10）。

图5 螺旋升角示意图

然而节径比也不宜过小，因为生产阶段单丝线径会出现偏差，若缝隙过小，会导致生产过程中单丝挤出现象。

因此在设计阶段应考虑： （1）层数越多缝隙越大，各层的节径比应逐层递减，即绞线标准上规定的任何层节径比应不大于紧邻内层节径比。 （2）节径比不能过小，即各层的节径比不应小于10。综上两点因素，为满足产品紧密绞合工艺需求，设计内层节径比10～16，外层节径比10～12，同时覆盖率ω控制在95%～98%。

5 结束语

加强芯尺寸、光纤余长、结构缝隙是多管不锈钢OPGW结构设计阶段的关键考虑因素以及工艺衡量的重要指标。其中加强芯的尺寸决定了多管不锈钢工艺绞合质量；余长大小决定了OPGW 架设过程中的使用寿命以及通信质量；结构缝隙决定了产品的质量及后期使用安全。只有在设计阶段充分考虑产品质量的关键影响因素，才能提高产品性能，为未来国内外市场提供品质更优越的多管不锈钢OPGW。