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电力架空光缆( a d s s 和o p g w ) 蠕变 性能的试验研究 摘要 随着电力通信网规模的不断扩大，电力架空光缆的需求量正变得 越来越大。在适合电力通信应用的架空光缆中，全介质自承式光缆 ( a d s s ) 和光纤复合架空地线( o p g w ) 约占整个需求量的9 0 ， 应用最为普遍。a d s s 和0 p g w 光缆在使用过程中绐终承受一定的 应力，随着时间的增长而产生蠕变伸长。光缆在长期的蠕变过程中， 应变可能会超过规定值而导致信号的传输出现异常，通信受阻；另一 方面，光缆可能会因拉伸屈服强度下降而断裂，将导致通信中断。几 十年来，国内外对光缆运行过程中的弧垂变化蠕变伸长特性一直 在进行研究，由于问题的复杂性，目前的主要手段依然是试验分析。 作者按照国际通用的光缆蠕变试验规范，提出的光缆蠕变自动测试系 统，为a d s s 和0 p g w 光缆蠕变特性的研究提供了准确、可靠的试 验数据。 本文首先介绍了国内外电力架空光缆的发展状况以及a d s s 和 0 p g w 光缆的典型结构和性能。其次讨论了a d s s 和o p g w 光缆的 蠕变机理及几种试验模型。接着提出蠕变试验系统的总体设计方案， 并分析了a d s s a t - 2 4 8 1 1 8 k n 和a d s s a t 3 6 1 8 1 1 7 k n 两种光缆的 试验数据，推导出蠕变率方程，预测了各自1 0 年和3 0 年后的蠕变伸 长。最后是试验系统软件部分的设计和实现。 关键词：蠕变a d s s0 p g w光缆试验 e x p e rlm e n t a ls t u d y0 nc r e e pp r o p e r t y0 f e l e c t rlcp o w e rs p e cla l0 p tic a lc a b l e ( a d s s & 0 p g w ) a b s t r a c r 、7 l ，i t ht h er a p i de x p a n d i n go ft h ee l e c t r i cp o w e rc o m m u n i c a t i o n n e t w o d 【s ，a d s s o 。l ld i e l e c t r i cs e l f 二s u p p o r t i n go p t i c a lf i b e rc a b l e ) a n do p g w ( o p t i c a l f i b e rc o m p o s i t eo v e r h e a dg r o u n dw i r e ) a r e l a r g c l ya p p l i e di nc h i n a c r e e pd e f o 彻a t i 伽c h a r a c t e r i s t i co fo v e r h e a d e l e c t r i c a lc a b l ei sa i li m p o n 孤tg u i d e l i t od e s i g na n dc o n s t m c t i o no f p o w e rs u p p l y 柚dt r a l l s f o r m a t i o n ，w h i c hi st op r e d i c ts a g g i n gv a r i a t i o no f t r 锄s m i s s i o nl i n e c 0 盯e c t l y 1 n h ep m c t i c ch a sp m v e dt h a t t h et 伪t 卸t o m a i i o ns y s t e mh a sb e t t e rs t a b i l i t y ，r c a lt i m ea n dr e l i a b i l i t y ，w h i c h p r o v i d e st r i a ld a t af o rc f e e pd e f b 咖a t i o nc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c h f i r s t l y ，l h i sp a p e ri n t f o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n s i t i l a t i o no ft h e o v e f h e a de l e c t r i c a lc 曲l ea n dr e v i e w st h eb a s i cs t n l c t u r eo fa d s s & 0 p g w o p t i c a lc a b l e t h es e n dp a r tp r o v i d e st h e i rc r e e pp 血c i p l e sa n d s 0 i n et e s tm o d e l s t h en e x tp a r tg i v e st h ea r c h i t e c t l l r eo ft h ea u t o m a t i o n t e s t s y s t e m a n dt h e n d e t a i l e d a n a l y s e s t h et e s td a t ao f a d s s 鼹2 4 8 1 - 1 8 k na n da d s s 囊6 1 8 1 1 7 k no p t i c a lc a b l e 1 h e na c o n s t m c t i v ef b n n u l ah a sb e e nd e d u o e da n du t i l i z e dt oe v a l u a t eh o wm u c h t h ec r e e pr a t ew i l lb e c o m ea f t e r t h e0 p t i c a lc a b l eu s e da tag i v e nt i m e s u c ha s1 0y e a r s ，3 0y e a r s ，e t c 1 1 l ef i n a lp a r tg i v e sm ed e s i 弘卸d i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e ms o f f w a r c k e y w o r d s ：c r e e p a d s s0 p g w o p t i c a lc a b l e t e s t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究成果。尽税所 知除了文中特别加以标注币致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得匕京邮电大学或其他教育机构的学位或证悖而使用过的材 料。与我一同 二作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：塑堑塾 本人承担一切相关责任。 日期：丝 。，垒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文j 二作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印作和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采川影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：鱼垂整日期： 导师签名：匀衅 日期： 电力架窄光缆( a d s s 和o p g w ) 蠕娈件能的试验研究北京邮i u 人学坝l 。学位论文 1 1 电力通信网的发展状况 第一章概述 电力系统通信网是我国专用通信网中规模较大、发展较为完善的专网。随着通信 网络光纤化趋势进程的加速，我国电力专用通信网在很多地区已经基本完成了从主干 线到接入网向光纤过渡的过程。 目| ；i ，电力系统光纤通信承载的业务主要有语音、数据、宽带业务、i p 等常规 电信业务；电力生产专业业务有保护、安全自动装置和电力市场化所需的宽带数据等。 特别是保护和安全自动装置，对光缆的可靠性和安全性提出了更高的要求。可以说， 光纤通信已经成为电力系统安全稳定运行以及电力系统生产生活中不可缺少的一个 重要组成部分。 光纤通信在电力通信中的应用最初是沿用电信部门传统的地埋、管道、架空等方 法敷设普通光缆，构成电力光纤通信系统。众所周知，电力系统是由电能的生产、输 送、分配和消费组成的一个整体。为实现跨区域、长距离电能的输送，电力系统建设 了遍及各地的高压输电线路；为满足城乡广大民众生产生活用电需求，又有纵横交错、 密布街道村庄的输配电杆路和沟道。可以说，高、中、低压输配电线路是目前覆盖面 最为广大的网络基础设施，而且它基础峰固，较之其它网络如电信、广电网络等有着 更高的可靠性。因此，如何充分利用电力系统这得天独厚的网络资源，是长期以来 人们潜心研究的一个重要课题。 随着技术的进步，到了上世纪的七、八十年代，一些有别于传统光缆的附加于电 力线和加挂于电力杆塔上的光电复合式光缆被丌发出来，这些光缆被统称为电力架空 光缆。电力系统光纤通信与其它光纤通信系统最大区别之一就是通信光缆的特别性。 电力架空光缆受外力破坏的可能性小，可靠性高，虽然其本身造价相对较高，但施工 建设成本较低。经过多年的发展，目前电力架空光缆制造及工程设计已经成熟，特别 是o p g w 和a d s s 技术，在国内电力架空光缆已经开始大规模的应用，如三峡工程中 的长距离主干0 p g w 光缆线路等。架空光缆依托于电力系统自己的线路资源，避免了 在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾和纠葛，有很大的主动权和灵 电力颦窄光缆( d s s 和0 p 明) 蠕变性能的试验研究 北京邮电人学硕上学位论文 活性。 进入2 0 0 6 年，光纤光缆行业在经历近三年的市场低迷后，随着f t t h 、3 g 和n g n 新业务的发展已迎来转机，城域网、接入网和驻地网等光纤用量明显增长，奥运会、 世博会、“村村通”工程等基础建设更催生市场强劲的需求。据初步统计仅2 0 0 6 年 上半年光缆需求就达9 5 0 万芯公里，比2 0 0 5 年同期增长5 3 ，更达到2 0 0 2 年全年 的量。另外，国家电网建设在继2 0 0 5 年开创历史最高水平以后在2 0 0 6 年再创新高。 据统计，仅2 0 0 6 年上半年，国内0 p g w 光缆需求达2 5 0 0 0 公里，比去年同期增长4 7 。o p g w 光缆2 0 0 5 年需求量超过3 万公里，占全球的3 5 。而且o p g w 光缆的价格下 降很多，2 0 0 5 年的价格仅为2 0 0 1 年的l 3 左右，至少每公里降低2 万元以上，以年 用量3 万公里计，降低工程费用达6 亿元。 国家电网公司制定的。十一五”电网发展规划显示，公司在电网建设上的总投资 将达到8 5 0 0 亿元左右，全国的总投资将超过1 万亿元。新一轮大电网和大城网建设 与改造，又掀起新一轮光纤光缆行业扩张高潮。全国各地还在上马中高压交联光缆生 产线。 1 2 电力架空光缆的分类及发展 电力架空光缆( 又被称为电力光缆或电力特种光缆) 是适应电力特殊的应用环境 而发展起来的一种架空光缆体系，它将光缆技术和输电线技术相结合，架设在l o 5 0 0 k v 不同电压等级的电力杆塔上和输电线路上，具有高可靠、长寿命等突出优点， 在我国电力通信领域普遍使用并在主干网络上的使用已越来越普及。 与普通光缆相比，电力架空光缆具有下述特点： ( 1 ) 、经济可靠 电力架空光缆充分利用电力系统的特有资源( 高压输电线路、铁塔等) ，与电力 网架结构紧密结合在一起建设，具有经济、可靠、快捷、安全的特点。 ( 2 ) 、指标要求 电力架空光缆是安装在不同电压等级的各种电力杆塔上，相对于普通光缆，对其 电气特性、机械特性和光纤特性( 如抗电腐蚀、电压等级、档距、材料、张力、覆冰、 风速、外部环境、酸碱性等) 均有特殊的要求。 电力架空光缆的研发和应用始于上个世纪的八十年代，通过近3 0 年的演化，目前 己形成如表卜1 所示的复合型、添加型和附加型三种主要应用形式。 2 电力架窀光缆( a d s s 和0 p g w ) 蠕变性能的试验研究北京邮电人学硕f ：学位论文 表1 1电力架空光缆的分类 序号光缆名称材料分类 安装形式主要使用场合 1 光纤复合架空地线 一物多用，新 o p g ( 电力线)建线路或替换 2 光纤复合相线 复用型 原有地线或相 0 p p c 金属光缆线 3 金属自承式光缆 老线路通信改 m a s s ( 杆塔)造，在原有杆 4 全介质自承式光缆添加型 塔上添加架设 a d s s 5 捆绑光缆 介质光缆 老线路通信改 a d l ( 电力线)造，在原有电 6 缠绕光缆 附加型 力线上加挂 g w w o p 几种应用广泛的光缆的特点如下： 光纤复合架空地线( o p g w ) ：这种光缆结构主要分为两部分，光纤单元和铠 装外层。光纤单元被复合在架空地线的内部。光纤复合架空地线的可靠性最 高，但相比其他几种而苦，价格较贵，适合于新建的输电线路或者需要更换 地线的老输电线路。 全介质自承式光缆( a d s s ) ：光缆全部采用非金属材料，安装时不需要停电， 而且通信系统与输电线路相对独立，可以提供数量比较多的光纤芯数，光缆 的重量比较轻，价格比光纤复合架空地线相对便宜，安装和维护都比较方便， 适合于在原有的输电线路上架设。 架空地线缠绕光缆( g w w o p ) ：与其他光缆相比，该光缆应用比较早，这种光 缆线径较细，芯数少，用专用的机械把光缆缠绕在架空输电线路的地线上， 价格相对比较便宜，但由于一些原因，国内在运行中出现过一些断缆事故， 因此，目前新上的光缆通信系统应用缠绕光缆的较少，主要应用在一些特殊 的环境或修复线路等。 捆绑光缆( a d - l a s h ) ：该光缆与架空地线缠绕光缆相似，不过是用专用的机 械把光缆捆绑在架空地线或者相线( 3 5 k v ) 上，光缆线径较细，芯数少，价 格也比较便宜，主要应用在一些低压输电线路上和特殊的环境以及修复线路 等。 3 i u 力架卒光缆( a d s s 和o p g w ) 蠕变性能的试验研究北京邮1 乜人学帧 学位论支 相线复合光缆( o p p c ) ：是将光纤复合在输电相线中的光缆。o p p c 目前应用 不多，输电线路用0 p p c 时必须考虑其绝缘、载流量和阻抗同正常导线相匹 配。其运行的安全性和可靠性是相当好的。 金属自承式光缆( m a s s ) ：从结构上看，姒s s 与中心管单层绞线的o p g w 相一 致，如没有特殊要求，金属绞线通常用镀锌钢线，因此结构简单，价格低廉。 我国电力架空光缆的发展可分为3 个阶段： ( 1 ) 1 9 8 5 1 9 9 4 年，市场培育期( 起动阶段) 。在这1 0 年中，安装的各类用于 电力通信的光缆( 包括o p g w 、a d s s 、a d l 、g w w 0 p 和其它光缆) 总和约5 0 0 k m ，使用 的产品主要来源于进口。 ( 2 ) 1 9 9 5 1 9 9 9 年，市场高速增长期。1 9 9 5 年是一个明显的转折点，1 9 9 5 年 当年就安装了约5 0 0 k m 各类电力架空光缆，相当于前l o 年的总和。以此为基数，在 这5 年中电力架空光缆安装的总量几乎每年翻一番。期间发展最快的是a d s s 光缆， 前期以进口产品为主，后期则多为合资或国内产品。这个阶段也可称为a d s s 高速增 长期。 ( 3 ) 2 0 0 0 年至今，市场平稳增长期。在此期日j ，每年大约以5 0 左右的速度保 持增长。本阶段显著的特点是a d s s 市场丌始趋于饱和并出现衰退迹象，o p g w 的增长 大于a d s s 。2 0 0 0 年0 p g w 的安装数量约为4 0 0 0 6 0 0 0 k m ；2 0 0 1 年约为6 0 0 0 8 0 0 0 k m ： 2 0 0 2 年为8 0 0 0 1 2 0 0 0 k m ；2 0 0 3 年约为1 5 0 0 0 k m 。这个阶段也可称为o p g w 高速增长 期。 综上所述，目前使用最广泛的是a d s s 光缆和0 p g w 光缆，这也正是本文所论述的 两种主要的光缆，第二章中将详细论述这两种光缆的组成结构及性能。 1 3a d s s 和0 p g w 光缆的蠕变试验研究的提出 a d s s 和o p g w 光缆挂设在电力杆塔上，受到自载、敷设、风载、冰载等外界环境 因素作用，使得光缆在使用过程中绐终承受一定的应力，这种在恒定的张力作用下， 即使受力大小处于弹性变形的范围内，随着时间的增长而产生的永久变形称为蠕变伸 长。随着时间的推移( 现在铺设的光缆的寿命要达到l o 年、2 0 年甚至3 0 年) ，这个 蠕变将增大。 光缆在长期的蠕变过程中，可能出现如下两种情况：( 1 ) 光缆的应变超过规定值 而导致信号的传输出现异常，通信受阻；( 2 ) 随着蠕变的进行，光缆因其拉伸屈服强 度下降而断裂，将导致通信中断。这两种情况都是不允许发生的，光缆的蠕变性能因 4 电力架窄光缆( a d s s 和0 p g - ) 蠕变性能的试验研究 北京邮l 乜人学顾f 二学位论文 此成为表征其力学性能的一个非常重要的指标。对于o p g w 光缆来说，蠕变效应还会 使跨距内的弧垂变大；弧垂变大会减少地线和导线之间的距离，减少有效范围甚至造 成导地线相接。此外，光缆蠕变可能导致光纤由于机械疲劳而断裂，也可表现为衰减 的增加。而在0 p g w 光缆的使用中一旦地线功能或光纤通信功能丧失，可能会造成巨 大的停电损失和影响，还会危及电网的安全稳定运行。 我国最早在1 9 8 5 年第一次使用0 p g w ，1 9 9 6 年广东省大亚湾核电站引进和安装 a d s s ，随着电力架空光缆在电力系统的广泛应用，光缆的可靠性及稳定性越来越引起 关注，但掌握a d s s 和0 p g w 光缆制造和检验技术的时日j 则很短。目前，国内开展的有 关光缆的蠕变性能的基础研究较少，相关的研究工作大大滞后于光缆的生产和应用， 本文将着重研究a d s s 和o p g w 光缆的蠕变性能，对光缆进行蠕变性能的试验研究有助 于准确设计光缆结构，确保光纤光缆的安全使用。 蠕变试验的目的是确定a d s s 和o p g w 光缆长期工作在负载状态下的结构稳定性。 通过试验可以测量光缆在常温、长期张力的蠕变特性。蠕变特性有助于光缆弧垂和张 力的计算，便于光缆的设计与制造。光缆蠕变特性主要通过试验分析获得。到目前为 止，国内的蠕变试验过程，主要依靠磅秤称重装置、温度计及千分表等进行，有试验 人员根据试验的时间节点同时记录试验的载荷、试验环境温度和光缆的蠕变伸长量。 试验结束后，由工程师对试验数据进行后期处理，人工绘制蠕变曲线。整个试验过程 自动化程度低，不可避免地存在人为误差，影响了试验数据的准确性和可靠性。本研 究提出的电力架空光缆蠕变试验系统，根本改变了光缆蠕变试验测试方法落后、测试 数据存在人为误差的状况，为蠕变特性的研究提供了准确、可靠的试验数据。 1 4 本论文的课题任务和主要工作 本课题的主要任务是以国家电力科学研究院对a d s s 和o p g w 光缆蠕变性能试验的 要求为指导，依托北京邮电大学布来得通信技术开发公司的光缆检测设备，设计电力 架空光缆检定试验机，编程实现试验机操作系统，并深入研究电力架空光缆的蠕变性 能及从试验数据比较准确地得到蠕变率方程，从而推断出n 年后该光缆的蠕变即伸长 量。主要内容包括： a d s s 和0 p g w 光缆研究。分析这两种应用最广泛的电力架空光缆的结构、特 性、应用场合。 芳纶和金属蠕变的特性研究。针对a d s s 和0 p g w 的不同的结构，分析其蠕变 特性的原因和主要机理。 5 乜力架卒光缆( a d s s 和0 p g w ) 蠕业件能的试验研究 北京邮i 乜人学帧l 学位论文 检定试验系统总体设计方案的提出。提出了a d s s 和0 p g w 光缆蠕变检定试验 系统的总体设计思想以及实现的关键技术，给出了系统硬件和软件的设计框 图。 分析两种光缆的试验结果，对其蠕变性能进行深入研究。 系统主要模块的设计以及实现。重点分析介绍了系统界面及数据采集和处理 模块的设计及具体实现，给出了模块中主要程序的代码。 电力架窄光缆( a d s s 和0 p g w ) 蠕变性能的试验研究北京邮电大学硕上学位论文 第二章电力架空光缆的典型结构及性能 电力光缆根据不同应用分类种类很多，但因电力系统特殊性，电力通信主要采用 全介质自承式光缆( a d s s ) 和光纤复合架空地线( 0 p g w ) 这两种电力架空光缆。本章主要 分析a d s s 和o p g w 光缆的主要结构和性能。 2 1a d s s 光缆典型结构及性能 a d s s 光缆全称为全介质自承式光缆( a l ld i e l e c t r i cs e l f - s u p p o r t i n go p t i c a l f i b e rc a b l e ) ，主要以芳纶纱为加强元件，芳纶纱的化学成份为聚芳酰胺( 国际商品 名k e v l a r ，b 纤维，中国商品名芳纶) ，具有高抗拉强度、高杨氏模量( 达1 2 0 g p a ) ， 高耐温的特性，同时蠕变小，耐老化，绝缘性良好。a d s s 可架设在电力线路的原有杆 塔上，不需要停电施工，耐电痕，温度范围宽，架设方式简单，在电力和铁路通信系统中 已有广泛应用同时，在跨江过河或复杂地形等大跨距场所a d s s 光缆都有其独特的优 势，已成为电力系统组网的首选架空光缆。 2 1 1 加豁光缆的特点 具体说来，a d s s 除具有普通光缆的优点( 通信容量大、中继距离长、抗雷击及 电磁干扰。保密性好) 外，还具有以下显著特点： 1 ) 专为电力系统设计，是一种全绝缘介质的自承式架空光缆，它的结构中不含 任何金属材料。 2 ) 全绝缘结构和较高的耐压指标，使其有利于在带电运行的架空电力线路上架 设施工，不影响输电线路的正常运行。 3 ) 具有维护的方便性，与电力线路互相独立，不影响输电线路和光缆的正常维 修。 4 ) 采用抗拉强度高的芳纶材料，既能承受较强张力，满足架空电力线路的大跨 距要求，又可防止鸟啄和人为的枪击。 5 1a d s s 光缆的热膨胀系数较小，在温度变化很大时，光缆线路的弧度变化很 7 电力架窄光缆( a d s s 和o p g w ) 蠕娈件能的试验研究 北京邮i u 人学碗卜学位论史 小，且其重量轻，它的覆冰和风荷也较小。 6 ) 良好的经济性，可与各种电压等级的输电线路同塔( 杆) 架设，不需新立杆塔 及新占地，施工速度快，工期短，节省了建设费用。 7 ) 具有较强的抗冲击性等优点。 8 ) 具有很强的防电磁干扰、雷击、枪弹、紫外光、大风及振动能力。 9 ) 工程造价相对低廉。a d s s 光缆工程的综合造价，约相当于管道和直埋式光缆 的1 6 l 1 2 ，架空o p g w 、g w w p 的6 0 8 0 。 以上优点决定了a d s s 光缆特别适合于电力系统、电气化铁路沿线及其它具有可 利用高压输电杆塔地区的光纤通信。a d s s 光缆的独特优势和我国境内丰富的高压输 电杆塔资源，决定了在当日口及今后相当长的时间内，a d s s 光缆有着巨大的市场前景。 2 1 2a d s s 光缆的结构 a d s s 光缆的基本结构是缆芯外被覆内挚层，然后均匀缠绕芳纶纱，再被覆黑色 聚烯烃护套。a d s s 光缆的基本组成包括： 外护套 a d s s 光缆外护套从抗电腐蚀方面目前有两种等级。一种是适应长期运行在 1 2 k v m 以下感应场强内的，光缆外层护套采用普通聚乙烯材料制作( 常称p e 护套) 。 另一种是适应长期运行在2 5k v m 以下感应场强内的，光缆外层护套采用交联耐电痕 聚烯烃材料制造( 常称a t 护套) 。外护套纵向电阻处于干燥状态下时一般为1 0 1 4q m ， 潮湿状态下为1 0 7 q m 1 0 9 q m 。 芳纶纱 芳纶纱是a d s s 光缆最主要的承力单元，并具有防弹能力。芳纶纱自身具有负温 度热膨胀系数。芳纶纱包覆在内护套外表面与外护套内表面之间，并与外护套内表面 紧密粘合。每一层芳纶纱以一定的节距包覆，以便在承受张力时确保转矩平衡和张力 的有效传递。另外其型号和数量的选择直接关系到光缆在架空条件下的承载能力。 松套管 a d s s 光缆的松套管由p c 材料构成。光纤以波状方式或螺旋方式分布于管内。为 了防止水和潮气的浸入而侵蚀光纤，束管内部填充满不会滴流的胶质化合物。 无金属自承式光缆的结构目l j 有四种类型：a 、中心束管式a d s s 光缆；b 、层绞 式a d s s 光缆；c 、分布式增强型a d s s 光缆；o 、带状式a d s s 光缆。较为广泛应用于 电力架空线路上为层绞式a d s s 光缆和中心束管式a d s s 光缆，层绞式是将光纤松套管 绕包在中心加强件上，而中心管式是将光纤松套管置于缆中心。层绞式结构的优点是 电力架空光缆( d s s 和0 p g ) 蟮变性能的试验研究北京邮电大学硕士学位论文 芯数大、容易控制余长，便于在大跨距场合使用。 下面为两种结构的示意图： 束管光纤 f _ r p 中心加强件 阻水油膏 填充绳 扎纱及包带 p 内护套 芳纶纱 p 夕 护套 图2 1 层绞式 d s s 光缆结构示意图 图2 - l 所示的常被称为层绞型结构。光纤松套管绞制在中心加强件( 一般为f r p ) 上后被覆内护套。再根据所需要的抗拉强度绕包合适的芳纶纱，外护套的选用与中心 管型相同。与中心管型相比，光纤在层绞中获得额外的绞合余长，因此，在要求光纤 芯数较大的中大跨距场合，往往优选层绞结构。 。 芳纶纱 束管光纤 f - r p 加强件 p 护套 图2 2 中心管式 d s s 光缆结构示意图 图2 2 所示的常被称为束管型或中心管型结构。光纤以一定的余长置于填充油膏 的p b t ( 或其他合适的材料) 管中，根据所需要的抗拉强度绕包合适的芳纶纱，外护 套目前有p e 或a t 两种，外护套的好坏直接影响到光缆的使用寿命。通常采用纤维增 强塑料( 简称f r p ) 作为光缆中心加强构件，并提供光缆的弯曲、拉伸模量 9 电力架空光缆( a d s s 和o p g 胃) 蠕变性能的试验研究北京邮电大学硕士学位论文 2 1 3 芳纶纤维的结构与性能 芳纶纤维是芳香聚酰胺纤维的简称，主要有两类：一类是p p d a 纤维，如美国杜 邦公司的k e v l a r _ 4 9 、荷兰恩卡公司的t w a r o n 哪、中国的芳纶1 4 1 4 等；另一类为p b a 纤维，如k e v l a r 一2 9 、芳纶1 4 等。早在1 9 6 8 年美国杜邦公司就开始了芳香聚酰胺树 脂的合成及成纤工艺研究，于1 9 7 2 年杜邦公司实现了聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的 工业化生产，称为b 纤维，规模为2 0 0 0 吨年，1 9 7 3 年改称为k e v l a r 纤维。 芳纶的分子链是由苯环和酰胺基按一定规律排列而成。酰胺基团的位置又都在苯 环的直位上，故而这种聚合物具有良好的规整性，致使芳纶纤维具有高度的结晶性。 芳纶纤维的这种苯环结构使它的分子链难于旋转，高聚物分子不能折叠，又是伸展状 态，形成体状结构，从而使纤维具有很高的模量。聚合物线性结构的分子间排列十分 紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子，这种高的密实性使纤维具有较高的强度。 此外，由于环内电子的共轭作用，使纤维具有化学稳定性，又由于苯环结构的刚性， 使高聚物具有晶体的本质，使纤维具有高温状态下尺寸稳定性。 芳纶纤维的力学性能中拉伸强度和初始模量很高，而延伸率较低。从表3 1 中可 见芳纶纤维在有机纤维中力学性能是很优异的。 表2 1k e v l a r 一4 9 纤维和芳纶1 4 1 4 纤维基本性能 密度拉伸强度拉伸模量断裂伸长分解温度吸湿率 ( g c m 3 ) ( m p a )( g p a )率( )( )( ) k e v l a r 一4 91 4 43 4 3 31 2 32 55 5 54 6 芳纶1 4 1 4 1 4 53 2 0 01 2 02 75 5 6 总的说来，芳纶纤维具有较高的拉伸强度。强度比一般有机纤维高三倍，特别是 它的比重是高性能纤维中最轻的一种，比玻璃纤维轻4 0 左右，比典型的碳纤维轻 2 0 左右。它的比强度是e 玻璃纤维的2 倍多，钢丝的5 倍，且比碳纤维高4 0 左 右；比模量也超过玻璃纤维、钢和铝，而和碳纤维接近。此外，芳纶纤维有较高的断 裂延伸率、韧性、耐磨性、优异的冲击强度、耐疲劳、突出的抗蠕变性能、热性能好、 优良的耐化学腐蚀性、优异的电绝缘性能和尺寸稳定性，特别是具有低的线膨胀系数 ( 纤维方向略呈现负值) 等，使其主要是应用于飞机、火箭、导弹等航空、航天等器 具中使用的复合材料，此外还用于汽车、船舶、防弹衣、滑雪板等应用领域的复合材 料，以及绳缆，耐高温过滤材料等。 电力架空光缆( d s s 和0 p 明) 蠕变性能的试验研究 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 4 加黯光缆的拉伸应变性能 表2 2 d s s 光缆的主要机械性能 参数名称 定义要求意义 最大允许使用张力 指在设计气象条件下光纤应变应 6 0 r t s ，在此 又称为特殊使用张力， 张力下，光纤应变( o 5 是指在光缆有效寿命( 中心管) 及( 0 3 5该参数保证了a d s s 光 极限运行张力( u e s )期内，有可能发生超出( 层绞) ，光纤会出缆在寿命期间内的可 设计负载时光缆所受现附加衰减，但在此张靠运行 到的最大张力。力解除后，光纤应恢复 正常。 a d s s 光缆的性能主要从光纤传输性能、环境性能、机械性能和光缆电性能四方 面进行评估。a d s s 光缆机械性能评估的项目依据主要是i e e e p l 2 2 2 “用于架空的全介 质自承式光缆a d s s 的标准”中规定的各项要求。各项试验均在a d s s 光缆的全性能试 验系统上进行，该系统由北京康宁光缆公司与北京邮电大学率先在国内共同合作开发 该系统可完成a d s s 光缆的拉伸试验，应力应变试验，风振及舞动试验，光缆破断试验， 光缆蠕变等试验，所有的试验条件及过程控制由工业控制机自动完成，试验过程的光 纤损耗可进行全程自动监测试验光缆可采用金具或滑轮两种方法夹持在a d s s 光缆 作机械性能评估时需对光缆中光纤的p 如及损耗进行同时监测。 与常规光缆不同的是，常规光缆施工时会受一定的拉力，敷设完毕后基本处于 不受拉力的状态。而a d s s 光缆在架设后长期处于受力状态，在气候条件比较恶劣时， 1 1 电力架空光缆( a d s s 和0 p g w ) 蠕变性能的试验研究 北京邮电大学硕士学位论文 就要承受更高的负载，并且a d s s 光缆寿命不仅与光缆本身的质量有关，还与线路、 金具选择等有很大的关系，因此，a d s s 光缆工程设计考虑问题不单纯是光缆本身质 量的问题，还要结合电力线路的具体参数。 a d s s 光缆为全自承式，必须具有很好的机械特性，这主要靠光缆中的承力元件 “芳纶纱”来保证。在工程设计中应了解线路平面、断面图，导线的垂度、交叉跨越 情况，并计算出a d s s 的最大安全垂度。a d s s 光缆的抗拉强度值是根据线路气象条 件、代表档距和弧垂等指标进行综合设计，弧垂大的光缆抗拉强度小，成本低、反之， 弧垂小的光缆抗拉强度大，成本高。因此，要确定合适的光缆弧垂，在保证光缆使用 寿命的同时尽可能减少芳纶的使用量。 光缆的应用特性取决于光缆的弹性模量，弹性模量主要由光缆的加强件决定。就 a d s s 光缆而言，弹性模量主要取决于所用芳纶纱的模量和数量。 光纤应变窗在很大程度上与结构参数有关。以典型的松套管层绞设计为例，它主 要取决于中心加强件f r p 的尺寸、松套管尺寸( 主要是内径) 、管内光纤束的直径( 芯 数) 和管子的节距。 目前较直观的方法是根据舰e p 1 2 2 2 规范来测量光缆应力应变特性。实验的结 果是在同一根光缆内，不同的管子( 或槽) 里的光纤甚至同一根管子( 或槽) 内的不 同光纤，其曲线形状会有一些变化，即数据有一定的离散性。因此，对于多芯数的光 缆应谨慎。为了保证光纤安全，必须留有余地。 综上所述，a d s s 光缆的拉伸性能主要表现在芳纶纱的拉伸，所以研究a d s s 光 缆的蠕变性能也主要应该研究芳纶纱的蠕变属性。 2 20 p g w 光缆的典型结构及性能 0 p g w 光缆全称为光纤复合架空地线( 0 p t i c a 卜f i b e rc o m p o s i t eo 、r e r h e a d g r o u n dw i r e ) ，简称o p g w 。这种光缆的光纤被藏在架空线中，因此它既具有架空地 线的功能，又具有通信光缆的功能，被广泛的应用与电力系统，市场前景极为广阔。 o p g w 光缆具有以下特点： 1 o p g w 光缆保持避雷线原有的特性，对输电线路的抗雷击提供保护，在输电线路 发生短路时起屏蔽作用，从而使短路电流对电网和通迅的干扰减至最小； 2 0 p g w 光缆用于数据信号传输，通过复合在地线中的光纤作为传送光信号的介 质，可传送音频、视频、数据和多种控制信号，并进行多路宽带通迅； 电力架空光缆( a d s s 和0 p g ) 蠕变性能的试验研究北京邮电大学硕士学位论文 3 复合光缆不需要单独立杆塔，可利用电力输电网的“空中走廊”，不占其它道 路，节约投资，提高线路的利用效率。 2 2 1 铆光缆的典型结构及各部分的功能 国内外厂家生产的o p g w 光缆形式繁多，性能各异。现有的o p g w 光缆的结构可 以分成两大类，即层绞式和中心管式。为了把光缆和地线有机结合起来，各个厂家采 用了不同的设计。 0 p g w 光缆的基本组成包括中心光单元和地线单元。如图2 3 所示： 广光纤芯 图2 30 p 肼光缆的基本组成 目前，世界上流行的主要几种o p g w 的光缆结构，有紧套结构、松套中心加强 件层绞结构、骨架结构( 骨架结构中有塑科开槽结构、铝质开槽结构) 、中心束管式 ( 有机合成材料管、钢管和铝管) 、松套绞合管钢绞线绞合式。 图2 4 铝管型o p g w 结构示意图 图2 4 所示的常被称为铝保护管型或铝管型结构。在该结构中，铝管是导电截 面的一部分，大致可分为无缝管、焊接管和纵包管3 种。光纤单元置于铝管中，可以 是单松套光纤管、层绞松套光纤管、s z 绞扎纱或不扎纱的一次被覆光纤束或紧包光 纤铝管内可充阻水油膏或包覆隔热层。作为标准结构，通常内层绞合的是铝包钢线、 电力架空光缆( a d s s 和o p g w ) 蠕变性能的试验研究北京邮电大学硕士学位论文 外层绞合的是铝合金线，两层绞线的方向应相反，按规定，最外层绞线应为右向。 图2 5 铝骨架型o p g w 结构示意图 图2 5 所示的常被称为骨架型或铝骨架型结构。铝骨架也是导电截面的一部分， 在骨架上有螺旋状的槽，槽内置以光纤松套管、s z 绞扎纱的一次被覆光纤束、紧包 光纤或带纤。作为标准结构，骨架外一般应有铝保护管，但也有无铝管的变形结构， 虽然这种变形会使直径和成本下降，但却牺牲了一部分保护功能。绞线方面的要求与 铝管型相同。 图2 6 不锈钢管型o p g w 结构示意图 图2 _ 6 所示的常被称为小钢管或不锈钢管型结构。光纤以一定的余长置于填充 油膏的密封不锈钢管内，该钢管取代一根或多根( 目前最多为3 根) 单丝放入内绞线 层，成为标准结构。含光纤的不锈钢管也可以放在中心部位，此时光纤余长仅取决于 管内余长，与标准结构相比，在相同的不锈钢管管径条件下可容纳的光纤芯数将减少 ( 如要获得与标准结构相近的应力应变特性) 。绞线方面的要求与铝管型相同。 1 4 电力架空光缆( a d s s 和0 p g ) 蠕变性能的试验研究 北京邮电大学硕士学位论文 由于该结构与传统架空地线的相似性最好，容易与对侧地线匹配，所以一问世 就得到电力部门的青睐。 0 p g w 光缆的性能与其结构有很大的关系，而同类结构中由于金属线的材料性能、 直径、绞合螺距、绞线搭配、层数等不同而有所差异。 o p g w 光缆各个部分的功能如下： 1 光单元 光单元由光纤芯和保护管组成。光纤芯现在几乎都采用单模光纤。光单元中的 光纤，可以由单根光纤、光纤带或成束的光纤组成，分松套和紧套两种，松套的尺寸 大于紧套。但当制成0 p g w 光缆后，经架设，松套中的光纤芯结构中的光纤有足够的 余长，因此在应用的整个过程中，它都不可能受力而十分安全；紧套光纤，尽管尺寸 可以做得较小，但毕竟在光缆受力时光纤是受力的。所以光纤应该有较高的性能，保 证在使用过程中尽管受力也不会损坏，不会影响光纤的性能和传输特性。只要达到这 一点，两种结构都是可行的。 采用松套结构的光纤芯，可以制成松套层绞式结构，也可以将更多的光纤放在同 一松套管里。不过放进同一松套管的光纤束要受到光纤余长多少的影响，需保留必不 可少的管内空间。当松套管位于0 p g w 光缆的中间时，这就是中心管式的结构。 光单元需要有一个保护管，一般以铝管、铝合金管、不锈钢管或塑料管制成。现 在塑料管的结构已经极少应用，最大量、最常用、最可靠的就是铝管或铝合金管。这 种管有足够的壁厚，1 衄或更厚些。它可以抵挡住外来的水分、潮气或其他有害气体 对光纤的影响。足够厚度的壁厚也保证不会引起外面绞制的线材对其造成的挤压当 采用机组挤压加工时，形成连续且无缝的铝管，可以保证不必采用金属骨架作支撑。 用不锈钢管作保护管，同样也能引起保护光纤不受外界条件和外力的影响，但不锈钢 管绞合成o p g w 光缆后，它与铝包钢线或铝合金线的铝接触时，因不同金属间有可能 形成电蚀现象，因此必须采用合适的防腐油膏材料进行保护。 2 地线单元( 外绞合导体) 外绞合导体的主要作用有：1 ) 0 p g w 光缆是架空地线，它架设在铁塔上，因此需 要有承力元件，使0 p g w 中的光纤不会或很少承受外力。2 ) 它具有一定的金属截面， 当o p g w 光缆线路短路或受雷击时，电流将通过导体而发热，适当的金属截面保证0 p g w 光缆温升保持在允许的范围，也就是不会因发热而损坏光纤。3 ) 外绞合导体又再一 次对光单元进行保护，使光单元免受机械外力或其他不良条件引起的破坏。 地线单元( 外绞合导体) 主要用铝包钢线( a c s 线) 和铝合金线组成。以前也曾 经用镀锌钢线，现在已不再使用了，因为钢易腐蚀从而缩短了0 p g w 光缆的使用寿命。 电力架空光缆( a d s s 和o p 趼) 蠕变性能的试验研究 北京邮电大学硕士学位论文 3 其它元件 0 p g w 光缆的使用条件是比较恶劣的，它架于杆塔上不仅要承受拉力，而且它将 承受风雨、冰凌和有害气体等的影响，短路电流和雷击引起发热等侵害，因此必须对 光纤给予足够的保护。比如对铝管采用无缝铝管，它不会因焊缝的原因而造成潮气对 光纤的侵害。铝管中的光缆芯又有隔热层保护更安全。骨架的形式也可达到保护光单 元的目的。骨架主要是铝或铝合金骨架，它有时被包覆在铝管中，使铝管更坚强；也 可以单独被使用，而无需在骨架外再挤上铝管。 2 2 2 各种结构的0 p g w 性能比较 表2 3 各种结构的o p g w 光缆性能比较 名称结构性能指标 光纤紧套管结构光纤总是受力，抗拉性能较差，光纤难以保证低衰减。具有好的紧凑性。 缓冲 光纤在7 0 u t s 时才受微小张力，具有良好的抗拉性能，光纤可以保证低 松套管结构 结构 衰减，紧凑性不如紧套结构。 光纤丙烯酸盐 耐温性能低于硅基材料的涂覆层，涂覆层易于剥离。 涂覆 涂覆层 层 硅基涂覆层耐温性能高于丙烯酸盐材料的涂覆层，涂覆层的剥离难度大，需特殊溶液。 光缆的直径较小，铝包金属线的铝层损坏易导致铝宝钢线锈蚀，可靠性较 单层差。光缆不可扭曲，安装困难，抗侧压能力较差，短路电流容量较小，光 铠装缆强度较低。 层 光缆的直径较单层铠装结构大，外层可以用铝合金线或镀锌钢线。铝包钢 双( 多) 层 线用于内层可以避免锈蚀，可靠性得到大幅度的提高，抗扭曲抗侧压能力 较强，短路电流容量较大，光缆强度较大。 光纤 光纤芯数较多。光纤余长取决于层绞参数，相比紧密结构有所改善，具有 铝管式层绞 很高的抗侧压和抗冲击能力，短路电流发生时，光纤受到隔热带和套管的 单元 很好保护。 光纤芯数较多，光纤余长可以根据用户的需求调整。在很高的负荷下，光 中心束管式 纤所受的张力和拉伸很小，具有一定的抗侧压和抗冲击能力，短路电流发 生时，中心束管内温度较低。 螺旋槽光纤芯数少，光纤余长较大，取决于骨架的直径和螺旋的螺距，具有很高 铝骨架 的抗侧压和抗冲击能力，短路电流发生时，缆芯温度相对较高。 电力架空光缆( a d s s 和0 p g )