光纤复合低压电力电缆的设计制造和使用

2012-06-26王国忠

电线电缆 2012年1期

王国忠

(江苏通光强能输电线科技有限公司，江苏海门226100)

0 引言

随着国家电网公司电力光纤到户工程的正式启动，光纤复合低压电力电缆(OPLC)应运而生。电力光纤到户工程主要依靠在低压电力电缆内复合光单元，在供电的同时，将光纤同时接入，以实现智能电网功能，并开展电信网、广播网、互联网内容传输的“三网融合”等业务。

工程的核心内容是采用OPLC配合EPON(基于以太网方式的无源光网络)技术实现光纤入户，承载“内网”的居民用户用电信息采集业务。具体实施时，进行信息“内外网”的隔离，系统中分别设置内外网传输的EPON设备。用电信息采集通过“内网”进行，多网融合及电网互动的智能家庭通过“外网”进行。

本文就OPLC的设计、制造、试验及使用加以论述和介绍。

1 设计

为了规范OPLC的生产、验收和管理，中国电力科学研究院于2010年7月26日发布实施了Q/EPRI 038—2010《光纤复合低压绝缘电力电缆》企业标准(以下简称企标，在某种程度上也成为了行业标准。虽然标准经过几次修改后才发布实施，但还有不妥之处，有待于在国家电网公司的企业标准及国家标准编订时修改，并且，企标中还有许多内容不能规定的，必须在设计时加以考虑。

1.1 绝缘线芯

首先是导体的形状。在企标中没有明确规定导体采用圆形导体，但在给出的典型结构图中，导体几乎全是圆形的。这种形状在最初研制光纤复合低压电缆时是有效的，因为用圆形导体生产的绝缘线芯绞合成缆时能给光单元提供的空间较常用的成型导体生产的绝缘线芯的要大，对光单元的保护性能更好。随着OPLC用量的提高及结构的进一步优化，还应研究采用适应复合缆的成型导体(如扇形、瓦楞形等)结构。毕竟使用成型导体制造的电缆直径小，可极大地节省原材料，低压电缆已是如此，OPLC也应如此。在电缆生产方面，国外成型导体已成功地用到66 kV级的交联电缆上了。

其次是电缆的绝缘。绝缘材料的选择可根据用户的需求进行。现阶段，用户选择较多的是硅烷交联聚乙烯料。绝缘厚度按照GB/T 12706标准执行，对于特殊的复合缆结构，可适当加厚绝缘。

1.2 光单元

在企标中列出了一些典型光单元的结构特征示意图。主要分为蝶形光单元、中心管式和层绞式光单元。光单元的所有构成材料，包括加强元件，均为非金属材料。在中心管式和层绞式光单元中，又分为干式和油膏填充两种。

(1)光单元中光纤芯数和光单元结构

光单元中，光纤的类别和芯数应符合用户要求。在企标中给出了“光单元中光纤芯数宜为1、2、4、6、8、12、16、18、20、24、30、36、48、60、72、84、96、120、132或144芯”。根据笔者的经验，实际使用不需要这么多芯数的光纤单元。EPON系统的典型网络结构由OLT(光线路终端)、ONU(光网络单元)和ODN(光分配网即分光器)组成，其中的ODN分光器是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。分光器有1∶2、1∶16、1∶32、1∶64 等多种，实现点对多点的功能，主要作用是节省光纤，所以，在OPLC实际应用中，如果不考虑更多芯数备用光纤的话，真正使用12芯以上光纤的可能性较小。当然，光纤芯数一少，中心束管式光单元就完全能胜任了。

(2)束管内填充物

束管内是填充纤膏还是干式阻水材料，笔者认为应该填充纤膏。因为纤膏已使用多年，有着良好的物理、化学性能和温度特性。在垂直敷设时，由于复合缆中光单元随电力线芯一道螺旋绞合，光单元不是呈一根直线状，而是呈和电缆节距相同的螺旋状，即使在光单元完全呈直线状时，由于纤膏对在光纤和束管壁有一定的粘附力，也不存在那种想象的滴流现象。当然，对于需要垂直敷设场合使用的光单元，可以适当地提高纤膏的性能，如滴点温度、纤膏的流变特性等。

虽然在YD/T 901—2009《核心网用光缆——层绞式通信用室外光缆》中第4.1.2.3.6条也规定“在全干式光缆中，松套管内的间隙中应放置一种固态阻水材料”，但固态阻水材料遇水膨胀，从而起到阻止水进一步渗透的作用。当光单元内使用固态阻水材料，即所谓的干式结构时，随着束管端头裸露在空气中的时间延长，而束管端头裸露在空气中的现象在生产、运输、仓储和使用过程中又是不可避免的，固体阻水材料会吸收空气中的水分而失去阻水作用，且光纤对其吸收的水份所产生的OH－又极为敏感。水和潮气会使光纤表面的微裂纹扩张，从而造成光纤的强度显著下降。而且水中的氢会引起光纤的氢损，导致光纤的传输损耗增大，严重影响光单元的使用质量和寿命。为此笔者认为，固态阻水材料不宜用在复合缆的光单元内。根据使用层绞式通信光缆多年的人士介绍，他们也不曾使用过干式结构的光缆。

(3)光纤余长

束管内光纤余长的设计原则是使得拉力和温度变化不会对光纤产生应力。在光纤余长的规定范围内，拉力和温度变化不会造成光纤的附加损耗。达到规定的光纤余长幅度时，光纤接触到PBT束管的内壁。光缆再受到进一步的拉伸或收缩，就会对光纤产生应力，使光纤的损耗开始增加。在OPLC用的光单元中，我们将光纤的余长控制在3‰～5‰之间。

(4)光单元抗拉力

光单元中的加强件材料根据光单元的结构来选择，一般有芳纶纤维和FRP，抗拉力是根据复合缆成缆时对光单元的应能承受的抗拉力而提出的。电力电缆使用的成缆机一般都是被动式放线，放线拉力从几千克到几十千克不等，所以，对光单元要求一般以能承受100 kg的抗拉力来设计就可以了。

1.3 电力绝缘线芯和光单元复合位置设计

在企标中列出了一些OPLC典型结构示意图(见图1)，除了8字形OPLC结构外，其余各种结构的共同点是光单元均置于绝缘线芯的边隙中。如果光单元置于绝缘线芯的中间位置，由于几根绝缘线芯绞合的中间空隙位置较小，在多数复合缆结构中，允许的光单元直径较小，光单元易受到挤压;其次，即使几根绝缘线芯中间空隙大小允许放置光单元，但光单元处于中心位置时，由于没有同绝缘线芯一起螺旋绞合而呈直线状，在OPLC受到拉力作用时，将率先受到力的作用，易受到破坏;再者，光单元处于中心位置，受到电力线芯温度作用可能大于处于边隙位置，对光纤的传输性能可能影响较大。

我们对光单元处于中心位置的OPLC-YJV-0.6/1 3×6+GT2-4B1的复合缆进行了拉伸试验。按照GB 50168《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》，该缆的最大允许拉力是1.26 kN。试验结果是拉力在0.5 kN左右(约40%允许拉力)时，光纤的附加损耗开始明显增大，但光纤应变还没有明显增加;在1 kN左右(约80%允许拉力)时，光纤附加损耗继续增加，光纤应变开始出现。在对光单元处于复合缆边隙位置的26/35 kV海底光电复合缆进行拉伸试验时，几种拉力下，光纤的附加损耗和应变几乎没有任何变化，见参考文献［3］。虽然电压等级不同，但也能说明，光单元放置在复合缆中绝缘线芯的边隙位置是最合适的。

在图1f中，电力绝缘线芯如果为4+1/2(即4根主线芯+1根地线芯，下同)或5芯等截面，导体为圆形结构，则宜采用图2的结构，即绝缘线芯全部绞合，光单元置于绝缘线芯边隙中，绝缘线芯之间的中心部分及其余的空隙中均有填充物。图2的结构较图1的复合缆直径要小许多，且结构较为稳定。

图1 OPLC典型结构示意图

光单元放置在复合缆中的边隙处，对于三芯等截面、四芯等截面、五芯等截面的复合缆，以d表示绝缘线芯直径，光单元最大允许直径分别为:0.483d、0.414d、0.377d。如果实际光单元的直径大于计算的光单元最大允许直径，为了使光单元不受侧压力作用及复合缆圆整，则应加大中心填充材料的直径，使得边隙的空间容得下光单元。其它结构形式的复合缆允许放置光单元的直径也可按类似的方法计算。

图2 绝缘线芯为5芯的OPLC结构

1.4 复合缆的护层设计

复合缆的护层结构应符合用户的要求。

护层的结构尺寸设计，按照GB/T 12706.1中附录A“确定护层尺寸的假设计算方法”加以计算。假设直径计算时，不考虑光单元的存在。关于复合缆假设直径计算，在企业标准编制讨论时有些同仁提到应考虑光单元的假设外径，不知以后的标准趋向怎样，但笔者认为，复合缆假设直径计算不宜考虑光单元因素。因为规定假设直径计算是为了统一确定护层的尺寸，光单元没有统一的假设外径计算标准。如果在OPLC标准中加入这一内容，会使护层尺寸计算混乱。何况，相比电力绝缘线芯来说，光单元直径较小，往往对复合缆直径不构成影响。

铠装内衬层结构，按照GB/T 12706.1允许采用绕包方式和挤包方式。笔者建议宜采用挤包结构，因为挤包内衬层的径向阻水及对缆芯保护作用比绕包内衬层的要好，这样会对复合缆形成更好的保护。

2 制造

复合缆的制造关键工序在于绝缘线芯和光单元的复合成缆。由于一般光电复合缆的电力线芯为3+1/2芯、4芯等截面或4+1/2芯，再加上光单元，必须在6盘成缆机上绞合成缆。成缆时应采用退扭方式。放置光单元的栏架要求放线张力小而均匀，防止忽大忽小，以免损伤光单元。在复合缆缆芯拉出成缆机牵引轮后，对光纤的衰减进行测试，看是否有附加衰减和衰减曲线是否平直。如有异常，应查找原因，并加以排除。光纤衰减的各种参数正常后，才可复合成缆。复合成缆过程中，有异常波动应随时测试。

复合缆的其它制造工艺与电力电缆生产一样，这里不再赘述。

3 试验

我们在制造了OPLC后，受中电飞华上海分公司委托，经国家电网公司电力线通信应用技术实验室和上海电缆研究所联合成立的“光纤复合低压电缆联合质检中心”对五个不同型号规格的OPLC进行了识别色谱、结构和尺寸、光纤特性、电气性能、环境性能和机械性能方面的各项试验，结果均符合要求。

4 使用

图3是OPLC在某个小区到1号楼的使用情况。本次工程实现了OPLC从小区10 kV变电所到楼宇地下配电间的应用。由于施工及成本问题，没能实现OPLC从楼宇到住户的联接。从楼宇到住户的接线还是分别通过放置光缆和布电线来实现的。

图3 OPLC在小区的使用

4.1 建设概况

1号楼为12层高层建筑，共两个单元，单元每层2户，该楼共48户。电缆竖井分为强电竖井和弱电竖井，户内强、弱电箱相互独立。小区变电所至1、2单元低压配电间敷设OPLC-ZR-YJV22-0.6/1 3×240+1×120+GT2-12B1光纤复合低压电缆;每个单元强电竖井内敷设2芯蝶形光缆，弱、电竖井内敷设GYFXTY-8B1型配线光缆;入户敷设GJFPH-2蝶形光缆。

4.2 分光器设计

“三网融合”业务分光器布放在每个单元低压配电间和弱电竖井内第3、9层。低压配电间配置1∶2分光器，对单元的第3、9层分光器分光;两个单元第3、9层配置1∶16的2级分光器，每个分光器管6层的12个用户。用电信息采集业务分光器布放在每个单元低压配电间，采用1∶8的分光器，对单元的3台用电信息采集ONU分光，将1号楼二个单元楼的ONU设备接入中心机房OLT主设备的PON口。

4.3 光缆芯数配置

根据该楼配电结构，变电所至单元配电间采用12芯OPLC，“三网融合”用1芯备1芯，用电信息采集用1芯备1芯，预留8芯;强电竖井内放置3根2芯蝶形光缆，用于用电信息采集业务，每根用1芯备1芯;弱电竖井内放置2根8芯配线光缆，用于“三网融合”业务，每根用1芯备1芯，预留6芯;入户光缆采用2芯蝶形光缆，1芯用于三网融合业务接入，预留1芯。