对一种特种光缆的工程设计方法的分析

时间：2024-05-17

穆乃刚

（中油辽河工程有限公司（原辽河油田设计院），辽宁盘锦 124010）

前言

为实现电力系统安全可靠的供电，电调自动化已成为不可缺少的技术手段，但若没有一个高质量的通信信道，电调自动化系统就无法发挥其应有的功能。光纤通信技术具有传输误码率低、信道带宽大、防电磁干扰等优点，能够可靠的承载电力通信网各种业务，我们在电力通信网的改造中采用了与原电力线路同塔架设一种特种光缆—全介质自承式光缆的方案，下面详细介绍其工程设计的具体方法。

一、安装金具选配

光缆固定在电力塔上须由光缆专用安装金具来完成，不同铁塔、不同跨距、不同外径的光缆所用金具各不相同，如果金具选择不当，则会出现光缆松滑或者断纤等严重事故。光缆的安装金具包括紧固夹具、耐张线夹、悬垂线夹，分别详述如下：

紧固夹具用于耐张线夹、悬垂线夹、余缆架和光缆接续盒与铁塔的连接，其主要技术参数为破坏荷载（kN）和光缆挂点位置电力塔主材的尺寸，其配置与耐张线夹、悬垂线夹、余缆架和光缆接续盒一一对应使用。

耐张线夹用于终端铁塔和线路中间耐张铁塔上，它能均匀分配径向压力，并传递轴向拉力，在保证不损伤光缆的前提下提供安全可靠的握紧力，其主要技术参数为线夹破断力（kN）和缆径范围（mm），基本配置为终端铁塔上1套，线路中间耐张铁塔上2套。

悬垂线夹主要用于直线铁塔上，是将光缆悬挂在铁塔上的连接金具，用来保障光缆在架设和运行过程中不受损伤，其主要技术参数为线夹破断力（kN）和缆径（mm），基本配置为每基直线铁塔上1套。

二、光缆配盘

光缆盘长的配制依据已建的电力线路明细表，光缆的接续点选在交通便利的耐张塔上，同时考虑到自然坡度、接头预留、设备预留、牵引头、弧垂等因素，光缆盘长等于每盘光缆的标称长度乘以预留系数，再加上光缆接头长度，用公式表示如下：

L=L1(1+f)+L2+L3+30(m)，式中

L为光缆的盘长（m）

L1为光缆的标称长度（m），即线路平面图中的水平距离

L2为始端铁塔的呼称高（m）

L3为终端铁塔的呼称高 (m)

f预留系数,我们取0.04

为了运输和施工的方便，结合光缆的生产工艺，光缆的盘长应该控制在2~4km。

三、光缆主要机械参数

由于光缆架设方式为自承式，其承力元件为光缆中的芳纶纱束，架设的档距一般为200m，不同于以往普通光缆的吊线挂钩架线方式，必须对光缆的机械参数做准确的计算，以保证其安全、可靠的运行，光缆的机械参数主要为光缆年平均运行张力（EDS）、最大允许使用张力（MAT）、额定拉断力（RTS）和极限运行张力（UOS），其定义和计算分别详述如下：

年平均运行张力（EDS）是在无风、无冰和年平均气温的气象条件下，耐张段内光缆所受的张力。在给定的EDS下，按规范进行振动试验，光缆外护套应无损伤，光纤衰耗的变化应在控制指标内。

当S为光缆的承力元件截面（mm2），G为在无风、无冰和年平均气温的气象条件下光缆的自重比载（N/m·mm2），L为光缆耐张段的代表档距（m），F为光缆耐张段的代表弧垂（m），由公式EDS=SGL2/（8F）可得光缆的年平均运行张力（N/mm2）。

最大允许使用张力（MAT）是在满足光缆中光纤应变和附加衰减的条件下，光缆所能承受的最大张力。当光缆在被拉伸到MAT值时，缆内的光纤开始伸长（光纤不受力缆型）或光纤开始达到预定受力限度值（光纤受力缆型）。

当S为光缆的承力元件截面（mm2），G为光缆的最大综合比载（N/m·mm2），L为光缆耐张段的代表档距（m），F为光缆耐张段的代表弧垂（m），由公式MAT=SGL2/（8F）可得光缆的最大允许使用张力（N/mm2）。

额定拉断力（RTS）是光缆的保证抗拉指标，即拉伸试验时必须达到或超过该标称值，其值为承力元件截面与其最小抗拉强度的乘积乘以系数q，q值由制造商提供。

由公式RTS＝k×MAT可得光缆的额定拉断力，k为光缆的安全系数，一般取值为2.5。极限运行张力（UOS）是在运行中光缆所能承受的极限张力，即当光纤的余长释放完，张力超过MAT后的一定范围内，光纤开始受力，附加衰减开始增加，但在张力解除后，光缆仍可恢复到初始状态，该范围的最大控制值就是UOS，它意味着光缆可短时过载使用，如当偶然遭遇超过设计条件的大风或覆冰以后，光缆仍可恢复正常运行且不影响使用寿命，一般UOS应大于60%RTS。

四、缆芯结构选型

全介质自承式光缆从缆芯结构上主要分为中心管式结构和层绞式结构，中心管式结构的光纤以一定的余长置于松套管内，松套管一般采用高聚物，然后根据所需要的抗拉强度绕包合适的芳纶纱束，再挤制PE或AT材料作为外护套；层绞式结构的光纤同样以一定的余长置于松套管内，光纤松套管以一定的节距绕制在非金属加强件上，再挤制内垫层，然后根据所需要的抗拉强度绕包合适的芳纶纱束，再挤制PE或AT材料作为外护套。

中心管式光缆具有外径小、重量轻的优点，但光纤余长较小，同时光缆的弯曲性能稍差，而层绞式光缆除了在光纤套塑时可输入余长外，由于松套管层绞着中心加强件，因此在光缆伸长时还可产生二次余长，因此尽管层绞式光缆稍贵于中心管式光缆，我们仍采用了层绞式光缆。

五、光缆外护套选用

由于带电导线和大地之间的电容耦合使光缆处于一个不均匀电场中，光缆表面的污层在不均匀电场中会产生泄漏电流，在电流密度最大且污层最薄的地方，水分迅速蒸发、变干，电阻增大，大部分电压降落在该部分，结果这部分将出现放电电弧，使光缆外护套烧伤、炭化，进而损坏光纤。

在光缆靠近电力塔的连接处，电场强度分布变化最大，又由于重力和弧垂的作用，使该处污层分布最不均匀，因此是最容易发生电腐蚀的部位，实验证明若光缆所处空间电位不大于12kV，可选用黑色聚乙烯（PE）护套料，若空间电位大于12kV，则须用耐电痕（AT）黑色聚烯烃护套料，因此合理的光缆挂点可以避免光缆受更强的电腐蚀。

我们通过计算可知，在每根相线处电场强度较强，在相线的对称中心处电场强度较低，一般离开相线1.5m，电场强度即有较大的衰减。本次工程中光缆所处的空间电位不大于12kV，所以选用黑色聚乙烯（PE）护套料。