周凝翠
［摘 要］介绍了4种电力系统专用的特殊光缆。其中，对无金属自承式光缆(ADSS)和架空地线复合光缆(OPGW)的结构、特点、在工程应用中必须注意的问题，以及在不同工程中如何选择光缆进行了详细的论述，对光纤通信工程传输衰减设计也作了介绍。
［关键词］光缆结构特点；工程应用探讨；传输设计介绍
［中图分类号］TN929．11 ［文献标识码］A ［文章编号］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
电力系统有强大的电力网，遍布全国的城市和农村，借助于电力线路及杆塔建设光纤通信网是完全可行的。并且可以为发展电网自动化和新型继电保护提供宽频通道。目前，电力系统的城网和农网改造也为电力通信的发展带来了极好的机遇，许多省、地(市)电力局和县电力局都纷纷建设光纤电路，为实现宽带综合业务数字网(B-ISDN)做好充分准备。现就电力系统专用的几种特殊光缆的特点、架设方式，城网改造中光缆选择应用时必须注意的问题，及光纤的传输衰减设计等几个方面作一探讨。
1 电力系统专用的几种特殊光缆
电力系统专用的特殊光缆有4种：无金属捆绑式光缆(AD-Lash)、无金属缠绕式光缆(GWWOP)、无金属自撑式光缆(ADSS)、架空地线复合光缆(OPGW)。
无金属捆绑式架空光缆(AD-Lash)和无金属缠绕式光缆(GWWOP)是在电力线路上建设光纤通信网络的一种既经济又快捷的方式，它们用自动捆绑机和缠绕机将光缆捆绑和缠绕在地线或相线上。它们共同的优点是：光缆重量轻、造价低、安装迅速。在地线或10 kV/30 kV相线上可不停电安装。它们共同的缺点是：由于都采用了有机合成材料做外护套，因此都不能承受线路短路时相线或地线上产生的高温，都有外护套材料老化问题，施工时都需要专用机械，因此在电力系统中都未能得到广泛的应用。
1．1 无金属自承式架空光缆(ADSS)
1．1．1 ADSS光缆的种类
目前世界上ADSS光缆的结构主要有4种类型(见图1)。
A型：中心束管式ADSS光缆；
B型：层绞式ADSS光缆；
C型：分布式增强型ADSS光缆；
D型：带状式ADSS光缆。
其中A型与B型在电力系统中应用较广泛。
1．1．2 ADSS光缆的特点
采用了具有高弹性模量的高强度芳纶纱作为抗张元件。芳纶纱弹性模量高、重量轻、具有负膨胀系数、有防弹能力。同时光缆几何尺寸小，缆重仅为普通光缆的三分之一，可直接架挂在电力杆塔的适当位置上，对杆塔增加的额外负荷很小；
外护套经过中性离子化浸渍处理，使光缆具有极强的抗电腐蚀能力；
光缆采用无金属材料，绝缘性能好，能避免雷击，电力线出故障时，不会影响光缆的正常运行；
利用现有电力杆塔，可以不停电施工，与电力线同杆架设，可降低工程造价；
运行温度范围宽：－40～＋70℃；
使用跨距范围：50～1200m。
1．1．3 使用ADSS光缆需注意的特殊问题
在电力系统中采用ADSS光缆具有很多优越性，但是根据ADSS光缆多年运行经验和研究发现，在光缆设计时，除考虑光缆挂点的电场强度，杆塔受力等问题外，还应考虑采取措施减少下述2个因素对ADSS光缆造成的损害。
（1）“干带电荷”放电现象：光缆在空气污染和雨水作用下表面会形成污层，在不均匀电场中会产生泄漏电流并加热污层。由于污层沿表面分布不均匀，污层被泄漏电流加热也不平衡。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，沿表面电压分布会随之改变，大部分电压降落在该部分，结果这部分将出现火花放电通道，形成放电电弧。如泄漏电流进一步增大，电弧将逐步拉长而发展成沿光缆表面的闪络，使光缆外护套烧伤、炭化，进而损坏光缆。在光缆靠近杆塔的连接处，电场电压分布变化最大，由于重力和弧垂的作用也使该处污层分布最不均匀，因此是放电最容易发生的部位。
（2）导线“鞭击”现象：在风力的作用下导线会产生摆动而碰击光缆，由于光缆表面有污层、潮湿等，在导线接触光缆表面污层介质时，会产生放电而灼伤光缆表面，严重时可导致光缆烧损。
1．1．4 ADSS光缆工程设计需考虑的问题
（1）选择电场强度较小处（≤25kV）作为光缆挂点。工程设计时应将线路资料(线路电压等级、线路回数、导线布列、杆塔结构、路由参数、导线参数等)，线路环境资料(大气温度范围、最大风速、复冰厚度、污染程度等)及光纤芯数等告知光缆生产厂家，以便光缆生产厂家根据杆塔结构做出空间电势分布图，提出光缆在杆塔上的最佳挂点。
（2）根据光缆所处电场强度选择光缆外护套材料。当空间电势≤12kV时，光缆外护套采用黑色高密度聚乙烯外护套(HDPE)，此情况一般出现在110 kV及以下线路。当空间电势在12～25 kV时，光缆外护套采用黑色高密度抗电痕外护套(AT)，此情况一般出现在110 kV以上线路。
（3）在污染较重的地区，需对光缆进行特殊处理，减少表面污层形成。路由选择时应尽量避开盐雾污染区。
（4）根据导线和光缆的温度特性及运行条件，合理确定光缆挂点及弧垂，尽量避免发生导线“鞭击”光缆现象。同时还要考虑ADSS光缆与其他建筑物、树木和电力线路的最小垂直距离及交叉跨越距离，各种情况的安全距离要求如下：
对居民区 ＞6m
对非居民区 ＞5．5m
跨越房屋屋顶时 ＞1m
跨越树木的树顶时 ＞1．5m
对通信线交叉跨越距离 ＞1m
对公路交叉跨越距离 ＞6m
最大风偏时对建筑物的距离 ＞1m
对10 kV电力线交叉跨越距离 ＞2m
对35 kV电力线交叉跨越距离 ＞3m
对低压线交叉跨越距离 ＞1m
对铁路交叉跨越距离 ＞7．5m
对航船桅杆顶距离 ＞1m
（5）为了安装及维护方便，通过配盘一定要使ADSS光缆的接头位置落在耐张塔上。
1．2 架空地线复合光缆(OPGW)
1．2．1 OPGW光缆的种类
OPGW光缆是电力系统特有的一种通信方式，它具有2种功能，其一是作为输电线路的防雷线，对输电导线抗雷闪放电提供屏蔽保护；其二是通过复合在地线中的光纤，作为传送光信号的介质，可以传送音频、视频、数据和各种控制信号，组建多路宽带通信网。OPGW光缆的铠装层是起屏蔽和防雷作用的元件，它既是短路电流的直接承受者也为缆芯提供保护作用。铠装层是根据地线的电气要求和机械特性，由铝合金线、镀锌钢绞线和高强度的铝包钢线配合组成的，铝线提供导电性能，钢线提供所需的机械特性。为了适应不同的工程需要，OPGW光缆的铠装层又分为单层、双层及3层等3种结构。
1．2．2 OPGW光缆的特点
光缆铠装层有很好的机械强度特性，因此，光纤能得到最好的保护(不受磨损、不受拉伸的应力、不受侧向压力)，在根本上保证了光纤不受外力损害；
光缆铠装层有很好的抗雷闪放电性能和短路电流过载能力，因此，在雷电和短路电流过载的情况下，光纤仍可正常运行；
OPGW光缆，可直接作为架空地线安装在任意跨距的电力杆塔的地线挂点上；
特殊设计的OPGW光缆可直接替换原有高压线路的架空地线，不用更换原有塔头；
与高压线路同步建设光缆通信系统，可节省光缆施工费用，降低通信工程造价；
缆径小，重量轻，不会给铁塔带来大额外荷载；
运行温度－40～＋70℃。
1．2．3 选择使用OPGW光缆应注意的问题
（1）合理选择光纤外护套。光纤外护套有3种管材：塑料管(有机合成材料)、铝管、钢管。塑料管造价低。为满足塑料管护套对紫外线的防护要求，最少要使用两层铠装。塑料管OPGW承受短路电流引起的短时温升能力＜180℃；铝管造价较低。由于铝材阻抗小，因此能加大OPGW铠装层承受短路电流的能力。铝管OPGW承受短路电流引起短时温升能力＜300℃；不锈钢管造价高。但是由于钢管的管壁薄，在相同截面条件下装入不锈钢管的光纤芯数比塑料管和铝管都要多，因此在多芯条件下单位光芯造价并不高。钢管OPGW承受短时温升的能力可达450℃。用户可根据工程具体情况，合理选择光纤外护套。（2）当用OPGW光缆更换老线路地线时，必须选择与原有架空地线的机械特性和电气特性相当的OPGW。即OPGW的外径、单位长度重量、极限拉力、弹性模量、线膨胀系数、短路电流等参数与现有地线参数相接近，这样既可以不改变现有的塔头，减少改造工程量，又可以保证OPGW与现有相导线的安全距离，确保电力系统安全运行。
（3）安装施工OPGW光缆与安装ADSS光缆差不多，使用的金具也几乎一样，只是挂点不一样，OPGW光缆要安装在架空地线的位置上。光缆线路的中间接头位置必须通过配盘落在耐张铁塔上。在以上几种光缆的选择应用中，还需要共同注意的一点是：选择松套结构光缆，不要选用紧套结构光缆。因为光纤在松套管内可以留有一定的余长，控制范围在0．0％～1．0％之间(典型数值为0．5％～0．7％）。当光缆在施工时，或在重力和风力的作用下而发生拉伸时，只要光缆的拉伸长度在余长范围内，光纤则具有应变能力而不承受张力，从而保证光纤的传输质量不受外力影响。
2 光缆工程应用选择
对于高压电网的光纤通信应将电网自动化、继电保护以及管理信息系统所需要的各类数据、图像和语音通道作统一规划，综合利用，并争取与邮电、交通或其他系统取得联系，可提供部分通道给其他系统使用，对重要通道作互为备用，以提高通道的可靠性和投资效益。当组建一个光纤通信网时，不能一味强调使用新技术、新光缆、特殊光缆，要根据工程的实际情况来选用不同类型的光缆。光纤网上有许多节点(即光缆开口点)，这些节点可以是供电局、电厂、分局、重要变电站等等。选型时要考虑在节点与节点之间有甚麽电压等级的线路，一般跨距是多少，是否有特殊地段，如污染严重的地段，冰雪严重的地段，跨江、跨河、跨山涧的大跨距地段；还要考虑安装维护是否方便，经济承受能力如何，这些都是需要综合考虑的问题。现将不同类型的光缆在甚麽工程情况下应用，作一简单介绍(见表1)。
表1 光缆工程应用表
类型
适宜工程
安装维护
备 注
OPGW
替代新建或正在改造的110～500kV线路工程的地线；
替代大跨距(跨江、跨河、跨山涧)高压线路的地线。
安装维护方便；须停电施工。
光缆不受外力破坏；
光缆使用寿命长；
价格稍贵。
ADSS
可在新老35～220kV线路塔上加挂；中、大跨距电路(200～1 200m)。
安装方便；
维护不方便；
可带电施工。
在110～220 kV线路塔上加挂时，须考虑场强分布、弧垂(安全距离)等因素，选择最佳挂点；
在35 kV线路塔上加挂时，不考虑场强分布，只考虑安全距离；
冰雪严重地段(复冰10 mm及以上)不能用；价格适中；
AD-Lash
捆绑在架空地线或≤35kV的相线上。
安装非常方便、迅速；维护不方便；
可带电施工。
国内尚未应用；租用捆绑机很贵。
GWWOP
缠绕在架空地线或相线上。
安装非常方便、迅速；维护不方便；
可带电施工。
国内已有少量应用；租用缠绕机很贵。
普通光缆
加挂在10～35kV线路杆塔上。
安装非常方便、迅速；维护非常方便。
国内已普遍应用；价格便宜。
3 光纤的传输衰减设计［1］
设计光纤通信系统时，必须充分考虑所用光纤的衰减、带宽、以及接头连接损耗，它们都是影响传输性能的最重要的参数。本文只介绍单模光纤和多模光纤的衰减设计。
光缆系统的衰减(aK），与光缆长度(L)、光纤衰减系数(aF)和n个接头损耗(aSP)有关。光缆系统的衰减(aK）计算公式如下：
aK＝LaF＋naSP （1）
式中 aK——光缆系统的衰减，dB；
L——光缆长度，km；
aF——光纤衰减系数，dB/km；
aSP——接头损耗，dB(取值：固定接头0．1～0．2 活接头1～2）。
由于光缆系统要长期运行，因此，设计时必须考虑预留一定的余量来补偿维修时增加接头的需要。衰减预留量(aRes)取决于本地条件和系统的重要性，一般取值为：0．1～0．4 dB/km。
对一个中继段而言，中继段的衰减值(aR）由下式求得：
aR＝aK＋aResL （2）
式中 aR——中继段衰减值，dB；
aRes——衰减预留量，dB/km；
L——中继段距离，km。
在一个中继段内，通常尽可能选用长光缆来减少由于接头引起的损耗。同时，也要选用光纤衰减系数（aF）合适的光纤，以便在线路中间不加光中继器，从而减少工程投资。
作者单位：周凝翠 湖北省电力公司 湖北 武汉 430077
参考文献：
［1］(德)Gunther Mahlke and Peter Gossing著，胡先志等译，光缆(Fiber Optic Cables)，［M］
