ADSS光缆主要技术参数.doc

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1、ADSS结构光缆结构设计与计算工艺摘要:从ADSS光缆的结构特点入手,分析了光纤余长和抗张元件在ADSS光缆设计中的重要地位,详细阐述了层绞式ADSS光缆中绞合余长的产生机理和控制方法以及加强元件芳纶纱的选取原则和求解过程,并提出了ADSS光缆的发展方向和开发前景。我国的电力输电线路总长度排名世界第二。据统计，现有的110KV及以上线路就有31万公里，还有大量的35KV/10KV老线路。虽然近年来国内OPGW需求量急剧增加，ADSS光缆的需求量仍是稳中有升。 关键词: ADSS光缆;光纤余长;芳纶纱Design and calculation of the structure of ADSS

2、structureAbstract: from the structure characteristics of ADSS optical cable, optical fiber is analyzed Yu Changhe tensile element in the important position of ADSS cable design, in detail elaborated the gysts stranded ADSS cable in yu long mechanism and control methods and strengthening element of a

3、ramid yarn selection principle and solving process, and put forward the development direction of ADSS cable and development prospects. China has the second largest power transmission line in the world. According to statistics, there are 310,000 kilometers of existing 110KV and above, and a large num

4、ber of 35KV/10KV old line. Although the demand for OPGW has increased sharply in recent years, the demand for ADSS optical fiber is still rising.Key words: ADSS optical cable; Fiber length; Aramid yarn0引言随着信息技术的高速发展,电力系统使用光纤通信技术日益增多。在电力通信网从主干线到接入网大面积光纤化的进程中,电力特种光缆的作用是无可替代的。如今广泛应用的电力特种光缆主要有两种:光纤复合架空地

5、线OPGW和全介质自承式光缆ADSS,其中ADSS光缆以其优越的性能价格比成为旧电力线路改造和农用电力通信线路建设中的首选。1 ADSS光缆简介ADSS光缆对老线路是一种“添加物”，ADSS光缆只能尽量去适应原有的线路条件，这些条件包括(但不限于)气象负载、杆塔强度和形状、原有导线的相序排列和直径、弧垂张力和跨距及安全间距等。虽然ADSS光缆外观上与普通的“全塑”或“非金属”光缆相仿，但却是两种完全不同的产品。 目前，国内外主要流行两种ADSS光缆。 1.1ADSS光缆的结构特点ADSS光缆在结构上等同于普通光缆,根据缆芯结构的不同分为中心管式和层绞式。中心管式光缆是将光纤以一定的余长置于填充

6、油膏的PBT松套管内,而层绞式光缆则是将光纤松套管绞制在中心加强件FRP上后再被覆内护套。图1所示为层绞式ADSS光缆的结构。由于ADSS光缆与电力线路同塔架设,不但长期处于受力状态,而且在环境恶劣的情况下光缆的应变还会进一步加大。为保证缆内的光纤不受力,光缆的工作应变就必须控制在设计拉伸应变窗口以内,所以,增加光缆的抗拉力,增加光纤在缆中的余长,是ADSS光缆的主要设计目标。两种不同结构形式的ADSS光缆产生光纤余长的方式是不一样的,中心管式ADSS光缆的光纤余长为套塑余长,层绞式ADSS光缆的光纤余长为绞合余长。由于绞合余长大于套塑余长,因而层绞式ADSS光缆得到了更广泛的应用,成为ADS

7、S光缆的主流。ADSS光缆中主要的抗张元件为外置加强件芳纶纱。在ADSS光缆的设计过程中,除要根据光缆抗拉强度的要求选取芳纶纱的绞制根数外,还要根据光缆的具体使用要求合理设定芳纶纱的螺旋绞合节距和放线张力的大小,以保证其承受拉伸力的大小和出力的一致性。1.2 中心管式结构： 光纤以一定的余长置于填充阻水油膏的PBT（或其他合适材料）管中，根据所需要的抗拉强度绕包合适的纺纶纱，再挤制PE（12KV电场强度）或AT（20KV电场强度）护套。 中心管结构易于获得小直径，冰风负载较小；重量也相对较轻，但光纤余长有限制。 1.3 层绞式结构： 图三 ADSS 光缆光纤松套管以一定的节距绕制在中心加强件（

8、一般为FRP）上后挤制内护套（在小张力和小跨距时可省略），然后根据所需要的抗拉强度绕包合适的纺纶纱，再挤制PE或AT护套。缆芯可填充油膏，但当ADSS工作在较大跨距并带有较大弧垂的状况下，由于油膏的阻力较小，缆芯易“滑动”，松套管节距易发生变化。用合适的方法把松套管固定在中心加强件上和干式缆芯可以克服，但有一定的工艺难度。层绞结构易获得安全的光纤余长，虽然直径和重量相对稍大，在中大跨距应用时较有优势。ADSS光缆工作在大跨距两点支撑的（通常为数百米，甚至超过1公里）架空状态，与传统概念的“架空”完全不同（邮电标准的架空吊线挂钩程式，平均0.4米对光缆有1个支点）。所以，ADSS光缆的主要参数与

9、电力架空线的规程接轨。 1.4最大允许使用张力（MAT/MOTS） 指在设计气象条件下理论计算总负载时，光缆所受到的张力。在此张力下，光纤应变应0.05%（层绞）和0.1%（中心管）且无附加衰减。通俗而言，即光纤余长在这一控制值上刚好被“吃”完。根据该参数和气象条件以及控制的弧垂，可计算在此条件下光缆的允许使用档距。因此，MAT是弧垂-张力-跨距计算的重要依据，也是表征ADSS光缆应力应变特性的重要证据。 1.5额定抗拉强度（UTS/RTS） 指承载截面（主要计纺纶）强度之和的计算值。实际破断力应95%计算值（光缆中任意元件的断裂均判为缆破断）。该参数并不是可有可无的，很多控制值与之相关（例如

10、杆塔强度、耐张金具、防震措施等）。对光缆专业而言，如果RTS/MAT（相当于架空线的安全系数K）的比值不恰当，即使用了很多纺纶，而可用的光纤应变域很窄，则经济/技术性能比很差。因此，笔者建议业内人士关注这一参数。通常，MAT约相当于40%RTS。 1.6年平均应力（EDS） 有时称为日平均应力，是指在无风无冰及年平均气温下，理论计算负载时光缆所受到的张力，可认为是ADSS在长期运行时的平均张（应）力。EDS一般为(1625)%RTS。在此张力下，光纤应无应变、无附加衰减，即非常稳定。EDS同时是光缆的疲劳老化参数，据此参数决定光缆的防振设计。 1.7极限运行张力（UES） 又称为特殊使用张力，

11、是指在光缆有效寿命期内，有可能发生超出设计负载时光缆所受的最大张力。意味着光缆允许短时过载，光纤可以在有限允许范围内承受应变，通常UES应60%RTS。在此张力下，光纤应变0.5%（中心管）及0.35%（层绞），光纤会出现附加衰减，但在此张力解除后，光纤应恢复正常。该参数保证了ADSS光缆在寿命期间内的可靠运行。 1.8金具与光缆的配合 所谓金具是指安装光缆使用的硬件。 1.8.1耐张线夹 虽称为“线夹”，其实以螺旋预绞丝为佳（小张力和小跨距除外）。也有人称之为“终端”或“静端”金具。配置的依据是光缆的外径和RTS，一般要求其握着力95%RTS。必要时应与光缆作配合试验。 1.8.2悬垂线夹

12、也以螺旋预绞丝型为好（小张力和小跨距除外）。有时被称为“中程”或“悬端”金具。一般要求其握着力（10-20）%RTS。 1.8.3防振器 ADSS光缆多采用螺旋阻尼器（SVD），如果EDS16%RTS，可不考虑防振，当EDS为（16-25）%RTS时，需采取防振措施。如光缆安装在振动多发地区，必要时应通过试验确定防振方法。 2ADSS光缆光纤余长的控制在层绞式ADSS光缆中,光纤松套管是以螺旋形式绞合在中心加强件上的。在保证缆内光纤不受力的情况下,光纤在束管中不同的位置所对应的光缆长度有所不同,这就保证了ADSS光缆有一个自然的拉伸应变窗口,即其绞合余长。假设ADSS光缆松套管中的套塑余长为零

13、,那么在静态时,光纤应位于松套管的中心位置。当ADSS光缆受力延伸时,光纤便从松套管的中心位置移向内侧,此时光缆所能发生的长度变化为其拉伸余长。相反,当ADSS光缆低温收缩时,光纤便从松套管的中心位置移向外侧,此时光缆所能发生的长度变化为其收缩余长。如图2所示:其拉伸余长表示为:1=h1- hh 100%= 1+42h2(2br- r2)- 1其收缩余长表示为:2=h- h2h 100%= 1- 1+42h2(2br+ r2)其中: L为松套管中的光纤长度;h为松套管的绞合节距;b为松套管的绞合半径,b=(D+ d) 2,D为松套管外径,d为中心加强件直径;r为光纤在松套管中的自由度,r=(D

14、0- df) 2,D0为松套管内径,df为光纤束等效直径,df= 1.16n1 2 d0,d0为单根光纤直径,n为松套管中光纤芯数。从公式中可以看出,决定ADSS光缆光纤余长的参数有三个: h,b,r。在不改变光缆结构的情况下,h是保证ADSS光缆光纤余长的关键。通过改变h值,可以获得较大的拉伸和收缩窗口,以保证ADSS光缆在拉伸伸长时,束管有较大的释放光纤余长的能力,而在低温收缩时,束管又有较大的积累光纤余长的能力。假设ADSS光缆松套管中有一定的套塑余长,那么在静态时,光纤便不在松套管的中心位置,而应该有一个预偏置a。根据图2。其拉伸余长表示为:1+42h22(b+ a)(r+ a)-(r

15、+ a)2 - 1其收缩余长表示为:2=h- h2h 100%=1- 1+42h22(b+ a)(r- a)-(r- a)2比较1和1,2和2会发现,由于套塑余长的存在,ADSS光缆的拉伸余长相对增大,而收缩余长相对减小。一般情况下,ADSS光缆的光纤余长(拉伸余长)要求在0.85%左右,加之光缆在长期应力下蠕变的影响,光纤余长的大小需控制到1%。减小松套管的绞合节距,ADSS光缆的光纤余长会有较大的增加,但要保证光缆中光纤的弯曲半径满足允许值的要求;增大松套管中的套塑余长,也可以使ADSS光缆的光纤余长有所增加,但要保证其低温时的收缩性能。目前,松套管的绞合节距基本控制在70-80mm,套塑

16、余长则控制在0.15 0.20%的范围内。3ADSS光缆加强元件的选择ADSS光缆的加强元件主要为中心加强件FRP和外置加强件芳纶纱。由于FRP的拉伸模量比较小,因此在ADSS光缆的设计计算中,通常只计及芳纶纱为强度元件,而把FRP的抗张作用忽略掉,仅作为额外的安全系数来考虑。由于ADSS光缆跨距较大,材料的刚性对光缆悬挂于空中的几何形状影响甚小,可近似认为是完全的柔索。根据其数学模型可知,光缆悬挂高点的张力为最大:Nmax= Wl28f+ W(f+ h)其中:l为等高跨距(光缆悬挂低点到光缆悬线的水平距离), m;f为弧垂(光缆悬挂低点与光缆悬线最低点之间的垂直距离),m;h为高差(两悬挂点

17、间的垂直距离),m;W为单位长度光缆的总荷载,N m。W= (W1+ W2)2+ W23, W1为光缆自身的垂直重量(N m); W2为光缆上覆冰层的垂直重量(N m),W2= t(D+ t)g= 0.00283t(D+ t)g,D为光缆外径(mm),t为冰层厚度(mm),为冰密度(0.9g cm3),g为重力加速度;W3为光缆水平方向的风力荷载(N m), W3= C1W0(D+ 2t)= C1V2 g(D+ 2t) 16000,W0为理论风压(N m2), W0= V2 g 16,V为风速(m s),C1为风载体型系数,为风速不均匀系数。信息表,实验方式信息表,实验管理信息表等数据由数据库

18、服务器来管理,这样的环境是因特网的标准平台。对虚拟实验室设计用到的虚拟现实技术还有:MATLAB,HTML,VRML,labview,Java3d。虚拟试验中心包含学生管理、教师(授课、实验)管理、实验数据库管理、设备管理及各部分,学生管理:学生个人信息、个人空间,学生做试验的时间、实验成绩、实验过程和结果、实验创新。授课教师管理:教师个人信息(授课、实验)和空间、教师批阅试验的时间(授课、实验)、成绩、实验新想法(授课、实验)、实验设备的增减。实验数据库管理:试验的名称、使用的仪器设备、实验的不同过程、不同步骤、不同结果、实验过程步骤结果的分析,试验的增加和减少,试验的维护,试验数据的修改。

19、设备管理:仪器设备的制作,参数的更改。将实验的数据、不同过程和结果、不同分析数据存入试验数据库中。学生首先进入虚拟试验中心,按照教材做一遍试验,虚拟试验中心按操作过程和结果给出成绩,之后学生可以按照自己的思路作一遍,看一看,会是什么过程什么结果。如果虚拟试验中心没有给出过程和结果,可以通过中心的反馈表反馈给虚拟试验中心,虚拟试验中心通过收集学生实验过程和结果给出成绩,并通过成绩分析学生做实验中存在的问题(虚拟试验中心的数据库可以给出分析结果),并通过反馈信息表,有教师进行分析,丰富虚拟试验中心数据库的内容。教师和学生之间通过实验建起互动的桥梁。3虚拟实验室教学环境的理论支持随着网络教育研究的不

20、断深入,原有的教育理论有了新的发展。一些教育理论被引入网络教育中,并转化为教育行为。其中戴尔的“经验之塔”,把人们获得知识与能力的各种经验,分为三类十个层次。做的经验包含有目的直接的经验,设计的经验,参与试验。观察的经验包含浏览仪器特性,参观范例操作,查阅新旧记录,观摩成功失败的试验。抽象的经验包含视觉符号,言语符号。第一类经验,是通过亲身对事物的接触与实践去获得事物的信息;第二类经验,是通过观察事物和载有事物信息的媒体去间接获得事物的信息;第三类经验,是通过抽象符号的媒体去获得事物的信息。利用虚拟实验室构建起的网络化教学环境可以给学习者提供虚拟情境,非常容易帮助学习者获得做的经验和观察的经验

21、,而某些经验的获取在费用太昂贵或危险性极高的条件下难以实现时,虚拟实验室可以轻松解决这个困境,而且学习者在原有的认知基础上,还可以获得思维的经验。可见虚拟实验室同样可以达到现实实验环境的教学效果,并且由于有高容量,高效率的数据库存储海量的数据信息资源,虚拟实验室必将成为高校教学活动中的重要组成部分,成为推动学生动手实践的原动力。4结束语ADSS光缆应用至今已有二十年。由于采用全介质结构,既可在已建输电线路杆塔上直接架设,也避免了停电造成的损失。目前ADSS光缆应用中的主要障碍为电腐蚀现象。如果能开发研制出切实可行的ADSS光缆在线监测系统,及时发现和避免电腐蚀故障,并从外护套材料上增强耐电蚀能力,ADSS光缆必将面临更广阔的未来。参考文献:1陈炳炎.光纤光缆的设计和制造M.杭州:浙江大学出版社,2003.2胡先志.光缆及工程应用M.北京:人民邮电出版社,1998.3虞春.ADSS光缆设计与制造 J.光纤与电缆及其应用技术,2002,(1):32- 38.4张智坚.ADSS光缆的电腐蚀在线预警方案探讨 J.光通信,2004,(7):42- 44.6