ADSS/OPGW 电力光缆在国家电网信息化中的应用及改进

官蕾，尤庆亮，3，陈亮明，范和平，3，于洁，3，袁明，3，彭长征，4*

（1.江汉大学化学与环境工程学院；2.江汉大学物理与信息工程学院；3.光电化学材料与器件省部共建教育部重点实验室；4.柔性显示材料与技术湖北省协同创新中心，湖北武汉430056）

ADSS/OPGW 电力光缆在国家电网信息化中的应用及改进

官蕾1，尤庆亮1，3，陈亮明2，范和平1，3，于洁1，3，袁明1，3，彭长征1，4*

（1.江汉大学化学与环境工程学院；2.江汉大学物理与信息工程学院；3.光电化学材料与器件省部共建教育部重点实验室；4.柔性显示材料与技术湖北省协同创新中心，湖北武汉430056）

介绍了ADSS和OPGW两种常用电力光缆的结构、性能及特点，并针对它们各自的运行缺陷提出了几种光电高分子材料的改进策略。重点讨论了ADSS/OPGW型电力光缆运行中暴露的问题及解决办法。对于ADSS/OPGW型光缆的推广应用有一定参考价值。

电力光缆；ADSS；OPGW

电网智能化是当前发展主流。智能电网要求电力系统中辅以信息技术为支撑，从而实现电网的信息化、数字化、自动化和互动化，其中电力光缆不可缺少。“十一五”末期，我国已建成全世界规模最大、安全可靠的电力专用光纤通信网络。其中，110 kV及以上的网络，均采用全介质自承重式（All Dielectric Self Supportings，ADSS）或光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Over⁃head Ground W ire，OPGW）电力光缆，基本实现了高压电网100%光纤化，技术发展较为成熟，运行维护中的突出问题表现为电腐蚀较为严重；35 kV和10kV的中压网络，也以ADSS和OPGW型号的电力光缆为主，但全国光纤化程度不到50%，主要受限于施工、运行条件不达标；380 kV低压段网络光纤化还未推广，主要限制于技术产品不够成熟［1］。本文分别对电网中最常用的两种典型电力光缆——ADSS、OPGW进行了较为全面的介绍，着重分析了它们各自不同的特点及在电网运行中的优势和劣势。并针对他们各自的运行缺陷提出了几种光电高分子材料的改进策略。

1 两种典型电力光缆——ADSS、OPGW

1.1 ADSS型光缆

ADSS型光缆按结构分可分为中心束管型光缆和层胶束管型光缆两种［2］。

中心束管型的光缆（图1），光纤以一定的余长置于填充油膏的PBT（或其它合适的材料）管中，根据所需的抗拉强度绕包合适的芳纶纱，外护套根据耐电场强度划分可以分为AT护套耐电腐蚀型（具有抗电痕作用的护套，110 kV及以上的用）和PE［3］护套标准型（聚乙烯护套，35 kV及以下用）。层绞束管型的光缆（图2）的外部结构类似中心束管型的光缆。不同的是层绞束管型光缆内有加强芯，比中心束管式略重，分为多束的小型束管均匀的围绕加强芯外侧。在实际的运用中，我国电力网络除了少数运行情况很好、配套设备优良的线路选用中心束管型光缆，一般都采用层胶束管型光缆［4］。

1.1.1 ADSS型光缆的主要性能

1）机械性能。由于光缆使用环境在高空，必须具有抗强风力等恶劣条件性能，才能确保安全可靠地运行。光纤本身并不具有很好的抗拉伸强度，ADSS型光纤电缆的设计充分的利用了光纤的绞合余长，将光纤和芳纶绞合缠绕。在受到外力作用的时候，利用芳纶本身良好的机械性能，保护了留有余长的光纤，从而实现了电缆中光纤的零张力设计［5］。可以说，ADSS型电力光缆的机械性能不取决于光纤部分，而取决于绞合的芳纶部分。

2）电气性能。运行中的光缆必须要能承受空间中的强电场、电位差、击穿电流等情况，出现事故时将产生大量的热，融化外护套，严重的甚至会导致断缆，给电力系统的可靠运行带来严重破坏。但不同的电压等级的电网中，运行空间里的电场强度，电位差又有很大的区别。由于运行环境的特殊性，在设计ADSS型光缆时必须充分的考虑到光缆的电气性能，才能确保其安全可靠。然而，一味选用最优质的抗电痕的保护套，会增大建设初期的投资费用［6］。而盲目降低成本，又不能确保运行的高效性和实用性。所以在实际的设计施工中，施工设计人员一般会根据不同的电压等级、运行环境等因素，选用合适型号的外护套，确保安全而又经济的运行方案。

1.1.2 ADSS型光缆的适用特点ADSS型光缆能在电力系统低压网络中广泛地推广和运用，与其优越的经济性能，方便的运行维护特点有很大的关系，其适用特点有：①在施工时直接利用现有的电力杆塔资源，节省了建设投资费用和空间资源，具有初期投入成本低的特点［7］。②可以在电网不断电的情况下，实现施工、运行、维护等一系列的相关工作。这样的特点在对供电要求严格的特殊区域有很大的优势。③重量较轻，采用自承重式，可以满足大跨度（1 000m以上）的杆塔上的架设［8］。

1.2 OPGW型电力光缆

OPGW具有传统地线防雷的功能，对输电导线抗雷电提供屏蔽保护的作用，同时通过复合在地线中的光纤来传输信息。常见的OPGW结构主要有3大类，分别为铝管型、铝骨架型和不锈钢管型［11］（见图3）。

图1 中心束管型光缆结构截面图Fig.1 Sectionalview of center beam cab le

图2 层胶束管型光缆结构截面图Fig.2 Sectional view of layerm icelles tube cab le

图3 OPGW光缆结构图Fig.3 Optical cab le structure of OPGW

图3（a）所示为铝管型结构的OPGW型光缆。铝管大致分为无缝、焊接和纵包3种。光纤单元置于电缆里面的铝管中，可以是单松套管、层绞松套管、SZ绞扎纱的一次被覆光纤束或紧包光纤，管内填充阻水油膏或包覆隔热层［12］。作为标准结构，通常内层绞合（铝包）钢线、外层绞合铝线或者合金线，两层绞线方向相反，最外层为右向。

图3（b）所示为铝骨架型结构的OPGW型光缆。一般在铝骨架上以螺旋状开槽，槽内放置光纤松套管、SZ绞扎纱的一次被覆光纤束、紧包光纤或带纤。作为标准结构，骨架外一般为焊接或纵包铝管，有时会取消［13］。绞线的要求与铝管型相同。

图3（c）所示为钢管型结构的OPGW型光缆，也被称为不锈钢型结构光缆。光纤以一定的余长置于填充油膏的不锈钢管内，该钢管取代一根或多根（目前最多为3根）单丝放入内绞线层，成为标准结构。绞线要求与铝管型相同［14］。

1.2.1 OPGW型光缆的主要性能

1）机械性能。类似于ADSS型光缆，OPGW型电缆同样也采用了绞合技术，以提高其机械性能。由于OPGW型电缆同时替代了地线的作用，必须尽可能地和另外的一条地线保持一致。为此，OPGW型电缆一般采用光纤和金属进行绞合，既保证了其传信号的功能，也保证了其地线的作用［15］。

2）电气性能。OPGW的电气性能主要表现在抗雷击能力和耐高温能力。雷击损伤为OPGW型电力光缆运行中的突出问题，要提高其抗雷击能力就需提高其导电能力，而提高导电能力又和其张力等机械强度要求存在矛盾。而当电力网络中发生单相接地故障时，OPGW上会通过很大的短路电流，从而引起温度的快速上升，会影响其正常运行，也会对保护套造成严重的损伤。在设计初期，若对短路电流的计算值估测偏大，对热效应估算偏大，会导致选用的光缆型号偏高。这样会使得材料费用过高，同时增大了杆塔的承受力度。反之，若计算估测的电流值偏低，其安全稳定运行将得不到保证［16］。

1.2.2 OPGW型光缆的适用特点OPGW型电力光缆能在各电压等级的输电网络中广泛运用，和其优质的信号传输，抗电磁干扰等特点密不可分，其使用特点有：①具有传输信号损耗小、通信质量高的优势［17］。②具有抗电磁干扰的特点，可以安装在输电线路杆塔顶部而不必考虑最佳架挂位置和电磁腐蚀等问题［18］。③适用于多种电压等级的输电线路，相对而言，运行年限更长［19］。④与电力网络中的地线同为一体，避免了重复建设和维护的巨大费用。⑤安全性好，不易被盗割，也不易遭到破坏性枪击［20］。

2 ADSS/OPGW型电力光缆运行中暴露的问题及对策

由于运行环境的特殊性，ADSS电力光缆在与高压电线及其与大地之间的电容耦合时会在电力光缆表面产生空间电位差，特别是在雨雪、烈日、冰霜等恶劣气象环境及尘垢影响下，会使电力光缆表面的护套受到灼伤并形成电痕［9］，电痕的形成会加速电力光缆护套的老化与损伤［21］；并且由于高海拔盐雾地区的空气杂质颗粒物等因素，护套腐蚀问题突出；电力光缆实际运行中另外一个重要问题是短路电流引起的事故将产生大量的热，融化外护套，严重的甚至会导致断缆，给电力系统的可靠运行带来严重破坏，此外对于OPGW电力光缆，雷击问题已经成为影响安全性能的重要因素［22］。因此开发高性能的护套料及不断优化护套表面结构从而避免电力光缆损伤是极为重要的发展方向［10］。

2.1 抗电痕性能的改进办法

为解决电力光缆表面的护套受到灼伤并形成电痕的问题，我们可以从两方面来着手。一是突破科学技术难关。采用新的三维仿真技术，模拟出最真实的高压线路电场分布，优化电力光缆的金具挂点，减少电缆表面的高压电位差，从源头减少漏电流的产生，避免电腐蚀。二是继续研发高耐电痕的护套料，加大保护套的防护强度，延长使用寿命，具体从以下几方面着手：

1）采用非极性的聚合物材料基料，如聚乙烯（PE），而不能使用极性较强的聚氯乙烯（PVC），这也是普通的聚乙烯护套料可以用于12 kV以下的电场中的原因。

2）降低护套料内的碳黑的含量（一般低于2.6%），同时添加其他同类的抗紫外线添加剂，做到既能保证护套的耐环境应力开裂及抗紫外线老化的能力，又能提高护套的绝缘性能和抗电痕化的能力，但是由于光缆长期架设在户外，导电尘埃易附着其表面，而使护套表面的绝缘性能和抗电痕性能会受到影响。

3）在护套料内添加三水合氧化铝（ATH），电弧产生的热量会使ATH分解放出水蒸气，水蒸气带走了热量使护套表面温度降低而导致电痕化的中止，但ATH添加的比例也是有限的，添加过多会降低护套的机械性能。

4）采用XLPE来提高护套的耐温等级从而达到抗电痕的目的，这在架空绝缘线和热收缩电力电缆终端上已有使用，但因其工艺较复杂而目前在光缆上还很少采用。

5）在非极性的聚合物基料内通过添加特殊的抗电痕的添加剂，使护套料具有较弱的极性来均匀表面的电场，从而提高护套的抗电痕性。极性强弱的控制至关重要，太强反而耐电痕性更差，太弱则与普通聚已烯性能接近，耐电痕性能则无明显提高。

在国外还有人使用半导电的芳纶和护套来均匀ADSS型光缆表面的电场，消除电痕的产生。

2.2 抗雷击性能的改进办法

对于OPGW型电缆，因其与高压线路同杆架设，且兼做地线，雷击问题已经成为影响OPGW安全性能的重要因素。具体说来，运行中雷击损伤严重，主要是由于电缆的某些性能要求（如导电性）和抗雷击性能存在矛盾，设计施工中难以两全其美。若能精确设计，找到最优化的方案，避免雷击次数和损伤，将较大地提高其运行安全可靠性。

有人提出改善光缆结构和股线形状，调整外层股线材料的配比，降低雷击率。前者主要是通过在外层股线和内层股线间留有空气隙的方式，以防止外层热量传导至内层和光纤，以保护内层光纤。后者主要通过提高外层单丝的抗雷击水平，但这样的方式存在着缺陷，因增加了用材，使得光缆自身重量加大，对铁塔承重造成压力，增加施工难度，同时还增加了生产成本。

此外为了保护内层光纤，防止上述原因外层热量传导至内层材料和光纤，可通过提高现有光纤涂料和纤膏的耐高温性能，对光缆内的光纤起到有限的保护作用，从而延长其使用寿命。华烁科技股份有限公司研究开发的耐高温光纤涂料（长期工作温度200℃）和耐高温光纤膏（长期工作温度120℃）一定程度上满足了这些特定条件下的使用。

2.3 抗盐雾腐蚀性能的改进办法

针对高海拔盐雾地区的空气杂质颗粒物等因素导致护套腐蚀严重的情况，可以通过引入纳米表面结构的方式，形成类似于荷叶型的自清洁表面（见图4），减少甚至避免空气杂质颗粒物的粘附，保证护套表面洁净从而减少盐雾腐蚀。

图4 荷叶表面电镜图及荷叶表面对照图Fig.4 Electron m icrograph of the su rface of the lotus leaf&Lotus leaf su rface

3 结语

综上所述，ADSS/OPGW型电力光缆具有施工、运行、维护方便，经济性好，能满足智能电网的要求，在世界范围内得到广泛推广使用。通过对该类型光缆使用的高分子材料的进一步的研究开发，完全可以改善直至克服耐电腐蚀性能和防雷击损伤的弊端［23］。

［1］唐常青.OPGW与ADSS在电力系统中的应用［J］.江西电力，2007，31（3）：16.

［2］焦晓波，周雅.OPGW在电力光传输网中的应用与发展［J］.光通信研究，2010（4）：49-51.

［3］张忠，李万盟.OPGW和ADSS光缆的代表结构及参数［J］.电信研究，2002（11）：13-15.

［4］饶建民.国产ADSS光缆与进口ADSS光缆的比较［J］.光通信技术，2002，11（4）：290-292.

［5］黄俊华.ADSS光缆的机械特性［J］.电力系统通信，2001（3）：12-14.

［6］左荣.ADSS特种光缆在电力线路架设中的应用分析［J］.价值工程，2010（27）：242-245.

［7］刘义圣.ADSS光缆在电力通信网中应用［J］.华北电力技术，2005（3）：49-51.

［8］王平.OPGW光缆在电力系统中的应用［J］.电力勘测设计，2006（3）：65-67.

［9］AL-AMMAR E，KARADY G G，TUOMINEN M W，et al.Experimental correlation of the aging process of the ADSS fiber-optic cables in asu′s environmental cham⁃ber to field tests in bandon，or［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23（2）：1049-1054.

［10］BHOITE A，BEKE N，DUFFY T，et al.Automated fi⁃ber optic cable endface field inspection technology［J］. AUTOTESTCON，2011：226-234.

［11］WANG Y Y，CHEN R G，CHENW G，etal.Calculation of the current carrying capability of duct laying electric cable and analysis of the influential factors［C］//2010 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference.Atlanta，Georgia，USA，2010：735-738.

［12］STANGL G，TURNEY D.Meeting the fiber optic chal⁃lenge with vibratory cable plows［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1986，4（5）：693-698.

［13］ALISA，ALVIB A，ASIFM.OPGW-our experience in KESC［C］//2008 IEEE Electrical Power and Energy Conference.Vancouver，BC，2008：1-6.

［14］KARADY G G，QIH，RETAHM，et al.Sensor design for leakage current measurement on ADSS fiber-optic cable［C］//2001 IEEE Power Engineering Society W in⁃ter Meeting：Volume 1.Columbus，OH，2001：281-286.

［15］王怡瑶.从智能电网的发展看电缆行业的机遇［J］.上海电气技术，2009，2（3）：53-58.

［16］王晶.电力光缆现状及展望［J］.电力系统通信，2003，2（1）：52-54.

［17］孙志涛.对我国光纤光缆的发展现状及特点的研究［J］.科技资讯，2006（24）：36.

［18］郑宏伟.我国光纤光缆技术特点的若干分析［J］.民营科技，2010（6）：19.

［19］李万才.光纤光缆和通信电缆的技术发展［J］.西部探矿工程，2006（10）：246-248.

［20］中国电力科学研究院.OPGW检测报告［R］.2006.

［21］陈希，孙德栋，金迦勒.ADSS光缆工程应用问题研究［J］.电力系统通信，2004，25（5）：19-20.

［22］中国电力科学研究院.光纤复合架空地线（OPGW）电气性能检测系统研制报告［R］.2003.

［23］陈希，李杰，林卫铭，等.光纤复合架空地线短路电流热效应研究［J］.中国电力，2005，38（10）：48-51.

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，FAN 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

（责任编辑：叶冰）

2013-12-11

官蕾（1988—），女，硕士生，研究方向：电力光缆系统集成。

*通信作者：彭长征（1968—），男，研究员，研究方向：光纤光缆用功能高分子材料。E-mail：282042169@qq.com