罗江桥
广东瑞兴工程设计有限公司 广东 佛山 528200
摘 要: 主要介绍在运行中的线路加挂全介质自承式光缆（ADSS）或架空地线更换为光纤复合地线（OPGW）的设计。
关键词:光缆设计
随着电力通信的发展需要，经常需在运行中的线路加挂ADSS光缆或将已有架空地线更换为OPGW光缆以满足电力部分通信需求。
光缆设计中更多的是线路方面的力学计算，用线路设计的方法架设或敷设光缆提供给通信使用，本文针对珠三角地区（无覆冰区）光缆设计进行探讨。
一 、收集线路资料
在运行的线路上挂光缆，首先要收集线路资料。一般应到线路运行部门或档案室收集。收集线路资料如下：
1、设计说明书
由设计说明书中收集气象条件，导地线参数、安全系数，有关线路路径地形情况的叙述，交叉跨越等。
2、线路路径图
光缆设计要有光缆路径图，需收集线路路径图对应绘制光缆路径图；若收集不到线路路径图，需现场调绘将路径标于地图上。
3、杆塔明细表
杆塔明细表中应标明杆型、档距、垂直档距、转角、导地线型号、交叉跨越等。结合杆塔明细表现场核实地线架设和交叉跨越情况。
4、杆塔一览图
由杆塔一览图了解杆塔型式，是铁塔、钢管杆还是砼杆，砼杆是等径杆还是拔梢杆等。对于OPGW光缆，还要收集杆塔的地线悬挂方式、首金具等。
5、变电站总平面图
需收集标有电缆沟的电气总平或土建总平面图，两端变电站的出线构架型式，是砼杆还是钢管杆、杆径多少，或钢结构构架。
6、若埋地敷设的光缆沿10kV电缆通道走线，需了解10kV电缆通道是否有预留位置，过路是否有预留穿管等。
根据收集到的资料，需到现场重点核对。如交叉跨越情况，大跨越情况等。现场核对砼杆是等径杆还是拔梢杆，杆径多少，有无拉线。一般砼拔梢杆的锥度为1/75，钢管杆的锥度不标准，可在不同杆型钢管杆间隔1～2m处量杆身周长，换算出直径和锥度，以便要在钢管杆的某一高度挂ADSS光缆时，测算该处的杆身直径，配置夹具。
二、光缆的选择
1、全介质自承式光缆（ADSS）的选择
ADSS光缆选择主要是光缆外护套和光缆强度的选择。
ADSS光缆有PE护套和AT护套两种。通常PE型外护套保证耐压为15kV，AT型外护套保证耐压为25kV。由于原材料等因素， ADSS光缆往往达不到要求的耐压数值。因此，PE护套按允许耐压10kV，AT护套按允许耐压20kV考虑。
目前，在35kV及以下电压的线路上才采用PE护套的ADSS光缆；110kV及以上线路均采用AT护套的ADSS光缆。运行经验表明，220kV及以上线路ADSS光缆发生不少电腐蚀而断线的事故，在较早采用ADSS光缆的年代，广东省220kV及以上线路经常发生因电腐蚀而断线的光缆事故。2003年电力特种光缆技术研讨会上，与会代表建议220kV及以上线路尽量不采用ADSS光缆。
ADSS光缆规格按A1～A12分别用于最大档距100～1200m的线路。用于较大档距的光缆，内部芳纶数量较多，强度较大。没有足够的强度，不能保证光缆运行的安全，但并非光缆的强度越大越好；光缆的强度越大，意味着光缆的运行张力越大，杆塔的承受荷载越大，同样是不安全的。
2、光纤复合地线（OPGW）的选择
OPGW光缆规格的选择主要是光缆的外径、破断强度和短路电流容量的选择。
由于OPGW光缆是作为架空地线使用的，对于运行中的线路，OPGW光缆的机械参数（主要是外径和破断强度）应与原有的架空地线相近。例如，原有架空地线为GJ-50，其外径为9mm，破断强度为58204N；更换的OPGW外径应接近9mm，破断强度相近即可，其最大使用张力可通过弧垂变化加以调整。由于光缆要求外径较小，只能采用中心束管式光缆，通信运行部门可能不太满意，但是，原有线路已经运行多年，若采用直径较大的光缆，原有杆塔可能承受不了，运行中若发生倒杆断线，再好的光缆也随之破坏。
OPGW光缆选择的另一个重要参数是短路电流容量。在发生单相接地短路故障时，OPGW光缆上有一个与单相接地短路电流相近的感应电流，当这个感应电流通过OPGW而入地的过程中会使OPGW发热而对其中的光纤造成损害，因此，需选择有足够短路电流容量的OPGW规格，或是将另一根架空地线改为良导体，为OPGW分流。
OPGW光缆的短路电流容量由线路单相接地短路电流的平方与继电保护跳闸时间的乘积决定的。继电保护跳闸时间（即单相短路后故障排除时间）一般500kV线路取0.2s，220kV线路取0.25s，110kV线路取0.3s。华东某光缆专家论证发现，220kV线路单相短路后故障排除时间不足0.15s，因此，上述继电保护跳闸时间已有相当的裕度。
关于OPGW光缆短路电流容量的选定，存在较多不确定因素。如单相接地短路电流值是取变电站母线的数值，实际上线路发生单相接地短路的情况很少，单相接地短路发生在变电站母线或出线的终端塔的或然率就更小。而且，即使在变电站附近发生单相接地短路，在OPGW光缆上产生感应电流发热，也要持续一定时间才足以使光缆熔化损坏。迄今为止，尚未发生过因单相接地短路而使光缆烧断的事故，因此专家不主张过分考虑OPGW光缆的短路电流容量，因为短路电流容量大的光缆截面大、直径大，给杆塔带来的机械荷载也大，其所产生的不安全因素是长期的，对线路运行更加不利。
光缆设计首先应保证运行线路的安全，光缆不过是运行线路的一个部件，只有运行线路本身是安全的，才有光缆的安全，这是我们考虑问题的基本出发点。
三、 ADSS光缆的挂点选择
ADSS光缆的优点是有一定的强度，不需要依附于任何绞线而独立架设。投资少，轻便，悬挂在杆塔的任何部位均不会增加杆塔太大的荷载，施工方法简单。由于这些优点，ADSS光缆便于在运行中的线路上挂线。它的缺点是在高场强下，容易产生电腐蚀。
要避免ADSS光缆电腐蚀，应根据线路电压选择合适的光缆外护套，另需合理选择ADSS光缆在杆塔上的挂点。110kV线路宜选择杆塔上场强不大于15kV的位置作为光缆挂点，220kV线路宜选择杆塔上场强不大于20kV的位置作为光缆挂点。
ADSS光缆的挂点分为上导线与架空地线之间和下导线之下两种方式。
光缆挂点选在上导线与架空地线之间，应尽量上移。该位置挂线特点如下：
1、光缆挂于杆塔顶部，是电场强度较低的部位，该位置场强不超过10～15kV，低于光缆最大容许场电压，ADSS光缆不易产生电腐蚀，有利于光缆的安全运行。
2、在进行更换架空地线、导线补修、更换绝缘子、调整防振锤等作业，不会伤及光缆。
3、光缆挂于导线之上，不易受到外力破坏。
4、光缆挂于杆塔顶部，弧垂可适当放大，张力相应降低，有利于光缆安全运行。
5、光缆在铁塔上固定于一根塔材上，顶部塔身较窄，光缆不易被另一塔材磨伤。
6、由于光缆挂于杆塔顶部，需要停电施工。
上述特点是针对无覆冰区，对于覆冰区特别是冰厚15mm以上的重冰区，覆冰时弧垂较大，ADSS光缆不宜挂在杆塔顶部。
对于220kV线路，若ADSS光缆挂点选在下导线之下，只能在下导线挂点约2m以下，对于直线杆塔也就是下导线横担之下约5m以下的塔身或杆身挂线，才能找到较安全的场强位置挂线。
对于110kV线路，若采用AT护套的ADSS光缆，较易在杆塔下部找到场强不大于15kV的挂点位置。一种是在下导线挂点约1m以下，对于直线杆塔也就是下导线横担2.5m以下的塔身或杆身挂线；此时光缆在档距中位于下导线之下，优点是可不停电施工，但由于光缆在下导线之下，可能出现对交叉跨越物安全距离不足的现象。另一种在下导线挂点之上约1m处，对于直线杆塔也就是下导线横担0.5m以下的塔身或杆身挂线；由于光缆在下导线之上，这种挂点位置的优点是不需要考虑交叉跨越的问题，同时光缆不容易被外力破坏和被盗。
对于10kV及以下线路，光缆挂点位置一般取下导线之下0.7～1.0m的塔身或杆身处，但要注意带有刀闸、变压器等设备的杆塔，选择与导线有安全距离处挂线。
ADSS光缆在杆塔上的挂点，应基本按照设计的挂点尺寸施工，并按尽量靠近杆塔节点的原则作适当调整（一般在±0.3m范围），避开砼杆的抱箍、支架或铁塔的节点板。
四、光缆的弧垂
1、OPGW光缆弧垂计算
OPGW光缆在线路中是作为架空地线使用的，要求在外部过电压的情况下，在档距中央与导线的净空距离不小于0.012L+1m。
对于将原有地线更换为OPGW光缆的线路，需逐步调整OPGW光缆的安全系数和年平均运行张力系数，使光缆在外部过电压的情况下的弧垂值（特别是计算档距较大的弧垂）接近地线弧垂值。一般情况下靠调整年平均运行张力系数达到目的，当年平均运行张力系数确定后，还应调整安全系数，确保杆塔受力不超过设计值。
2、ADSS光缆弧垂计算
ADSS光缆的强度是依靠芳纶形成的，它与金属绞线不同，其线性膨胀系数较小，即其弧垂随温度的变化比金属绞线小。因此，ADSS光缆可以在任何气温下均采取同一个弧垂数值。
若ADSS光缆挂在架空地线与上导线之间，ADSS光缆弧垂可采用架空地线最高气温的弧垂值。若ADSS光缆挂在下导线横担之下，架设在导线之下时ADSS光缆弧垂可采用导线最高气温的弧垂值，架设在导线之上时ADSS光缆弧垂可采用导线最低气温的弧垂值。由于ADSS光缆的弧垂依赖导地线弧垂确定，因此需按不同耐张段给出不同的光缆弧垂。
同时，可根据挂点位置、弧垂以及光缆对导线的最小净空间隙要求，确定光缆弧垂。
ADSS光缆对导线的最小净空间隙要求可参照线路设计规程，即10kV线路取0.2m，35kV 线路取0.5m，110kV线路取1.1m，220kV线路取2.1m。
五、光缆的盘长及接头盒位置的确定
光缆制造盘长不宜超过 5km，一般按耐张段长约3～4.5km作为光缆分盘点。光缆分盘时，两端光缆一般固定在耐张杆塔上，所以光缆的盘长首先取决于两耐张杆塔之间的长度。配盘应服从线路的耐张段，为减少光纤接头，几个相邻的较小耐张段可以合并。
对于转角度数超过70°的杆塔位，应优先选作光缆分盘点，线路中有两个及以上90°转角或4个45°转角时，应尽量分盘。
对于大跨越耐张段，两端耐张塔即使未作为光缆分盘点也应设置光缆接头盒，以便为施工创造大跨越耐张段独立施工的条件。
对于重要的交叉跨越，如铁路、高速公路、多回路高压线等要求施工和抢修时间短的跨越，其附近的耐张转角杆塔，即使未作为光缆分盘点也应设置光缆接头盒，以便为施工缩短跨越操作时间创造条件。
对于光缆分支处的杆塔，应设光缆接头位。
对于进出线段，由双回路变为单回路，多回路变为单回或双回路的耐张杆塔，即使未作为光缆分盘点也应设置光缆接头盒，以便为施工创造分期施工条件，减少停电时间。
光缆分盘点还要考虑是否有放紧线施工场地，应根据线路资料或现场勘察，尽量避免在沼泽、较陡峭的山脊、深谷等不利的地形处接头。应尽量选择交通便利、方便运输和获取公用设施的地点接头。对位于高山峻岭的线路，若有放紧线施工场地，盘长尽可能短。
光缆盘长L一般按下式计算：L=线路段长×k+H+h+2B
式中，k指考虑弧垂和地形高低而增加的线长系数，如平原取1.02～1.03，丘陵取1.03～1.04，山区取1.04～1.05；H指光缆起端杆塔高度；h指光缆末端杆塔高度；B指牵引预留长度，一般取30米。
若变电站侧采用ADSS光缆敷设，需增加站内的所需长度。根据变电站的大小，一般110kV变电站取250～300米，220kV变电站取300～400米。
六、光缆线夹选择
光缆线夹的选择，取决于光缆的外径和破断张力。光缆的外径必须在线夹的适用直径范围内。耐张线夹的握力应不小于光缆的破断张力，而悬垂线夹的握力应在光缆的破断张力18～20%。
光缆的耐张金具串最好有调整板，以便按设计要求调整弧垂。
OPGW光缆悬垂串需要注意第一个金具与原杆塔相同。对于首金具为U型螺丝的杆塔，可能会因线路运行日久产生锈蚀，难以拆卸更换，可保留不动，用U形环作为首金具挂线。
ADSS光缆金具串需借助挂线夹具安装。需根据挂点处杆塔构件尺寸绘制相应的挂线夹具。
七、杆塔强度的检验
对于OPGW光缆，在光缆选型时，需保证杆塔受力不超过原有设计值。无原有杆塔设计资料时，光缆的机械参数应尽可能接近原架空地线的相应数值。
对于ADSS光缆，由于其张力小，而耐张杆塔使用时一般均未达到设计荷载，有一定的裕度，较少对耐张转角杆塔造成威胁。对于原有线路荷载较大的耐张杆塔，可将ADSS光缆适当放松，减小其张力，降低荷载。直线杆塔强度一般由水平荷载控制，也就是由水平档距的大小控制；一般直线杆塔的使用亦未达到设计强度的控制荷载，有一定的裕度，挂ADSS光缆后，不会发生问题。对于较大水平档距的杆塔，可在档距中间，增加独立的砼杆挂ADSS光缆，使其水平档距减小。打拉线的砼杆，荷载主要由拉线承担，而拉线一般有较大的储备强度。
若需要补强杆塔时，一般采取打拉线的方法，以避免长时间停电。如对不带拉线的直线砼杆，可增加防风人字拉线。对直线铁塔，可在塔身顶部增加防风人字拉线。对挂光缆终端串的杆塔，可在光缆的反方向增加拉线。
八、光缆在变电站内的敷设及管道光缆的敷设
根据收集到的变电站总平面图重新绘制适合比例的《光缆敷设平面图》，标示出主控楼、高压室、电缆沟、进出线构架的相对位置，绘制光缆的敷设路径。
OPGW光缆进站引下时应至少两点接地。光缆入地处穿镀锌钢管保护，光缆在电缆沟内敷设，需穿PE塑料软管保护。若电缆沟内同时有多根光缆，应分别采用不同颜色的塑料软管，便于运行维护辨识，另需根据运行要求做好防火处理。
管道光缆沿城市规划指定的位置走线，直线通道约100m左右设置一个光缆井，转弯处均需设置光缆井。光缆接头处的光缆井在砌筑时预埋一根镀锌角钢固定光缆接头盒。光缆采用PVC管穿管敷设，PVC管埋深0.7～1.0m，过路埋设Φ150×3.0镀锌钢管通过。在整个穿管敷设中，同样须穿PE塑料软管（子管）保护，多根光缆采用不同颜色的塑料软管。
九、结语
输电线路配套光缆设计首先应了解杆塔荷载，合理选择光缆型号，合理分盘，然后根据线路资料，用线路设计的方法架设光缆为通信服务。
参考文献
[1] 张殿生主编. 电力工程高压送电线路设计手册（第二版）. 中国电力出版社. 1999