【OPGW光缆】使用寿命及光中继路由可用性问题

2021-08-03 09:16 JuKer

根据多年的OPGW工程实验经验,就其使用寿命和光中继路由可用性的问题,考虑到OPGW运行环境恶劣、技术复杂和性能要求特殊,从OPGW及其配套设备和附件的工程设计、特性参数确定、材料应用、制造工艺、制造商选择、试验及测试、施工工艺、运行维护等方面进行分析研究,作为OPGW工程技术的参考。

光纤复合架空地线(OPGW)具有电力架空地线和通信光缆双重功能,并且作为通信光缆具有可靠性高、抗自然灾害能力强、不易被人为破坏、影响工程方案可行性的因素少、施工难度小、工程建设附加费用低、性能价格比高、使用寿命长、通信局(站)之间的光缆路由长度往往比其他方式架(敷)设的光缆短(光缆路由几乎是直线)、运行维护费用低等优势,近年来在我国电力系统通信干线传输网中得到了广泛的应用,越来越多的输电线路中架设了OPGW,从而不断加强了电力系统通信传输网的网络拓扑结构和业务传输的性能指标。但是,在OPGW的设计使用寿命年限内,一旦地线功能或光纤通信功能丧失,不但终止了使用寿命,重要的是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。因此,如何保证OPGW的使用寿命,怎样正确应用OPGW及提高传输电路的长期和短期可用性,是工程技术中应该产生足够重视的重要问题。

1　影响OPGW寿命的主要因素

由于OPGW要在严酷的条件下长期使用,其电气、机械、物理和化学性能必须满足要求,对光纤必须有足够的保护,否则就达不到设计的使用寿命。

1.1　纤芯自身的影响(内因)

影响光纤自身寿命的原因主要有:

(1)光纤表面的微裂纹的存在和扩大、大气环境中的水和水蒸气分子对光纤表面的侵蚀、各方面不合理的因素造成光纤长期受应力作用,使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐降低,衰耗逐渐增大,最后使光纤断裂;
(2)光纤的抗拉强度达不到OPGW伸长时张力的影响,使光纤断裂;
(3)光纤被覆材料的温度特性达不到OPGW在恶劣运行环境下引起的短期和长期高、低温的影响,使光纤被覆材料损坏。

1.2　其他影响光纤寿命的因素(外因)

光单元中的光纤受环境变化、外力(压力、碰撞、弯折、绞、张力等)、长期与短期的热效应、潮气等原因会引起损坏,主要因素有:

(1)OPGW架线时的伸长、蠕变伸长、温升伸长、
强风及积雪时负重引起的张力伸长等产生的过张力使光纤断裂;
(2)受短路和雷击电流的影响,材料和结构变形或损坏;光单元内的温升超过光纤被覆材料所能承受的温度,使被覆材料损坏;
(3)在长期运行过程中,OPGW抗耐疲劳性能达不到要求,风激振动、舞动导致光单元或光纤永久性损坏;
(4)施工方法和工艺不当,使OPGW的结构发生变化及光单元损坏;
(5)光单元中的油膏与纤芯涂覆材料的化学兼容性差及物理特性差,使光纤的强度降低、静态疲劳参数值下降、局部光纤应力增加;
(6)光纤筛选后的制造工序对光纤造成的损伤不能被检测到,而被用于产品中投入运行;
(7)光单元的制造装备及工艺水平差、自动控制水平低,造成光纤余长不均匀、运行过程中单元管开裂或断裂、管内壁的毛刺与光纤的长期摩擦,对光纤使用寿命造成永久性的影响。

1.3　影响OPGW地线性能的主要因素

影响OPGW地线性能的主要因素有

(1)雷电或短路电流使OPGW断股,断股的单线松散,使导线与地线之间的安全距离达不到要求;
(2)几种不同金属单线绞合的OPGW,不同金属间电化腐蚀,使OPGW的机械性能和电气性能不断降低;
(3)OPGW与金具和附件的机械兼容性差,尤其是OPGW受到挤压;
(4)OPGW接地线的连接电阻、载流量达不到要求;
(5)材料选择和制造工艺达不到规定要求,制造和检测(试验)标准达不到工程要求;
(6)施工方法和施工工艺不当,对OPGW造成结构的破坏和单线材料的损害,导致机械性能和电气性能下降,甚至直接损坏OPGW。

2　影响光中继路由可用性的因素

OPGW仅是光中继段路由的一部分,它与光纤接续盒、引入光缆、光纤配线系统等组成一个串联的系统,因此光中继路由的可靠性、可用性不但与OPGW及其配件有关,还与这个串联系统的其他组成部分及对它们的运行维护有关。

(1)不同物理参数、材料特性及不同制造工艺的光纤之间熔接,接续后不仅传输性能差,其机械性能、熔接强度等均低劣,会导致光纤断裂;
(2)引入光缆的性能和功能达不到规定要求,导致光缆损坏和光纤断裂;
(3)光纤配线系统的性能和功能不满足要求,造成系统之间的安全相关性增大、光器件损坏和光信号中断;
(4)OPGW光纤接续盒的性能和功能不满足要求,导致光纤老化和断裂;在OPGW原接续盒处进行光缆分支,而在设计时未考虑到此项应用;
(5)运行中的OPGW受各种因素的影响后,存在的缺陷和隐患没有及时发现和消除,会直接影响光中继路由的可用性。

3　提高OPGW寿命的方法

3.1　提高光纤的寿命

提高OPGW的寿命,最根本是要提高光纤的寿命,主要是提高光纤的抗拉强度、静态疲劳参数和耐高温性能。光纤在使用环境中所具有的使用寿命与它承受到的应力和纤维的惰性强度存在着一定的关系。在光纤的制造工艺中,使用纤维表面生长“压应力包层”和“密封被覆技术”后,光纤的使用寿命可达到40年。

(1)提高光纤的抗拉强度。
当疲劳参数值一定时,承受到的应力愈小,光纤的寿命愈长。制造光纤时,在纤维表面上形成一种压缩应力以对抗所承受到的张应力,使张应力减到尽可能小的程度,由此就产生了压应力包层技术用来制造光纤。具有压应力包层的光纤比一般纤维的寿命长得多。对于光纤强度的筛选,首先要保证威布尔指数值大,且单一性好。用于松套结构光单元中使用的光纤,其抗拉强度最小应满足100kpsi(相当于860N的抗拉力),若光单元为铝骨架结构则要求更高,其抗拉强度最小应满足200kpsi。

(2)提高光纤的静态疲劳参数。
当承受到的应力一定时,纤维的使用寿命只与纤维的疲劳参数值有关,疲劳参数值愈大,光纤的寿命也愈长。因此在制造光纤时,设法把石英纤维本身与大气环境隔绝开来,使之不受大气环境的影响,尽可能的把静态疲劳参数值由环境材料参数转变为光纤材料本身的参数,就可以使静态疲劳参数值变得很大,这就是光纤表面的“密封被覆技术”。随着“密封被覆技术”制造光纤的进展,被覆材料的改进,复合被覆层结构,使光纤的光学性能、机械性能和抗疲劳性能都有提高。

(3)提高光纤被覆层的耐高温性能。
由于OPGW光单元中的光纤是在严酷、恶劣的特殊环境下运行,不但要求使用较高强度的光纤,而且光纤被覆材料的耐热性要满足短时300℃、长期100℃的要求,填充纤膏的温度特性也要长期满足上述的温度条件要求。

3.2　合理设计光缆的特性参数、结构

OPGW的特性参数首先要满足线路档距、OPGW弧垂、覆冰负载、风力负载、短路电流水平、防雷击和塔头允许最大张力负载及对纤芯的保护等要求,还要考虑两根地线的匹配和安全系数。OPGW的结构、外径、额定拉断力、最大允许拉力、年平均运行张力、应变限量、直流电阻、最大允许温度范围、短路电流容量等成为一组基本参数,它们之间彼此相关,应根据工程的具体情况进行综合考虑与设计,例如对OPGW外径限制要求不同,会导致其他参数的不同设计结果。由于OPGW中有光单元的存在,因此两根地线的电气、机械、物理参数不可能做到完全一致,不同结构、不同材料特性配置的结果也不一样,在保证光纤余长的前提下,要尽量减少OPGW结构中不承载的截面积,以有利于两根地线的匹配设计。

在新建线路时,要适当提高OPGW的安全系数和外层单线的热容量及熔点,能得到很高的性能价格比。建议在选定OPGW后,再用另一根地线与其相配合。为保证长期的安全运行,OPGW的安全系数至少为提高外层每一根单线的导电性能和增大外层单线的截面,有利于减小受雷击和系统短路时的影响。对原有将地线改造为OPGW的工程,也要尽可能地满足上述要求,有必要时将另一根地线也更换。

OPGW不但要满足光纤数量要求,还要保证光纤的余长要求,余长量的大小在规定的光纤允许张力范围内主要取决于气象条件、光单元结构、制造工艺和OPGW的蠕变。考虑到在OPGW收缩时,会使光纤的弯曲半径过小,产生附加衰耗,光纤的余长也不宜过大。理论上,选择热膨胀系数小的金属单线材料有利于解决光纤余长的配合问题。

目前我国最常用的三种OPGW结构如图1所示,它们各有优缺点,要分别根据工程的特殊情况谨慎选用。图1(a)为中心铝管的OPGW结构,光缆结构好、容纳光纤数量大、机械性能好、可修复性好,但光纤余长控制工艺较复杂;图1(b)为层绞不锈钢管的OPGW结构,制造工艺简单、外径容易配合、光纤余长容易控制,但抗侧压性能较差、雷击影响较大;图1(c)为螺旋骨架槽的OPGW结构,具有前两者的优势,特别适用于恶劣气象条件、大档距、大高差的工程应用,但对光纤的强度要求特别高,并且制造工艺复杂。

3.3　提高OPGW的抗雷击性能

输电线路中地线的主要功能是保护相线不遭受雷击,因此OPGW被雷击属于正常现象,而增强OPGW的抗雷击性能,减少对电网和通信业务的影响是人们关心的问题。在考虑外层每一根单线的导电性能、热熔点和增大外层单线及总的截面的同时,还要从雷击的种类、机理、强度、发生概率、区域性等方面分析,并采取科学的措施,总结国内外相关的一些数据和经验。

(1)OPGW外层单线的直径不小于2.7mm,重雷区不小于3.0mm,中心铝管式OPGW的外径不小于12mm,层绞不锈钢管式OPGW的外径不小于14mm。
(2)OPGW光单元中的单元管及光纤与外层金属单线的热相关性越大,受雷击后对光通信的影响也越大。
(3)国内外很少有OPGW受电力线短路而引起损坏的事件报道,因此适当降低OPGW热容量的安全系数,有利于在OPGW结构设计中提高抗雷击性能的设计,因而要重视OPGW故障电流容量的计算及确定。
(4)OPGW的损伤概率往往比另一根地线高,这与它们在铁塔处的接地有关,因此要同时保证另一根地线和OPGW在每基铁塔处的安全可靠接地。另外,一般考虑OPGW的直流电阻略大于另一根地线。
(5)用导电率为30%～40%IACS加厚铝合金单线制造OPGW有利于提高抗雷击性能,但由此会引起OPGW一些重要特性参数的改变,特别是外径、重量、故障电流容量,因此不宜强求。
(6)提高OPGW抗雷击性能的同时也提高了工程造价,甚至是昂贵的,因此必须进行统计分析该地区雷击级别及覆盖发生概率而后确定抗雷击性能要求,有可能的话将该地区已被雷击的OPGW进行取样试验和对比分析。
(7)OPGW产品的抗雷击性能一般由试验得出,因此用户在产品选择时一定要考虑其对工程环境的适应性,并关注型式试验的标准、方法、装置、程序、合格判据等。

3.4　选择性能优越的材料

用于制造OPGW的金属单线的材料特性直接影响OPGW的特性参数,因此材料的特性不但要作为设计依据提供原始数据,还必须保证其参数的优越性、均匀性与标称值误差小。主要作用于OPGW抗拉性能的单线,其热膨胀系数要小。两层结构的单线,材料之间的结合性能要好,要不容易分离和被剥落。光单元管的制造材料在保证其机械性能的前提下,还要保证其均匀性及气密性。各种材料本身必须有30年以上的寿命,并且物理和化学的稳定性好,特别是防腐油膏与金属单线的化学兼容性、纤膏的稳定性和化学兼容性。

3.5　提高制造工艺及装备水平

在光单元的制造过程中首先要保证光纤的合理余长和余长的均匀性。拼缝焊接式单元管的焊接过程中,高温不应影响到管内的光纤,其焊接质量要实时探测,保证管和光纤100%完好无损,并保证光单元管内壁的光洁度。在单元管内填充的纤膏,其均匀性和填充率要保证防潮、防水、防含氢氧化合物(污染液体)侵蚀的要求。在OPGW成缆绞合过程中,每一根单线的预绞节距、预绞深度、预绞均匀性、预绞精度、不同绞层的张力大小及误差、同层之间不同材料的张力大小及误差、光单元的张力控制及误差都要经过严格计算和控制,还要保证绞合后的节距、均匀性、精度与单线预绞的水平一致,使OPGW外形平整、圆滑、外径一致、不容易散股。同一绞层的金属单线,要尽量选择绝对值相同的直径。

3.6　强调OPGW与金具和附件的配合

OPGW的金具和附件,包括耐张线夹、悬垂线夹、接地线和引下线线夹、防振器件、安装器件和牵引器材。所有金具和接触OPGW的附件必须考虑相互之间的配合性能和兼容性能。
耐张金具预绞丝的内径必须与OPGW的外径相匹配,建议预绞丝的内径为OPGW外径的95%,并保证在90%RTS的张力下,金具与OPGW不允许有相对滑移。大跨距的两侧采用双悬垂线夹,大转角直线塔和大高差处采用两个悬垂线夹。

接地线的载流量和接地线夹与OPGW之间的接触电阻应满足工程设计要求。为防止线夹对OPGW的过度侧压而造成损伤,线夹的内径必须与OPGW的外径相匹配。为防止绞线和光单元的过度疲劳损伤,对每一档OPGW线路必须进行防振方案设计,采取适当的防振措施,并合理地配置和选择防振器材,使振动的频率和幅度控制在一定范围内。要充分考虑不同材料间的接触可能引起的腐蚀。塔头的连接器件,特别是耐张塔,其塔头的适应性和连接器件的连接方式、机械性能、防腐性能必须做详细设计。

3.7　注重产品的试验和检验

型式试验是对基本设计和产品质量进行全面的考核,OPGW的型式试验项目至少包括压应力、拉应力、过滑轮、风振、舞动、蠕变、温度循环、渗水、短路、闪击等。OPGW在正式生产后其结构、材料、工艺有较大改变,可能会影响产品性能,必须重新进行全部或其中一部分的试验。型式试验被认为是保证达到目的的最低标准的方法,为了便于用户在选择制造商生产过程中对产品的质量评估和比较,确保工程的合理性及实际性,制造商必须提供完整有效的型式试验报告文件。型式试验报告中的每项试验,其内容至少应包括试验时间、试验机构(包括试验机构简介)、试验样品及长度、特性参数、结构、金属单线特性及供货商、试验目的、试验系统图(包括试验装置)、试验程度(包括试验标准、试验条件、试验方法和试验过程)、试验数据、合格判据、试验结论及费用等。

OPGW的例行试验是验证制造商提供给用户每一盘OPGW的产品质量(包括材料和制造工艺)和型式试验是否满足设计的性能规范,试验项目可以根据各方面的具体情况确定。

产品的检验包括出厂检验、工厂验收、到货检验、施工前检验、竣工检验。所有这些检验的目的都是保证投入运行的OPGW是满足设计指标和工程质量要求的,并且还有助于区分职责范围、加强质量管理。对于在检验和验收中发现有问题的OPGW,必须得到及时更换。

3.8　择优选择设备制造商

由于OPGW技术比较复杂、专业性比较强,技术、性能有特殊要求,属于不宜采用评审最低投标价中标的招标类型,应当采取综合评估法进行评审,使能够最大限度地满足招标文件中规定的各项综合评价标准的投标作为中标候选人。在技术水平相当的条件下,应优先考虑运行业绩好的制造商中标。

在确定设备制造商过程中,必须确认其能否满足国际/国内的标准和规范要求,是否对其OPGW及配件进行了全面的试验,并对产品的检验与测试水平进行评估以确保其产品的质量。OPGW、配套金具、引入光缆一般可以由一个联合体负责投标,但联合体各方均应当具备承担招标项目的相应能力和具备规定的相应资格条件,并将共同投标协议作为投标文件的一部分。

3.9　正确进行OPGW的施工

工程施工前必须由建设单位组织设计部门、施工单位、制造商现场工程师进行施工图交底和施工方案讨论。

OPGW的施工必须保证用张力放线,并且放线时受到的拉伸力应不超过20%RTS。滑轮直径不得小于OPGW直径的40倍,且最小直径不得小于600mm,牵张场两端的滑轮直径不得小于800mm,在牵张角度偏大的情况下,可以采用双滑轮配合。多段连牵时,必须得到供货方督导的认可。在任何情况下,应避免OPGW表面摩擦或受损。应采用合适的退扭装置,避免OPGW在施工时被过度扭转。在OPGW安装后,当不能立即接头时,光单元端头应做密封处理。施工过程中要绝对禁止OPGW从滑轮槽中不慎滑出。

在原有地线更换为OPGW的施工中,绝对禁止用原有地线直接牵引OPGW,必须采用无中间接头的专用牵引绳。严格按设计的“张力与弧垂表”控制张力与弧垂。塔头与OPGW金具的连接件必须根据设计施工图配置与安装。已作为施工用牵引和紧线的耐张金具,原则上不再用作安装时的耐张金具。光纤接续尽量不要在雨天进行,OPGW的接续最好是一次成功,并应在OTDR的监测下进行,光缆接续盒的安装要严格按制造商的说明书进行。每个光纤接续盒处,对余缆要进行固定和保护,并保证有一定长度的余缆,用于今后的再熔接。

4　提高光中继路由可用性的办法

通信网传输系统由多个单元组成,单是OPGW还不足以实现系统的高可靠性和高可用性。对于所有组成部分,一方面要尽量提高平均故障间隔时间(MTBF),另一方面还要尽量减小平均修复时间(MTTR),在提高每个组成部分可靠性的基础上,从系统的角度进行可靠性分析和设计,将这些单元通过串联、并联、冗余及临时的有效组合等方式构成整个系统,从而保证可用性指标。

4.1　合理应用引入光缆

引入光缆首先要满足光纤种类、光纤性能指标的要求,并与OPGW的光纤指标相匹配,还要满足电气隔离、较高机械强度、阻燃、防弯折、防鼠咬、防水、防腐等性能和功能要求,采用无金属光缆能很好地解决电气隔离问题,采用PVC护套管能减少外力对其的影响,并有利于防弯折和防鼠咬。

为了提高光中继路由的可靠性、可用性指标,建议通过两根引入光缆将OPGW的光纤接入光纤配线系统。

4.2　合理选用光纤配线系统及光缆尾纤

光纤配线系统应包括光纤配线柜、光纤配线单元、光纤直熔单元、光缆固定与接地单元、光纤收线区。其容量要满足远景的最大容量需求,杜绝进行光纤配线系统的改造;其结构应保证施工和运行维护时的安全性,避免对运行系统造成影响;光缆的安装与固定、尾缆(纤)的安装与固定、光纤跳线的安装与固定都要有足够的空间;对光纤走线要有保护措施,并具有较大的光纤弯曲半径和盘纤空间。

应确保光器件优异的物理性能、机械性能、光学特性和良好的产品稳定性,能适应环境温度变化范围。连接器插入衰耗要小,重复和互换附加衰耗要低,连接处的光波反射衰耗要大,光纤种类和工作波长与光缆中的光纤要相对应。对活动连接器件要求允许插拔次数多、寿命长、制造工艺好精度高、制造材料考究、表面处理精细。一个光纤配线系统内的光器件应选用同一制造商的同期产品。

4.3　加强光传输网的规划工作

电力系统光传输网的分级、分层、分区建设,往往要在原OPGW接线盒处进行光缆分支,在设计时应预留此项应用的设备配置,避免更换原有接线盒。

4.4　提高OPGW光纤接续盒的性能

光纤接续盒的性能和结构对光缆线路的可靠性和光中断路由的可用性有着密切关系,必须满足以下要求:

(1)结构工整,安装方便可靠,适应光缆品种、数量、直径、光纤数量的不同要求。当光纤芯数较多时,采用多个翻页式光纤收容盘,并且每一个盘可以独立拆卸,并不会影响其他纤芯的安全运行。要求有足够的空间和弯曲半径,使余纤妥善地存放而不受各种应力,确保光纤的光学特性、机械特性良好。

(2)要具备很好的密封性能和再封装性能。接续盒的封装、再封装、拉伸、弯曲、扭转、温度循环、冲击、压扁等气密性型式试验结果必须保证满足长期运行的要求。因此壳体应有足够的机械强度和很好的密封材料,光缆夹具的内径与光缆的外径应很好地匹配。

(3)线路的长期振动传导至接续盒内,不会对光纤和器件产生影响。壳体内所有器件表面光洁、除去棱角。

(4)所有主件和附件均能保证30年以上的使用寿命,并具备长期的物理和化学的稳定性。设备外壳制造材料用铝合金或不锈钢,固定器件采用不锈钢。为防止被盗和随意开启,接续盒只有使用专用工具才能完成开启和拆卸工作。

4.5　考虑OPGW的可修复性能

当OPGW在受到雷击、电力线短路或其他原因造成外层单线断裂后,若光单元及光纤完好无损(与OPGW结构有关),可以采用修补的办法解决,从而避免长时间的停电影响,提高光中继路由的可用性,降低维修费用。

4.6　加强运行维护

建立OPGW的运行维护规程和设备档案,由线路运行部门对OPGW进行巡视,建议每年进行一次中继段全程光衰耗测试,并与历史数据仔细核对和分析,从而掌握其缺陷和隐患,以便得到有计划安排的处理。

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