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北极星电力网技术频道 作者:汪立峰，胡维维 2000/9/27 0:00:00
摘要：文章对OPGW结构进行一般性介绍，讨论了各种结构的特点，着重分析OPGW具体设计过程中应该注意的事项，以及如何确定相关参数。 2OPGW的结构特点
关键词：OPGW；结构；设计；选择
1 概述
PGW光纤复合架空地线。是集通信光纤与架空输电线路避雷线于一体的地线，既要满足光纤通信的技术要求，也要满足作为地线所必备的一切特性要求，包括机械强度、电气性能。由于这种地线是将光纤内置于绞线中，架设于高压输电线路的顶端，因此具有安全可靠，无电磁感应，免维护等优点。国外自70年代末开始就逐步在架空输电线路中得到应用，而且使用量越来越大，据不完全统计，在全世界至今已使用OPGW达数10万km。我省近期建设的500 kV输电线路工程基本上也都采用了OPGW。
尽管如此，在我国输电线路采用OPGW仍然属于新生事物。而且，工程中OPGW的采用涉及到线路、通信两个专业，各自的侧重面不同，考虑问题的角度也不一样，有必要对设计过程中的主要原则进行讨论。另一方面，目前世界上生产OPGW的厂商近20家，结构差别比较大，采用的标准也不一致，因此需要研究一下我们关心的指标，线路设计过程中如何考虑与铁塔、另一根地线的匹配问题等。
通常，OPGW结构涉及光纤单元结构和外绞层结构。
2．1光纤单元结构
合理的光纤单元结构应使整根OPGW在任何运行、安装状况下光纤受力较小。因此光纤单元结构需考虑必要的机械保护结构防止光纤受挤压，适当的光纤余长减少光纤受力，以及采取防潮、耐热措施。
从光纤单元结构中光纤布置松紧程度不同分为缓冲紧套结构与松套结构。
2．1．1缓冲紧套结构
缓冲紧套结构的基本理论依据：紧套光纤束一般在伸长2％的情况下光纤可能被拉断（单根光纤伸长1％后拉断）。然而，实际运行中的裸地线最大伸长才千分之几的数量级。因此，采用这种结构的厂商认为光纤允许的伸长远大于地线的实际伸长，光纤衰耗等指标可以满足工程要求。最典型的紧套结构是采用纵向具有多个直凹槽或螺旋凹槽的铝骨架，凹槽供光纤单元放置，典型结构见图1的TYPEA。早期日本厂商多推荐采用这种结构。
缓冲紧套结构特点：
2）紧缓冲结构对光纤提供保护加大抗微弯曲的能力。
3）由于具有金属分隔定位槽，因而具有高抗挤压能力。据实测抗外力破坏强度骨架型为200 kg／cm；松套铝管型90 kg／cm。
4）同松套结构相比，单位价格要高10％左右。
可见，这种结构的主要优点是抗外荷载的能力比较强，适合使用条件恶劣的工程采用。例如我省的500 kV天瓶线、金温线、绍金线工程均采用了该结构。
2．1．2松套结构
松套结构的基本理论依据：置于由不同材料制造的保护管中的光纤通过填充物稠密程度的调整，或不同的结构形式来处理光纤余长。在OPGW中的光纤实际长度大于地线在受张情况下的长度，因此能够做到光纤不受力或受力很小。松套结构是欧美国家大力推崇的形式。结构外形详见图1。
松套结构形式分中心光纤式与层绞式两种。中心光纤式是将光纤置于OPGW的中间，典型形式有：束管层绞式（Type B）、中心束套管式（TypeC）、中心铝管式（Type D）等；层绞式（Type E）是将光单元结构外径同绞线单丝外径一致，光纤套管通常采用不锈管，可以根据光纤数量的多少调整光单元数量。松套结构除了中心和层绞形式外还有一种骨架式松套结构：大槽径螺旋铝骨架式（Type F）和螺松套管（SpiralSpace Unit）式（TypeG）。
综合比较松套结构中的几种形式，由于束管层绞式一般将六根小的光单元缠绕在中心加强件上，再外套铝管，在铝管与光单元之间又布置有一隔热层，保护光纤的手段比较多，因此在欧洲国家约占60％的OPGW采用了这种光单元结构。不锈管层绞式结构是近年来广泛采用的结构，具有结构紧凑简单、允许放置的光纤数量比较多，但不锈管直径小，壁薄难以采取有效的隔热措施，因此光单元内光纤余长处理工艺要求非常高。另一方面，不锈钢与外绞铝丝之间存在着电腐蚀，这也是其一个缺点，对此，据说日本某些厂商正在研究不锈钢管表面镀铝技术。
2．2外绞结构
OPGW外绞结构要求既能满足传统架空地线的要求，又能起到保护光纤单元的目的。因此一方面要求要求OPGW外径、重量和机械特性与输电线路另一根地线相近，另一方面要求比普通地线更高的机械强度，使OPGW伸长时光纤受力最小。除了机械方面，OPGW外绞结构还需满足电气性能要求，符合设计要求的热容量，因此外绞结构要有合适的铝钢比。
从外绞结构的制造材料来看，不外乎铝合金丝或铝包钢丝。根据不同的用户要求和热容量要求，有单层与多层结构，有单独铝合金丝或铝包钢丝绞层，也有铝合金丝与铝包钢丝混绞层。
为了更有效地保护光纤，日本某些厂商采用了梯形铝包钢，但这种单丝铝层包覆工艺要求高，成本贵，相对而言竞争力比较弱。
3 OPGW选择需考虑的主要问题
3．1光单元结构
缓冲紧套结构与松套管结构各有利弊，只有通过试验能够达到性能要求，而且满足使用要求就应该认为是合理的。但工程条件不同侧重面应该有所不同，例如工程条件恶劣，外荷载大，公路运输条件差等，首先应考虑安全问题，往往应该侧重于OPGW的抗外力破坏强度；当工程条件良好，线路长度长，当然希望尽量采用光损耗小的结构。
3．2绞层结构
工程设计中绞层结构主要关心外层绞向、层数、单丝直径、成缆外径、重量、外层结构等。
根据我国裸线生产标准，外层绞向应采用右手绞向，所以OPGW也应该与之一致，便于附件匹配。理论上讲，中心光纤式光单元结构外绞一层绞线能够符合保护光单元的要求，同样层绞式结构外必须还有一层绞线，但计算层数时，前者算一层结构，后者除了中心单丝至少两层。因此，在选择OPGW层数时应明确是指光单元外的绞线层数。
为
了更好地保护光单元，要求两层或多层保护层，结果往往直径超过要求值，单丝太细，带来抗雷击水平下降的问题，一般而言，外层单丝直径不应小于2．0 mm。
有时为了给施工单位施工带来方便，要求OPGW的外层全部采用铝合金材料，这主要是考虑到某些施工条件恶劣的环境下，即使采用张力放线，也难免OPGW滑伤。如果外层有铝包钢丝，补修比较困难。
从方便线路设计角度，OPGW的外径、重量应同另一根地线基本一致，但应该注意到，当光纤数量变化较大时，OPGW的外径是有所不同的。因此，在铁塔条件可能的情况下应该对OPGW直径与重量有一定的允许余度范围。
OPGW的机械强度主要有：UTS、允许最大使用张力、年平均运行张力。允许最大使用张力的确定即同普通地线匹配的有关系，又同塔头强度有关。一般要求UTS与允许最大使用张力的比值大于导线的安全系数。年平均运行张力的限制主要是提高OPGW的防振性能，一般控制在20％UTS以下。
3．4电气性能要求
OPGW的主要电气性能要求满足热容量。一种OPGW结构允许的热容量直接同光单元结构与绞层铝截面有关。但应该认识到OPGW价格与铝截面、热容量互成正比。有时在招标过程中，表面上厂商提供的产品外径超标，实际上是规定结构热容量满足不了要求。因此在产品选择时一方面应尽可能选择隔热性能好的结构，另一方面从线路设计角度，应该降低短路电流数值。
3．5光纤性能与数量
光纤性能应满足ITU－T标准。一般推荐单模光纤，因为单模光纤衰减小，频带宽，能提供较大的系统传输容量，满足大跨越和长距离传输。光纤需要关心的主要参数有波长为1288～1339nm（统称1330窗口）和1525～1575 nm（统称1550窗口）的光衰耗、最大色散系数、零色散波长、截止波长等。
目前系统内大量采用的是G652光纤，而邮电部门大量采用的是G655光纤，前者容量和大致价格为2．5 G比特，5美分／m；后者为10 G比特，12美分／m，性能价格比后者更好。总体而言，采用的OPGW中光纤的数量有不断增加的趋势，90年代初期我国一般采用6～8芯光纤，目前已经增加到72芯，我省金温、瓶南Ⅱ线、杭兰线就是例子。随着多媒体技术的应用及电力通信线推向市场，对OPGW光纤数量将不断增加。因此在光纤数量增加的同时适当考虑采用性能价格比更优越的G655光纤是合适的。
OPGW价格与光纤数量的关系同OPGW结构有较大的联系。以6根小光单元组成的束管层绞结构（Type B）为例，如果每根光单元可以安装8根光纤，则采用1～8根、9～16根、17～24根、25～36根、37～42根、43～48根。光纤增加的费用除了风险费用外，主要由光纤本身价格构成，OPGW价格与光纤数量是一条平缓的斜线，只有当OPGW结构作根本改变时，OPGW价格才发生阶跃。我省采用的OPGW由绍金线的16芯到金温线的48芯，价格由6700 USD／km才增加到7350 USD／km。因此在确定了结构后，应尽可能地增加光纤数量。
3．6大跨越工程需考虑的一些问题
由于大跨越工程档距大，塔高，施工困难等特点，除了以上内容外还需考虑下面几方面因素：
1）防振方案必须单独设计，一般由供货方提出防振方案的防振水平，由业主进行工程实测，考核其防振水平。
2）悬挂点应力满足规程要求。OPGW的机械强度要求应比普遍线路高。
3）如果采用松套管，应采取防止余长集中到档距中央的措施。
3．7 OPGW选择应注意的事项
在OPGW参数确定过程中应该避免出现矛盾，过细的指标要求不利于投标商设计优质的产品。例如如果规定了OPGW外径、重量、机械强度，甚至绞线结构，又提出很高的热容量要求，很有可能投标商设计不出合适的产品。因此，在招标文件中应该提出最关心的指标。就铁塔而言，只需规定OPGW外径、重量、最大使用张力允许的范围，其他指标让投标商去设计。
OPGW段长有可能跨耐张段，在耐张塔上OPGW应采用耐张串。除了端头是耐张塔，在OPGW两端的直线塔上可以将塔头进行加强。OPGW设计成耐张形式，其主要优点是施工方便；也可以在直线塔上金具串设计成悬垂耐张型，其优点是弧垂匹配方便，实际耐张段可以同另一根地线一样，统一安全系数。目前，省内采用OPGW的工程，都采用直线塔上做耐张的前一种方法。
OPGW盘长的确定需考虑线长、两端挂点沿铁塔到接线盒安装位置的线长、一定量的裕度（一般10～15 m）。如果考虑在地面接续光纤，还需考虑接线盒到地面的线长。
4．2弧垂匹配
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