周凝翠
湖北省电力公司 湖北 武汉 430077
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。
图1 几种无金属自承式架空光缆（ADSS）的结构图
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。“干带电荷”放电现象见图2。
图2 “干带电荷”放电示意图
（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。导线“鞭击”光缆现象见图3。
图3 导线“鞭击”光缆现象示意图
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。目前电力系统主要使用以下几种结构的OPGW光缆(见图4)。
图4 几种OPGW光缆结构示意图
1—光纤；2—不锈钢钢管(铝管／塑管)；3—铝包钢线；
4—铝合金线；5—螺旋型带槽铝合金骨架；6—镀锌钢管
A、C型：中心束管式OPGW光缆
B型：偏管层绞式OPGW光缆
D型：骨架式OPGW光缆
由图可见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。
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