周凝翠
［摘 要］介紹了4種電力系統(tǒng)專用的特殊光纜。其中，對無金屬自承式光纜(ADSS)和架空地線復合光纜(OPGW)的結構、特點、在工程應用中必須注意的問題，以及在不同工程中如何選擇光纜進行了詳細的論述，對光纖通信工程傳輸衰減設計也作了介紹。
［關鍵詞］光纜結構特點；工程應用探討；傳輸設計介紹
［中圖分類號］TN929．11 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1006-3986（1999）04-0037-04
Discussion on the Engineering Applications of Fiber-optic Communication In Electric Power System
ZHOU Ning-cui
（Hubei Electric Power Ccompany Hubei Wuhan 430077,China)
Abstract: Four kinds of special optical fiber used in electric power system are introduced.The structures and characterisitics of ADSS and OPGW,some problems in engineering application and how to choose optical fiber cable in different projects are discussed in details.The design on optical fiber transmission attenuation is also introduced.
Key words: Optical fiber cable’s structures and features；Engineering application；Design of transmission attenuation
電力系統(tǒng)有強大的電力網，遍布全國的城市和農村，借助于電力線路及桿塔建設光纖通信網是完全可行的。并且可以為發(fā)展電網自動化和新型繼電保護提供寬頻通道。目前，電力系統(tǒng)的城網和農網改造也為電力通信的發(fā)展帶來了極好的機遇，許多省、地(市)電力局和縣電力局都紛紛建設光纖電路，為實現寬帶綜合業(yè)務數字網(B-ISDN)做好充分準備。現就電力系統(tǒng)專用的幾種特殊光纜的特點、架設方式，城網改造中光纜選擇應用時必須注意的問題，及光纖的傳輸衰減設計等幾個方面作一探討。
1 電力系統(tǒng)專用的幾種特殊光纜
電力系統(tǒng)專用的特殊光纜有4種：無金屬捆綁式光纜(AD-Lash)、無金屬纏繞式光纜(GWWOP)、無金屬自撐式光纜(ADSS)、架空地線復合光纜(OPGW)。
無金屬捆綁式架空光纜(AD-Lash)和無金屬纏繞式光纜(GWWOP)是在電力線路上建設光纖通信網絡的一種既經濟又快捷的方式，它們用自動捆綁機和纏繞機將光纜捆綁和纏繞在地線或相線上。它們共同的優(yōu)點是：光纜重量輕、造價低、安裝迅速。在地線或10 kV/30 kV相線上可不停電安裝。它們共同的缺點是：由于都采用了有機合成材料做外護套，因此都不能承受線路短路時相線或地線上產生的高溫，都有外護套材料老化問題，施工時都需要專用機械，因此在電力系統(tǒng)中都未能得到廣泛的應用。
1．1 無金屬自承式架空光纜(ADSS)
1．1．1 ADSS光纜的種類
目前世界上ADSS光纜的結構主要有4種類型(見圖1)。
A型：中心束管式ADSS光纜；
B型：層絞式ADSS光纜；
C型：分布式增強型ADSS光纜；
D型：帶狀式ADSS光纜。
其中A型與B型在電力系統(tǒng)中應用較廣泛。
1．1．2 ADSS光纜的特點
采用了具有高彈性模量的高強度芳綸紗作為抗張元件。芳綸紗彈性模量高、重量輕、具有負膨脹系數、有防彈能力。同時光纜幾何尺寸小，纜重僅為普通光纜的三分之一，可直接架掛在電力桿塔的適當位置上，對桿塔增加的額外負荷很小；
外護套經過中性離子化浸漬處理，使光纜具有極強的抗電腐蝕能力；
光纜采用無金屬材料，絕緣性能好，能避免雷擊，電力線出故障時，不會影響光纜的正常運行；
利用現有電力桿塔，可以不停電施工，與電力線同桿架設，可降低工程造價；
運行溫度范圍寬：－40～＋70℃；
使用跨距范圍：50～1200m。
1．1．3 使用ADSS光纜需注意的特殊問題
在電力系統(tǒng)中采用ADSS光纜具有很多優(yōu)越性，但是根據ADSS光纜多年運行經驗和研究發(fā)現，在光纜設計時，除考慮光纜掛點的電場強度，桿塔受力等問題外，還應考慮采取措施減少下述2個因素對ADSS光纜造成的損害。
（1）“干帶電荷”放電現象：光纜在空氣污染和雨水作用下表面會形成污層，在不均勻電場中會產生泄漏電流并加熱污層。由于污層沿表面分布不均勻，污層被泄漏電流加熱也不平衡。在電流密度最大且污層最薄的地方，水分迅速蒸發(fā)、變干，電阻增大，沿表面電壓分布會隨之改變，大部分電壓降落在該部分，結果這部分將出現火花放電通道，形成放電電弧。如泄漏電流進一步增大，電弧將逐步拉長而發(fā)展成沿光纜表面的閃絡，使光纜外護套燒傷、炭化，進而損壞光纜。在光纜靠近桿塔的連接處，電場電壓分布變化最大，由于重力和弧垂的作用也使該處污層分布最不均勻，因此是放電最容易發(fā)生的部位。
（2）導線“鞭擊”現象：在風力的作用下導線會產生擺動而碰擊光纜，由于光纜表面有污層、潮濕等，在導線接觸光纜表面污層介質時，會產生放電而灼傷光纜表面，嚴重時可導致光纜燒損。
1．1．4 ADSS光纜工程設計需考慮的問題
（1）選擇電場強度較小處（≤25kV）作為光纜掛點。工程設計時應將線路資料(線路電壓等級、線路回數、導線布列、桿塔結構、路由參數、導線參數等)，線路環(huán)境資料(大氣溫度范圍、最大風速、復冰厚度、污染程度等)及光纖芯數等告知光纜生產廠家，以便光纜生產廠家根據桿塔結構做出空間電勢分布圖，提出光纜在桿塔上的最佳掛點。
（2）根據光纜所處電場強度選擇光纜外護套材料。當空間電勢≤12kV時，光纜外護套采用黑色高密度聚乙烯外護套(HDPE)，此情況一般出現在110 kV及以下線路。當空間電勢在12～25 kV時，光纜外護套采用黑色高密度抗電痕外護套(AT)，此情況一般出現在110 kV以上線路。
（3）在污染較重的地區(qū)，需對光纜進行特殊處理，減少表面污層形成。路由選擇時應盡量避開鹽霧污染區(qū)。
（4）根據導線和光纜的溫度特性及運行條件，合理確定光纜掛點及弧垂，盡量避免發(fā)生導線“鞭擊”光纜現象。同時還要考慮ADSS光纜與其他建筑物、樹木和電力線路的最小垂直距離及交叉跨越距離，各種情況的安全距離要求如下：
對居民區(qū) ＞6m
對非居民區(qū) ＞5．5m
跨越房屋屋頂時 ＞1m
跨越樹木的樹頂時 ＞1．5m
對通信線交叉跨越距離 ＞1m
對公路交叉跨越距離 ＞6m
最大風偏時對建筑物的距離 ＞1m
對10 kV電力線交叉跨越距離 ＞2m
對35 kV電力線交叉跨越距離 ＞3m
對低壓線交叉跨越距離 ＞1m
對鐵路交叉跨越距離 ＞7．5m
對航船桅桿頂距離 ＞1m
（5）為了安裝及維護方便，通過配盤一定要使ADSS光纜的接頭位置落在耐張塔上。
1．2 架空地線復合光纜(OPGW)
1．2．1 OPGW光纜的種類
OPGW光纜是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式，它具有2種功能，其一是作為輸電線路的防雷線，對輸電導線抗雷閃放電提供屏蔽保護；其二是通過復合在地線中的光纖，作為傳送光信號的介質，可以傳送音頻、視頻、數據和各種控制信號，組建多路寬帶通信網。OPGW光纜的鎧裝層是起屏蔽和防雷作用的元件，它既是短路電流的直接承受者也為纜芯提供保護作用。鎧裝層是根據地線的電氣要求和機械特性，由鋁合金線、鍍鋅鋼絞線和高強度的鋁包鋼線配合組成的，鋁線提供導電性能，鋼線提供所需的機械特性。為了適應不同的工程需要，OPGW光纜的鎧裝層又分為單層、雙層及3層等3種結構。
1．2．2 OPGW光纜的特點
光纜鎧裝層有很好的機械強度特性，因此，光纖能得到最好的保護(不受磨損、不受拉伸的應力、不受側向壓力)，在根本上保證了光纖不受外力損害；
光纜鎧裝層有很好的抗雷閃放電性能和短路電流過載能力，因此，在雷電和短路電流過載的情況下，光纖仍可正常運行；
OPGW光纜，可直接作為架空地線安裝在任意跨距的電力桿塔的地線掛點上；
特殊設計的OPGW光纜可直接替換原有高壓線路的架空地線，不用更換原有塔頭；
與高壓線路同步建設光纜通信系統(tǒng)，可節(jié)省光纜施工費用，降低通信工程造價；
纜徑小，重量輕，不會給鐵塔帶來大額外荷載；
運行溫度－40～＋70℃。
1．2．3 選擇使用OPGW光纜應注意的問題
（1）合理選擇光纖外護套。光纖外護套有3種管材：塑料管(有機合成材料)、鋁管、鋼管。塑料管造價低。為滿足塑料管護套對紫外線的防護要求，最少要使用兩層鎧裝。塑料管OPGW承受短路電流引起的短時溫升能力＜180℃；鋁管造價較低。由于鋁材阻抗小，因此能加大OPGW鎧裝層承受短路電流的能力。鋁管OPGW承受短路電流引起短時溫升能力＜300℃；不銹鋼管造價高。但是由于鋼管的管壁薄，在相同截面條件下裝入不銹鋼管的光纖芯數比塑料管和鋁管都要多，因此在多芯條件下單位光芯造價并不高。鋼管OPGW承受短時溫升的能力可達450℃。用戶可根據工程具體情況，合理選擇光纖外護套。（2）當用OPGW光纜更換老線路地線時，必須選擇與原有架空地線的機械特性和電氣特性相當的OPGW。即OPGW的外徑、單位長度重量、極限拉力、彈性模量、線膨脹系數、短路電流等參數與現有地線參數相接近，這樣既可以不改變現有的塔頭，減少改造工程量，又可以保證OPGW與現有相導線的安全距離，確保電力系統(tǒng)安全運行。
（3）安裝施工OPGW光纜與安裝ADSS光纜差不多，使用的金具也幾乎一樣，只是掛點不一樣，OPGW光纜要安裝在架空地線的位置上。光纜線路的中間接頭位置必須通過配盤落在耐張鐵塔上。在以上幾種光纜的選擇應用中，還需要共同注意的一點是：選擇松套結構光纜，不要選用緊套結構光纜。因為光纖在松套管內可以留有一定的余長，控制范圍在0．0％～1．0％之間(典型數值為0．5％～0．7％）。當光纜在施工時，或在重力和風力的作用下而發(fā)生拉伸時，只要光纜的拉伸長度在余長范圍內，光纖則具有應變能力而不承受張力，從而保證光纖的傳輸質量不受外力影響。
2 光纜工程應用選擇
對于高壓電網的光纖通信應將電網自動化、繼電保護以及管理信息系統(tǒng)所需要的各類數據、圖像和語音通道作統(tǒng)一規(guī)劃，綜合利用，并爭取與郵電、交通或其他系統(tǒng)取得聯(lián)系，可提供部分通道給其他系統(tǒng)使用，對重要通道作互為備用，以提高通道的可靠性和投資效益。當組建一個光纖通信網時，不能一味強調使用新技術、新光纜、特殊光纜，要根據工程的實際情況來選用不同類型的光纜。光纖網上有許多節(jié)點(即光纜開口點)，這些節(jié)點可以是供電局、電廠、分局、重要變電站等等。選型時要考慮在節(jié)點與節(jié)點之間有甚麼電壓等級的線路，一般跨距是多少，是否有特殊地段，如污染嚴重的地段，冰雪嚴重的地段，跨江、跨河、跨山澗的大跨距地段；還要考慮安裝維護是否方便，經濟承受能力如何，這些都是需要綜合考慮的問題。現將不同類型的光纜在甚麼工程情況下應用，作一簡單介紹(見表1)。
表1 光纜工程應用表
類型
適宜工程
安裝維護
備 注
OPGW
替代新建或正在改造的110～500kV線路工程的地線；
替代大跨距(跨江、跨河、跨山澗)高壓線路的地線。
安裝維護方便；須停電施工。
光纜不受外力破壞；
光纜使用壽命長；
價格稍貴。
ADSS
可在新老35～220kV線路塔上加掛；中、大跨距電路(200～1 200m)。
安裝方便；
維護不方便；
可帶電施工。
在110～220 kV線路塔上加掛時，須考慮場強分布、弧垂(安全距離)等因素，選擇最佳掛點；
在35 kV線路塔上加掛時，不考慮場強分布，只考慮安全距離；
冰雪嚴重地段(復冰10 mm及以上)不能用；價格適中；
AD-Lash
捆綁在架空地線或≤35kV的相線上。
安裝非常方便、迅速；維護不方便；
可帶電施工。
國內尚未應用；租用捆綁機很貴。
GWWOP
纏繞在架空地線或相線上。
安裝非常方便、迅速；維護不方便；
可帶電施工。
國內已有少量應用；租用纏繞機很貴。
普通光纜
加掛在10～35kV線路桿塔上。
安裝非常方便、迅速；維護非常方便。
國內已普遍應用；價格便宜。
3 光纖的傳輸衰減設計［1］
設計光纖通信系統(tǒng)時，必須充分考慮所用光纖的衰減、帶寬、以及接頭連接損耗，它們都是影響傳輸性能的最重要的參數。本文只介紹單模光纖和多模光纖的衰減設計。
光纜系統(tǒng)的衰減(aK），與光纜長度(L)、光纖衰減系數(aF)和n個接頭損耗(aSP)有關。光纜系統(tǒng)的衰減(aK）計算公式如下：
aK＝LaF＋naSP （1）
式中 aK——光纜系統(tǒng)的衰減，dB；
L——光纜長度，km；
aF——光纖衰減系數，dB/km；
aSP——接頭損耗，dB(取值：固定接頭0．1～0．2 活接頭1～2）。
由于光纜系統(tǒng)要長期運行，因此，設計時必須考慮預留一定的余量來補償維修時增加接頭的需要。衰減預留量(aRes)取決于本地條件和系統(tǒng)的重要性，一般取值為：0．1～0．4 dB/km。
對一個中繼段而言，中繼段的衰減值(aR）由下式求得：
aR＝aK＋aResL （2）
式中 aR——中繼段衰減值，dB；
aRes——衰減預留量，dB/km；
L——中繼段距離，km。
在一個中繼段內，通常盡可能選用長光纜來減少由于接頭引起的損耗。同時，也要選用光纖衰減系數（aF）合適的光纖，以便在線路中間不加光中繼器，從而減少工程投資。
作者單位：周凝翠 湖北省電力公司 湖北 武漢 430077
參考文獻：
［1］(德)Gunther Mahlke and Peter Gossing著，胡先志等譯，光纜(Fiber Optic Cables)，［M］
