官蕾，尤慶亮，3，陳亮明，范和平，3，于潔，3，袁明，3，彭長征，4*

（1.江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院；2.江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院；3.光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.柔性顯示材料與技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430056）

ADSS/OPGW 電力光纜在國家電網(wǎng)信息化中的應(yīng)用及改進(jìn)

官蕾1，尤慶亮1，3，陳亮明2，范和平1，3，于潔1，3，袁明1，3，彭長征1，4*

（1.江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院；2.江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院；3.光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.柔性顯示材料與技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430056）

介紹了ADSS和OPGW兩種常用電力光纜的結(jié)構(gòu)、性能及特點(diǎn)，并針對它們各自的運(yùn)行缺陷提出了幾種光電高分子材料的改進(jìn)策略。重點(diǎn)討論了ADSS/OPGW型電力光纜運(yùn)行中暴露的問題及解決辦法。對于ADSS/OPGW型光纜的推廣應(yīng)用有一定參考價(jià)值。

電力光纜；ADSS；OPGW

電網(wǎng)智能化是當(dāng)前發(fā)展主流。智能電網(wǎng)要求電力系統(tǒng)中輔以信息技術(shù)為支撐，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動化和互動化，其中電力光纜不可缺少。“十一五”末期，我國已建成全世界規(guī)模最大、安全可靠的電力專用光纖通信網(wǎng)絡(luò)。其中，110 kV及以上的網(wǎng)絡(luò)，均采用全介質(zhì)自承重式（All Dielectric Self Supportings，ADSS）或光纖復(fù)合架空地線（Optical Fiber Composite Over?head Ground W ire，OPGW）電力光纜，基本實(shí)現(xiàn)了高壓電網(wǎng)100%光纖化，技術(shù)發(fā)展較為成熟，運(yùn)行維護(hù)中的突出問題表現(xiàn)為電腐蝕較為嚴(yán)重；35 kV和10kV的中壓網(wǎng)絡(luò)，也以ADSS和OPGW型號的電力光纜為主，但全國光纖化程度不到50%，主要受限于施工、運(yùn)行條件不達(dá)標(biāo)；380 kV低壓段網(wǎng)絡(luò)光纖化還未推廣，主要限制于技術(shù)產(chǎn)品不夠成熟［1］。本文分別對電網(wǎng)中最常用的兩種典型電力光纜——ADSS、OPGW進(jìn)行了較為全面的介紹，著重分析了它們各自不同的特點(diǎn)及在電網(wǎng)運(yùn)行中的優(yōu)勢和劣勢。并針對他們各自的運(yùn)行缺陷提出了幾種光電高分子材料的改進(jìn)策略。

1 兩種典型電力光纜——ADSS、OPGW

1.1 ADSS型光纜

ADSS型光纜按結(jié)構(gòu)分可分為中心束管型光纜和層膠束管型光纜兩種［2］。

中心束管型的光纜（圖1），光纖以一定的余長置于填充油膏的PBT（或其它合適的材料）管中，根據(jù)所需的抗拉強(qiáng)度繞包合適的芳綸紗，外護(hù)套根據(jù)耐電場強(qiáng)度劃分可以分為AT護(hù)套耐電腐蝕型（具有抗電痕作用的護(hù)套，110 kV及以上的用）和PE［3］護(hù)套標(biāo)準(zhǔn)型（聚乙烯護(hù)套，35 kV及以下用）。層絞束管型的光纜（圖2）的外部結(jié)構(gòu)類似中心束管型的光纜。不同的是層絞束管型光纜內(nèi)有加強(qiáng)芯，比中心束管式略重，分為多束的小型束管均勻的圍繞加強(qiáng)芯外側(cè)。在實(shí)際的運(yùn)用中，我國電力網(wǎng)絡(luò)除了少數(shù)運(yùn)行情況很好、配套設(shè)備優(yōu)良的線路選用中心束管型光纜，一般都采用層膠束管型光纜［4］。

1.1.1 ADSS型光纜的主要性能

1）機(jī)械性能。由于光纜使用環(huán)境在高空，必須具有抗強(qiáng)風(fēng)力等惡劣條件性能，才能確保安全可靠地運(yùn)行。光纖本身并不具有很好的抗拉伸強(qiáng)度，ADSS型光纖電纜的設(shè)計(jì)充分的利用了光纖的絞合余長，將光纖和芳綸絞合纏繞。在受到外力作用的時(shí)候，利用芳綸本身良好的機(jī)械性能，保護(hù)了留有余長的光纖，從而實(shí)現(xiàn)了電纜中光纖的零張力設(shè)計(jì)［5］?？梢哉f，ADSS型電力光纜的機(jī)械性能不取決于光纖部分，而取決于絞合的芳綸部分。

2）電氣性能。運(yùn)行中的光纜必須要能承受空間中的強(qiáng)電場、電位差、擊穿電流等情況，出現(xiàn)事故時(shí)將產(chǎn)生大量的熱，融化外護(hù)套，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致斷纜，給電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行帶來嚴(yán)重破壞。但不同的電壓等級的電網(wǎng)中，運(yùn)行空間里的電場強(qiáng)度，電位差又有很大的區(qū)別。由于運(yùn)行環(huán)境的特殊性，在設(shè)計(jì)ADSS型光纜時(shí)必須充分的考慮到光纜的電氣性能，才能確保其安全可靠。然而，一味選用最優(yōu)質(zhì)的抗電痕的保護(hù)套，會增大建設(shè)初期的投資費(fèi)用［6］。而盲目降低成本，又不能確保運(yùn)行的高效性和實(shí)用性。所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)施工中，施工設(shè)計(jì)人員一般會根據(jù)不同的電壓等級、運(yùn)行環(huán)境等因素，選用合適型號的外護(hù)套，確保安全而又經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案。

1.1.2 ADSS型光纜的適用特點(diǎn)ADSS型光纜能在電力系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)中廣泛地推廣和運(yùn)用，與其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能，方便的運(yùn)行維護(hù)特點(diǎn)有很大的關(guān)系，其適用特點(diǎn)有：①在施工時(shí)直接利用現(xiàn)有的電力桿塔資源，節(jié)省了建設(shè)投資費(fèi)用和空間資源，具有初期投入成本低的特點(diǎn)［7］。②可以在電網(wǎng)不斷電的情況下，實(shí)現(xiàn)施工、運(yùn)行、維護(hù)等一系列的相關(guān)工作。這樣的特點(diǎn)在對供電要求嚴(yán)格的特殊區(qū)域有很大的優(yōu)勢。③重量較輕，采用自承重式，可以滿足大跨度（1 000m以上）的桿塔上的架設(shè)［8］。

1.2 OPGW型電力光纜

OPGW具有傳統(tǒng)地線防雷的功能，對輸電導(dǎo)線抗雷電提供屏蔽保護(hù)的作用，同時(shí)通過復(fù)合在地線中的光纖來傳輸信息。常見的OPGW結(jié)構(gòu)主要有3大類，分別為鋁管型、鋁骨架型和不銹鋼管型［11］（見圖3）。

圖1 中心束管型光纜結(jié)構(gòu)截面圖Fig.1 Sectionalview of center beam cab le

圖2 層膠束管型光纜結(jié)構(gòu)截面圖Fig.2 Sectional view of layerm icelles tube cab le

圖3 OPGW光纜結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Optical cab le structure of OPGW

圖3（a）所示為鋁管型結(jié)構(gòu)的OPGW型光纜。鋁管大致分為無縫、焊接和縱包3種。光纖單元置于電纜里面的鋁管中，可以是單松套管、層絞松套管、SZ絞扎紗的一次被覆光纖束或緊包光纖，管內(nèi)填充阻水油膏或包覆隔熱層［12］。作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，通常內(nèi)層絞合（鋁包）鋼線、外層絞合鋁線或者合金線，兩層絞線方向相反，最外層為右向。

圖3（b）所示為鋁骨架型結(jié)構(gòu)的OPGW型光纜。一般在鋁骨架上以螺旋狀開槽，槽內(nèi)放置光纖松套管、SZ絞扎紗的一次被覆光纖束、緊包光纖或帶纖。作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，骨架外一般為焊接或縱包鋁管，有時(shí)會取消［13］。絞線的要求與鋁管型相同。

圖3（c）所示為鋼管型結(jié)構(gòu)的OPGW型光纜，也被稱為不銹鋼型結(jié)構(gòu)光纜。光纖以一定的余長置于填充油膏的不銹鋼管內(nèi)，該鋼管取代一根或多根（目前最多為3根）單絲放入內(nèi)絞線層，成為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。絞線要求與鋁管型相同［14］。

1.2.1 OPGW型光纜的主要性能

1）機(jī)械性能。類似于ADSS型光纜，OPGW型電纜同樣也采用了絞合技術(shù)，以提高其機(jī)械性能。由于OPGW型電纜同時(shí)替代了地線的作用，必須盡可能地和另外的一條地線保持一致。為此，OPGW型電纜一般采用光纖和金屬進(jìn)行絞合，既保證了其傳信號的功能，也保證了其地線的作用［15］。

2）電氣性能。OPGW的電氣性能主要表現(xiàn)在抗雷擊能力和耐高溫能力。雷擊損傷為OPGW型電力光纜運(yùn)行中的突出問題，要提高其抗雷擊能力就需提高其導(dǎo)電能力，而提高導(dǎo)電能力又和其張力等機(jī)械強(qiáng)度要求存在矛盾。而當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，OPGW上會通過很大的短路電流，從而引起溫度的快速上升，會影響其正常運(yùn)行，也會對保護(hù)套造成嚴(yán)重的損傷。在設(shè)計(jì)初期，若對短路電流的計(jì)算值估測偏大，對熱效應(yīng)估算偏大，會導(dǎo)致選用的光纜型號偏高。這樣會使得材料費(fèi)用過高，同時(shí)增大了桿塔的承受力度。反之，若計(jì)算估測的電流值偏低，其安全穩(wěn)定運(yùn)行將得不到保證［16］。

1.2.2 OPGW型光纜的適用特點(diǎn)OPGW型電力光纜能在各電壓等級的輸電網(wǎng)絡(luò)中廣泛運(yùn)用，和其優(yōu)質(zhì)的信號傳輸，抗電磁干擾等特點(diǎn)密不可分，其使用特點(diǎn)有：①具有傳輸信號損耗小、通信質(zhì)量高的優(yōu)勢［17］。②具有抗電磁干擾的特點(diǎn)，可以安裝在輸電線路桿塔頂部而不必考慮最佳架掛位置和電磁腐蝕等問題［18］。③適用于多種電壓等級的輸電線路，相對而言，運(yùn)行年限更長［19］。④與電力網(wǎng)絡(luò)中的地線同為一體，避免了重復(fù)建設(shè)和維護(hù)的巨大費(fèi)用。⑤安全性好，不易被盜割，也不易遭到破壞性槍擊［20］。

2 ADSS/OPGW型電力光纜運(yùn)行中暴露的問題及對策

由于運(yùn)行環(huán)境的特殊性，ADSS電力光纜在與高壓電線及其與大地之間的電容耦合時(shí)會在電力光纜表面產(chǎn)生空間電位差，特別是在雨雪、烈日、冰霜等惡劣氣象環(huán)境及塵垢影響下，會使電力光纜表面的護(hù)套受到灼傷并形成電痕［9］，電痕的形成會加速電力光纜護(hù)套的老化與損傷［21］；并且由于高海拔鹽霧地區(qū)的空氣雜質(zhì)顆粒物等因素，護(hù)套腐蝕問題突出；電力光纜實(shí)際運(yùn)行中另外一個(gè)重要問題是短路電流引起的事故將產(chǎn)生大量的熱，融化外護(hù)套，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致斷纜，給電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行帶來嚴(yán)重破壞，此外對于OPGW電力光纜，雷擊問題已經(jīng)成為影響安全性能的重要因素［22］。因此開發(fā)高性能的護(hù)套料及不斷優(yōu)化護(hù)套表面結(jié)構(gòu)從而避免電力光纜損傷是極為重要的發(fā)展方向［10］。

2.1 抗電痕性能的改進(jìn)辦法

為解決電力光纜表面的護(hù)套受到灼傷并形成電痕的問題，我們可以從兩方面來著手。一是突破科學(xué)技術(shù)難關(guān)。采用新的三維仿真技術(shù)，模擬出最真實(shí)的高壓線路電場分布，優(yōu)化電力光纜的金具掛點(diǎn)，減少電纜表面的高壓電位差，從源頭減少漏電流的產(chǎn)生，避免電腐蝕。二是繼續(xù)研發(fā)高耐電痕的護(hù)套料，加大保護(hù)套的防護(hù)強(qiáng)度，延長使用壽命，具體從以下幾方面著手：

1）采用非極性的聚合物材料基料，如聚乙烯（PE），而不能使用極性較強(qiáng)的聚氯乙烯（PVC），這也是普通的聚乙烯護(hù)套料可以用于12 kV以下的電場中的原因。

2）降低護(hù)套料內(nèi)的碳黑的含量（一般低于2.6%），同時(shí)添加其他同類的抗紫外線添加劑，做到既能保證護(hù)套的耐環(huán)境應(yīng)力開裂及抗紫外線老化的能力，又能提高護(hù)套的絕緣性能和抗電痕化的能力，但是由于光纜長期架設(shè)在戶外，導(dǎo)電塵埃易附著其表面，而使護(hù)套表面的絕緣性能和抗電痕性能會受到影響。

3）在護(hù)套料內(nèi)添加三水合氧化鋁（ATH），電弧產(chǎn)生的熱量會使ATH分解放出水蒸氣，水蒸氣帶走了熱量使護(hù)套表面溫度降低而導(dǎo)致電痕化的中止，但ATH添加的比例也是有限的，添加過多會降低護(hù)套的機(jī)械性能。

4）采用XLPE來提高護(hù)套的耐溫等級從而達(dá)到抗電痕的目的，這在架空絕緣線和熱收縮電力電纜終端上已有使用，但因其工藝較復(fù)雜而目前在光纜上還很少采用。

5）在非極性的聚合物基料內(nèi)通過添加特殊的抗電痕的添加劑，使護(hù)套料具有較弱的極性來均勻表面的電場，從而提高護(hù)套的抗電痕性。極性強(qiáng)弱的控制至關(guān)重要，太強(qiáng)反而耐電痕性更差，太弱則與普通聚已烯性能接近，耐電痕性能則無明顯提高。

在國外還有人使用半導(dǎo)電的芳綸和護(hù)套來均勻ADSS型光纜表面的電場，消除電痕的產(chǎn)生。

2.2 抗雷擊性能的改進(jìn)辦法

對于OPGW型電纜，因其與高壓線路同桿架設(shè)，且兼做地線，雷擊問題已經(jīng)成為影響OPGW安全性能的重要因素。具體說來，運(yùn)行中雷擊損傷嚴(yán)重，主要是由于電纜的某些性能要求（如導(dǎo)電性）和抗雷擊性能存在矛盾，設(shè)計(jì)施工中難以兩全其美。若能精確設(shè)計(jì)，找到最優(yōu)化的方案，避免雷擊次數(shù)和損傷，將較大地提高其運(yùn)行安全可靠性。

有人提出改善光纜結(jié)構(gòu)和股線形狀，調(diào)整外層股線材料的配比，降低雷擊率。前者主要是通過在外層股線和內(nèi)層股線間留有空氣隙的方式，以防止外層熱量傳導(dǎo)至內(nèi)層和光纖，以保護(hù)內(nèi)層光纖。后者主要通過提高外層單絲的抗雷擊水平，但這樣的方式存在著缺陷，因增加了用材，使得光纜自身重量加大，對鐵塔承重造成壓力，增加施工難度，同時(shí)還增加了生產(chǎn)成本。

此外為了保護(hù)內(nèi)層光纖，防止上述原因外層熱量傳導(dǎo)至內(nèi)層材料和光纖，可通過提高現(xiàn)有光纖涂料和纖膏的耐高溫性能，對光纜內(nèi)的光纖起到有限的保護(hù)作用，從而延長其使用壽命。華爍科技股份有限公司研究開發(fā)的耐高溫光纖涂料（長期工作溫度200℃）和耐高溫光纖膏（長期工作溫度120℃）一定程度上滿足了這些特定條件下的使用。

2.3 抗鹽霧腐蝕性能的改進(jìn)辦法

針對高海拔鹽霧地區(qū)的空氣雜質(zhì)顆粒物等因素導(dǎo)致護(hù)套腐蝕嚴(yán)重的情況，可以通過引入納米表面結(jié)構(gòu)的方式，形成類似于荷葉型的自清潔表面（見圖4），減少甚至避免空氣雜質(zhì)顆粒物的粘附，保證護(hù)套表面潔凈從而減少鹽霧腐蝕。

圖4 荷葉表面電鏡圖及荷葉表面對照圖Fig.4 Electron m icrograph of the su rface of the lotus leaf&Lotus leaf su rface

3 結(jié)語

綜上所述，ADSS/OPGW型電力光纜具有施工、運(yùn)行、維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)性好，能滿足智能電網(wǎng)的要求，在世界范圍內(nèi)得到廣泛推廣使用。通過對該類型光纜使用的高分子材料的進(jìn)一步的研究開發(fā)，完全可以改善直至克服耐電腐蝕性能和防雷擊損傷的弊端［23］。

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App lication and Im p rovem ent of ADSS/OPGW Electric Op ticalCab le in State G rid Inform atization

GUAN Lei1，YOU Qing-liang1，3，CHEN Liang-ming2，F(xiàn)AN He-ping1，3，YU Jie1，3，YUANMing1，3，PENG Chang-zheng1，4
（1.SchoolofChemistry and Environmental Engineering，Jianghan University；2.Schoolof Physics and Information Engineering，Jianghan University；3.Key Laboratory ofOptoelectronic ChemicalMaterials and Devices ofMinistry of Education；4.Flexible Display Mater&Tech Co-Innovation Center ofHubei，Wuhan，430056，Hubei，China）

Introduces the structure，property and characteristics of two kinds of common power cablewhich are ADSSand OPGW，proposes improvement tactics of several opto-electrical polymer meterials towards their operational defect.Discusses the operational problems and solvingmethods of electric optical cable of ADSS/OPGW.Itprovides the reference value to popularize the ADSS/OPGW cable.

electric optical cable；ADSS；OPGW

TN818

A

1673-0143（2014）01-0023-05

（責(zé)任編輯：葉冰）

2013-12-11

官蕾（1988—），女，碩士生，研究方向：電力光纜系統(tǒng)集成。

*通信作者：彭長征（1968—），男，研究員，研究方向：光纖光纜用功能高分子材料。E-mail：282042169@qq.com