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        光纜技術 TECHNOLOGY

        光纖復合架空相線(OPPC)技術介紹資料

        發布時間: 2014年03月20日 09:37
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        光纖復合架空相線(OPPC)技術介紹資料

        一、概述

        20世紀80年代,在歐美國家首先出現OPPC的設計理念,并嘗試將OPPC用于150kV 以下的輸電線路中。但OPPC的工程應用需要“光電分離”的關鍵技術,當時瓷瓶絕緣子技術限制了用以實現光電分離的OPPC絕緣接頭盒開發不盡如人意。直到21世紀初硅橡膠復合絕緣子接頭盒成功開發,從而大大促進了OPPC光纜在歐美等國的推廣應用。目前在歐洲OPPC已應用于400kV、225kV線路,僅法國、德國就已應用6000 多公里,法國還計劃到2009年架設15000km 的OPPC線路。

        我國目前在110kV~500kV線路主干網廣泛采用OPGW、ADSS進行通信,110kV以下高壓電網、中低壓配電網主要采用ADSS、普通光纜、載波等通信方式。對于一些難以選用OPGW、ADSS光纜的線路,如:1)10kV、35kV、66kV等中高壓輸電線路本身無地線,無法架設OPGW;2)架設ADSS存在對地安全距離不足、桿塔強度不夠等限制;3)采用普通光纜存在被偷盜和維護的難題,載波通信受氣候、地形的限制;因此這些線路的光纖化通信就需要考慮其它復合光纜,OPPC就是OPGW、ADSS光纜的補充產品。在我國現行電網中,輸電線路電流一般都采用三相電力系統傳輸,如果用OPPC替代三相中的一相,形成由兩根導線和一根OPPC組合而成的三相電力系統,不需要另外架設通信就可以解決這類電網的自動化、調度、保護等問題,并可大大提高傳輸的質量和速度。

        二、OPPC技術特點

        OPPC全稱為光纖復合架空相線,是將光纖單元復合在相線中、具有電力架空相線和通信能力雙重功能的電力特種光纜。將傳統輸電導線中的一根或多根鋼絲替換為不銹鋼管光單元,使鋼管光單元與(鋁包)鋼線、鋁(合金) 線共同絞合形成OPPC,用OPPC替代三相導線中的某一相導線,形成由兩根導線和一根OPPC組合而成的三相電力系統,實現通電和通信雙重功能融合。

        光單元由多根光纖和保護管組成。光纖收容保護在不銹鋼松套管中,管內填充特種油膏,以起到防水、防潮氣或其他有害氣體、隔熱的作用。導線單元是傳輸電能的關鍵部件,一般由鋁包鋼芯絞線和鋁線,一方面導線截面選擇要合理,以保證線路有良好的電壓傳輸質量和發熱條件;另一方面,它又起到承力作用,還要具備足夠的機械強度,使OPPC受到外力作用時光單元的傳輸性能不受影響。

        OPPC結構型式下圖所示:

        OPPC具有如下技術特點:

        (1)實現傳輸電能與光纖通信的完美融合。OPPC既是一條符合常規輸電線路設計的架空導線,同時還是一條提供信號傳輸的光纜。OPPC機械特性、電氣特性和光纖傳輸特性同等重要。

        (2)充分利用輸電線路走廊資源實現光通信。若輸電線路無設計地線,或地線太小難以復合進光纖,就無法采用OPGW光纜;而輸電線路對地安全距離受限、對導線安全間距不足,也難以采用ADSS光纜;若采用另外敷設桿路架設普通光纜,存在偷盜和維護不便的缺陷。因此,采用OPPC技術可充分利用現有輸電走廊資源。

        (3)沒有給原有線路附加額外負荷帶來的隱患。OPPC在性能設計和實際運行中,是與相鄰另兩相導線相匹配,屬于復合型產品,不是桿塔附加型產品,其對桿塔的水平荷載及垂直荷載均無增加或明顯變化,不會損傷原有輸電線路的運行條件。

        (4)良好的耐腐蝕性可提高OPPC的使用壽命。目前我國常規輸電導線采用鋼芯鋁絞線(LGJ)或鋁包鋼芯鋁絞線(JL/LB),而OPPC產品設計時都是采用鋁包鋼線、鋼管光單元、鋁線絞合而成,結構近似于鋁包鋼芯鋁絞線。由于鋁包鋼線較之鍍鋅鋼絲的良好耐電化學腐蝕,因此使用壽命大大延長。而且鋁包鋼芯較鍍鋅鋼絲具有更高的導電率,OPPC整體電阻率減小,可以提高載流量,具有一定的節能效果。

        (5)具有良好的熱穩定性,保證光通信不受影響。我國輸電導線設計長期使用溫度為70℃,短期為90℃。而光纖長期使用溫度可為100℃,光纖油膏、纜膏的滴點均大于200℃,鋁包鋼線、鋁線的120℃高溫熱穩定性也很好,因此,傳輸電能和光纖通信均不受影響。

        (6)不存在雷擊斷股、短路電流過熱的事故隱患。OPPC作為輸電導線,中低電壓等級線路遭受雷擊和短路電流可能性較小,超高壓線路有地線保護,因此,OPPC不會出現OPGW容易出現的斷股等事故隱患。

        三、OPPC光纜與OPGW、ADSS光纜的比較

        1、技術特點

        (1)ADSS光纜

        全介質自承式光纜ADSS,是伴隨著高強度高模量非金屬材料(芳綸)和電腐蝕護套材料的開發成功而產生,作為一種桿塔添加型光纜,利用現有的輸電桿塔為110kV及以下等級線路新建線路或老線路光纖通信建設、快速建網提供光纜通道。

        (2)OPGW光纜

        光纖復合架空地線OPGW,是將光單元復合在常規架空地線中,將傳統地線中的一根或多根鋼絲替換為不銹鋼管光單元,具有普通地線和通信光纜雙重功能的電力特種光纜,是電力系統的主要通信和保護手段。目前國內在110kV~1000kV輸電線路廣泛采用OPGW光纜,技術成熟。

        (3)OPPC光纜

        光纖復合架空相線OPPC,是將光單元復合在常規架空相線中,將傳統輸電導線中的一根或多根鋼絲替換為不銹鋼管光單元,具有電力架空相線和通信能力雙重功能的新型電力特種光纜。用OPPC替代三相導線中的某一相導線,形成由兩根導線和一根OPPC組合而成的三相電力系統,實現通電和通信雙重功能融合,可為中低電壓輸電線路及城網、農網通信改造、建設配網自動化提供光纖通道。

        2、OPPC技術優勢

        (1)與“導線+ADSS”解決方案比較

        10kV、35kV線路一般沒有架空地線,無法沿線路架設OPGW光纜復合地線,通常會考慮在導線下架設ADSS 光纜。

        因舊線路的對地高度,以及跨越公路,鐵路,江河等自然環境的影響下,都需要對桿塔的高度,場強的分布進行設計。但是由于導線本身對地面距離按常規設計也已選定,過去立桿塔沒有考慮日后要掛ADSS,所以會出現ADSS對地安全距離不夠,尤其在跨越、交叉的情況下無法滿足光纜對地距離要求,這樣就會出現掛點距離偏高、造成ADSS腐蝕燒毀事故的情況,因ADSS 的電腐蝕問題斷纖、斷纜之困擾,國內已發生的多處長距離ADSS腐蝕燒毀事故,教訓慘痛。

        ADSS 光纜的架設給原有線路增加了重量、拉力,附加了額外線路負荷,給線路帶來了潛在的隱患。與ADSS 相比,OPPC作為三相導線中的一相導線,沒有給原有線路附加額外線路負荷帶來的隱患,也沒有因場強的作用而導致光纜遭遇電腐蝕或引發的毀纜、斷纖等事故。同時由于OPPC與接頭盒上均有高電壓,還具有絕對的防盜優勢。因此OPPC解決方案比“導線+ADSS”解決方案具有更高的可靠性。

        (2)與“導線+OPGW”解決方案比較

        用OPGW代替一根傳統地線,實現輸電線路的光纖化,該技術已經在國內現有高壓輸電線路上成功應用多年。但是在部分舊110kV線路改造中,需要拆掉一根舊的普通地線,換上一根新的OPGW光纜復合地線。為了使新換的OPGW光纜復合地線與原來地線匹配,需要收集很多桿塔資料,并且要做驗算,塔頭地線掛點還要做補強處理,這就要增加很多設計量和施工量。而且在施工中為了保持新地線與原導線的線間距離,就要增加塔頭的拉力,才能達到原有地線和導線的線間距離,這無形中就降低了原線路桿塔的安全性。

        再有老舊線路因地線本身規格太?。℅J-35、GJ-50),給復合光纖成為OPGW增加了很大的難度,并且只能采用小規格的OPGW,會存在雷擊斷股(高雷暴日地區)、短路電流過熱等小規格OPGW易發生的運行缺陷和隱患。

        而對于35kV線路,一般沒有架空地線或者只有線路進出段有地線,無法架設OPGW光纜。

        OPPC作為其中一相導線,充分利用現有輸電線路資源,沒有給原有線路附加額外負荷,同時OPPC因為光纖復合在相線內,沒有地線上落雷引發的OPGW 斷股、斷纖的嚴重事故。

        四、OPPC線路設計內容

        (一)OPPC光纜

        OPPC作為三相導線中的一相,為了與相鄰導線的弧垂張力特性保持一致,OPPC的直徑、重量、截面和機械特性等參數應盡量與相鄰導線的參數相符;與此同時,OPPC的直流電阻也應與相鄰導線相似,以避免遠端電壓變化并保持三相平衡。

        下面以LGJ-95/20導線為例,設計相匹配的OPPC結構參數:

        OPPC及配合導線

         

        OPPC-24B1-90/20

        LGJ-95/20

        最大光纖芯數

        Nos

        24

        直徑

        mm

        14.00

        13.87

        截面積

        mm2

        110.28

        113.96

        單位重量

        kg/km

        402

        408.9

        抗拉強度

        kN

        37.0

        37.20

        20℃直流電阻

        Ω/km

        0.2966

        0.3019

        載流量(40-70℃)

        A

        264

        261

        (二)OPPC配套金具接頭盒

        OPPC直接安裝在高壓系統中,其安裝的金具和附件(如耐張線夾,懸垂線夾和終端接頭盒)需絕緣,線夾可用于相應的絕緣耐張串或絕緣懸垂串,光電絕緣(分離)和連接則需要特殊的技術,對施工的要求也比較高。

        OPPC光纜金具附件包括預絞絲耐張金具、預絞絲懸垂金具、防振錘和接頭盒。

        1、金具

        OPPC采用預絞式金具通過線路桿塔上原有絕緣子串將光纜安裝在桿塔上。與傳統電力金具相比,預絞式金具安裝簡單、可靠,無應力集中點,耐腐蝕、重量輕、電暈小、磁損小,更可增加導線的剛度,加強導線的抗振能力,同時減少在線夾出口處導線的附加彎曲應力,具有握力大、免維護優點。

        (1)耐張金具設計

        耐張線夾是架設OPPC的關鍵金具,它不僅要將光纜緊固在桿塔上,承受較大的張力,同時對光纜具有較大的握著力,且又不能超過光纜的側壓強度。

        OPPC耐張金具采用雙層預絞絲耐張金具,每個桿塔配兩套耐張金具,構架終端配一套耐張金具。

        (2)懸垂金具的設計:

        懸垂預絞絲線夾是用來將OPPC光纜吊掛在桿塔上,起支撐作用,與通常輸配電線路的懸垂線夾作用相似,每個直線塔配一套。

        金具與桿塔絕緣子串相連接,連接示意圖如下:

        耐張桿塔和直線桿塔金具安裝示意圖

        2、接頭盒

        OPPC接頭盒是整個解決方案中的技術關鍵,也是技術難點。OPPC接頭盒需要組合設計復合絕緣子,實現光纖接續和光電分離。

        OPPC通過接頭盒在耐張桿塔上將OPPC連接起來。OPPC接續涉及到光纖接續和光電分離技術,對接續的技術、高壓絕緣都有嚴格的要求,是整個工程中最為重要的部分。

        OPPC接頭盒與OPGW、ADSS有很大不同,需要組合設計或安裝絕緣子。OPPC接頭盒既具備一般接頭盒的性能,也具備光纖熔接和不影響通電的性能。一般在耐張塔安裝用于連接OPPC,需安裝組合絕緣子。

        OPPC接頭盒按用途分成中間接頭盒和終端接頭盒。

        (1)OPPC中間接頭盒

        在線路耐張桿塔上選取適當位置(C相),設計一個固定臺架,安裝OPPC中間接頭盒,做好接頭并密閉接頭盒,再用帶有并溝線夾的電力跳線跨接接頭盒兩端的OPPC,保證導線的連通。

        中間接頭盒及安裝示意圖

        (2)OPPC終端接頭盒

        OPPC終端接頭盒在線路起始兩端的變電站構架安裝,連接OPPC和導引光纜,OPPC終端接頭盒采用“高壓隔離絕緣”技術和海纜接頭盒的密封及光纜固定技術,在桿塔上一次性光纖熔接接續,并采用座式固定結構安裝。

        OPPC終端接頭盒安裝示意圖

        五、線路選用OPPC條件

        理論上OPPC可應用于各種電壓等級線路,但在我國110kV~1000kV主干網電力系統通信中,OPGW、ADSS已經得到了成熟應用,建議OPPC主要用于一些難以選用OPGW、ADSS光纜的10kV、35kV和某些66kV、110kV線路:

        (1)10kV、35kV和某些66kV線路本身無地線或非全線路有地線,無法架設OPGW;

        (2)某些110kV老線路,收集線路資料和驗算桿塔承受能力有難度,難以改造塔頭或改造代價過大;

        (3)線路對地安全距離不足、無法解決交叉跨越、桿塔強度不夠、經常改道等限制架設ADSS;

        (4)采用普通光纜存在被偷盜和維護的難題,而載波通信又受氣候、地形的限制。

        六、線路選用OPPC費用構成概算比較

        某35kV單回路輸電線路,使用LGJ-185/45導線,架設普通地線GJ-50、架設OPGW、架設ADSS、架設OPPC的四個方案,比較直接投資成本:

        是否

        有地線

        方案

        產品型號

        線纜價格

        (萬元/km)

        金具價格

        (萬元/km)

        施工費

        (萬元/km)

        總價格

        (萬元/km)

        成本比較

        有地線

        方案1

        LGJ-185/45

        1.5

        0.45

        A

        3.43+2A

        采用OPGW比OPPC節省13%

        OPGW-24B1-50

        1.2

        0.28

        A

        方案2

        OPPC-24B1-185/45

        2.74

        0.69

        A

        3.93 +2A

        GJ-50

        0.3

        0.2

        A

        無地線

        方案3

        LGJ-185/45

        1.8

        0.45

        A

        3.93 +2A

        采用OPPC比ADSS節省19%,一次施工費

        ADSS-24B1

        1. 4

        0.28

        A

        方案4

        OPPC-24B1-185/45

        2.74

        0.69

        A

        3.19 +A

        從上表比較可以看出:

        ①若線路有地線,架設OPGW成本更低,但OPGW匹配設計、施工難度大;

        ②若線路無地線,架設OPPC優于ADSS。

        七、OPPC優勢

        (一)提供OPPC系統解決方案

        1)在2007年成功開發OPPC光纜的同時,同步開發成功絕緣接頭盒、配套金具;

        2)提供OPPC系統解決方案,OPPC光纜、接頭盒、配套金具進行配合型式試驗,并成功配套實際工程應用。

        (二)OPPC產能及產業鏈優勢

        1)擁有光纖、鋁包鋼線、鋁合金、鋁線、金具、接頭盒等完備產業鏈,以及分布全國的售后服務服務網絡;

        2)擁有6條進口鋼管光單元生產線,13條籠絞和2條管絞生產線,超過百套檢測設備;

        3)作為國內唯一既能生產光纜又能生產導線的專業廠家,在導線制造和特種光纜領域具有較強的技術、供貨能力和市場影響力,具有良好的品牌和用戶形象,確保了中天OPPC的供貨周期、質量保證和技術進步。

        (三)OPPC通過權威檢測及鑒定

        1)OPPC、配套金具及接頭盒經國網北京電力建設研究院等權威機構進行型式試驗,各項性能指標均符合國家有關標準及企業標準的技術規定;

        2)2008年5月17日中天OPPC光纜、配套金具和接頭盒成功通過中國電力企業聯合會組織的產品技術鑒定,專家認為產品總體上達到國際先進水平。

        3)已為江西、海南、寧夏、河南、貴州、黑龍江110kV、35kV和10kV線路累計供貨OPPC光纜超過400km,并獨家中標西藏高海拔地區農網OPPC通信線路。

        八、結束語

        未來建成的通信網絡將要求具有良好的擴展性、靈活性、可靠性,能給話音信號、遠動信號以及繼電保護提供傳輸通道,同時也可以實現數據業務的傳輸。隨著城鄉中低壓電網改造和建設,舊電網更新,新電網大量建立,電力調度顯得更為重要,因此對電力通信提出了更高的要求,以前的載波通信等通信方式已很難滿足更高的通信要求。光纖通信以光導纖維為傳輸媒質、光波為載波的光纖信道,具有損耗低、頻帶寬、高速、安全等諸多其他通信方式所不具備的優點,將被廣泛應用。

        在我國光纖通信網絡建設的這些年,有很多ADSS 光纜發生電腐蝕現象和OPGW 光纜遭雷擊斷股斷芯的事故,以及常有光纜接頭盒經常被盜的事件發生,這給電網運行帶來很大的危害和社會經濟損失。部分中低壓電網的線路沒有架地線,無法架設OPGW 光纜,交叉跨越太多也給采用ADSS 光纜帶來一定難度。采用OPPC新技術解決了電力特種光纜遭遇電腐蝕、遭雷擊、被偷盜的弊端,也解決了沒地線架ADSS 光纜帶來的跨越交叉距離問題,而且更重要的是給將來中低壓電網自動化提供了線路光纖通信通道。

        OPPC光纜是一種新型的電力特種光纜,它的應用在國內屬于剛剛起步階段,但是OPPC解決了載波通信、OPGW 光纜和ADSS 光纜在中低壓電網中無法解決的問題,很好地實現了中低壓電網的通信問題。觀念的創新、技術的創新與進步對電網的安全、經濟、穩定運行有很重要的、不可替代的作用,相信隨著電網的發展,OPPC光纜這種新技術將會在全省得到廣泛的推廣,為電網的調度、電網自動化控制、商業化運營以及實現電力企業的現代化管理服務。

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