王國忠

(江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司，江蘇海門226100)

0 引言

隨著國家電網(wǎng)公司電力光纖到戶工程的正式啟動，光纖復(fù)合低壓電力電纜(OPLC)應(yīng)運(yùn)而生。電力光纖到戶工程主要依靠在低壓電力電纜內(nèi)復(fù)合光單元，在供電的同時(shí)，將光纖同時(shí)接入，以實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)功能，并開展電信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容傳輸?shù)摹叭W(wǎng)融合”等業(yè)務(wù)。

工程的核心內(nèi)容是采用OPLC配合EPON(基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò))技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖入戶，承載“內(nèi)網(wǎng)”的居民用戶用電信息采集業(yè)務(wù)。具體實(shí)施時(shí)，進(jìn)行信息“內(nèi)外網(wǎng)”的隔離，系統(tǒng)中分別設(shè)置內(nèi)外網(wǎng)傳輸?shù)腅PON設(shè)備。用電信息采集通過“內(nèi)網(wǎng)”進(jìn)行，多網(wǎng)融合及電網(wǎng)互動的智能家庭通過“外網(wǎng)”進(jìn)行。

本文就OPLC的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及使用加以論述和介紹。

1 設(shè)計(jì)

為了規(guī)范OPLC的生產(chǎn)、驗(yàn)收和管理，中國電力科學(xué)研究院于2010年7月26日發(fā)布實(shí)施了Q/EPRI 038—2010《光纖復(fù)合低壓絕緣電力電纜》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱企標(biāo)，在某種程度上也成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。雖然標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過幾次修改后才發(fā)布實(shí)施，但還有不妥之處，有待于在國家電網(wǎng)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)編訂時(shí)修改，并且，企標(biāo)中還有許多內(nèi)容不能規(guī)定的，必須在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。

1.1 絕緣線芯

首先是導(dǎo)體的形狀。在企標(biāo)中沒有明確規(guī)定導(dǎo)體采用圓形導(dǎo)體，但在給出的典型結(jié)構(gòu)圖中，導(dǎo)體幾乎全是圓形的。這種形狀在最初研制光纖復(fù)合低壓電纜時(shí)是有效的，因?yàn)橛脠A形導(dǎo)體生產(chǎn)的絕緣線芯絞合成纜時(shí)能給光單元提供的空間較常用的成型導(dǎo)體生產(chǎn)的絕緣線芯的要大，對光單元的保護(hù)性能更好。隨著OPLC用量的提高及結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，還應(yīng)研究采用適應(yīng)復(fù)合纜的成型導(dǎo)體(如扇形、瓦楞形等)結(jié)構(gòu)。畢竟使用成型導(dǎo)體制造的電纜直徑小，可極大地節(jié)省原材料，低壓電纜已是如此，OPLC也應(yīng)如此。在電纜生產(chǎn)方面，國外成型導(dǎo)體已成功地用到66 kV級的交聯(lián)電纜上了。

其次是電纜的絕緣。絕緣材料的選擇可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行。現(xiàn)階段，用戶選擇較多的是硅烷交聯(lián)聚乙烯料。絕緣厚度按照GB/T 12706標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，對于特殊的復(fù)合纜結(jié)構(gòu)，可適當(dāng)加厚絕緣。

1.2 光單元

在企標(biāo)中列出了一些典型光單元的結(jié)構(gòu)特征示意圖。主要分為蝶形光單元、中心管式和層絞式光單元。光單元的所有構(gòu)成材料，包括加強(qiáng)元件，均為非金屬材料。在中心管式和層絞式光單元中，又分為干式和油膏填充兩種。

(1)光單元中光纖芯數(shù)和光單元結(jié)構(gòu)

光單元中，光纖的類別和芯數(shù)應(yīng)符合用戶要求。在企標(biāo)中給出了“光單元中光纖芯數(shù)宜為1、2、4、6、8、12、16、18、20、24、30、36、48、60、72、84、96、120、132或144芯”。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際使用不需要這么多芯數(shù)的光纖單元。EPON系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由OLT(光線路終端)、ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)和ODN(光分配網(wǎng)即分光器)組成，其中的ODN分光器是一個(gè)連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)。分光器有1∶2、1∶16、1∶32、1∶64 等多種，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的功能，主要作用是節(jié)省光纖，所以，在OPLC實(shí)際應(yīng)用中，如果不考慮更多芯數(shù)備用光纖的話，真正使用12芯以上光纖的可能性較小。當(dāng)然，光纖芯數(shù)一少，中心束管式光單元就完全能勝任了。

(2)束管內(nèi)填充物

束管內(nèi)是填充纖膏還是干式阻水材料，筆者認(rèn)為應(yīng)該填充纖膏。因?yàn)槔w膏已使用多年，有著良好的物理、化學(xué)性能和溫度特性。在垂直敷設(shè)時(shí)，由于復(fù)合纜中光單元隨電力線芯一道螺旋絞合，光單元不是呈一根直線狀，而是呈和電纜節(jié)距相同的螺旋狀，即使在光單元完全呈直線狀時(shí)，由于纖膏對在光纖和束管壁有一定的粘附力，也不存在那種想象的滴流現(xiàn)象。當(dāng)然，對于需要垂直敷設(shè)場合使用的光單元，可以適當(dāng)?shù)靥岣呃w膏的性能，如滴點(diǎn)溫度、纖膏的流變特性等。

雖然在YD/T 901—2009《核心網(wǎng)用光纜——層絞式通信用室外光纜》中第4.1.2.3.6條也規(guī)定“在全干式光纜中，松套管內(nèi)的間隙中應(yīng)放置一種固態(tài)阻水材料”，但固態(tài)阻水材料遇水膨脹，從而起到阻止水進(jìn)一步滲透的作用。當(dāng)光單元內(nèi)使用固態(tài)阻水材料，即所謂的干式結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著束管端頭裸露在空氣中的時(shí)間延長，而束管端頭裸露在空氣中的現(xiàn)象在生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲和使用過程中又是不可避免的，固體阻水材料會吸收空氣中的水分而失去阻水作用，且光纖對其吸收的水份所產(chǎn)生的OH－又極為敏感。水和潮氣會使光纖表面的微裂紋擴(kuò)張，從而造成光纖的強(qiáng)度顯著下降。而且水中的氫會引起光纖的氫損，導(dǎo)致光纖的傳輸損耗增大，嚴(yán)重影響光單元的使用質(zhì)量和壽命。為此筆者認(rèn)為，固態(tài)阻水材料不宜用在復(fù)合纜的光單元內(nèi)。根據(jù)使用層絞式通信光纜多年的人士介紹，他們也不曾使用過干式結(jié)構(gòu)的光纜。

(3)光纖余長

束管內(nèi)光纖余長的設(shè)計(jì)原則是使得拉力和溫度變化不會對光纖產(chǎn)生應(yīng)力。在光纖余長的規(guī)定范圍內(nèi)，拉力和溫度變化不會造成光纖的附加損耗。達(dá)到規(guī)定的光纖余長幅度時(shí)，光纖接觸到PBT束管的內(nèi)壁。光纜再受到進(jìn)一步的拉伸或收縮，就會對光纖產(chǎn)生應(yīng)力，使光纖的損耗開始增加。在OPLC用的光單元中，我們將光纖的余長控制在3‰～5‰之間。

(4)光單元抗拉力

光單元中的加強(qiáng)件材料根據(jù)光單元的結(jié)構(gòu)來選擇，一般有芳綸纖維和FRP，抗拉力是根據(jù)復(fù)合纜成纜時(shí)對光單元的應(yīng)能承受的抗拉力而提出的。電力電纜使用的成纜機(jī)一般都是被動式放線，放線拉力從幾千克到幾十千克不等，所以，對光單元要求一般以能承受100 kg的抗拉力來設(shè)計(jì)就可以了。

1.3 電力絕緣線芯和光單元復(fù)合位置設(shè)計(jì)

在企標(biāo)中列出了一些OPLC典型結(jié)構(gòu)示意圖(見圖1)，除了8字形OPLC結(jié)構(gòu)外，其余各種結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是光單元均置于絕緣線芯的邊隙中。如果光單元置于絕緣線芯的中間位置，由于幾根絕緣線芯絞合的中間空隙位置較小，在多數(shù)復(fù)合纜結(jié)構(gòu)中，允許的光單元直徑較小，光單元易受到擠壓;其次，即使幾根絕緣線芯中間空隙大小允許放置光單元，但光單元處于中心位置時(shí)，由于沒有同絕緣線芯一起螺旋絞合而呈直線狀，在OPLC受到拉力作用時(shí)，將率先受到力的作用，易受到破壞;再者，光單元處于中心位置，受到電力線芯溫度作用可能大于處于邊隙位置，對光纖的傳輸性能可能影響較大。

我們對光單元處于中心位置的OPLC-YJV-0.6/1 3×6+GT2-4B1的復(fù)合纜進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。按照GB 50168《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》，該纜的最大允許拉力是1.26 kN。試驗(yàn)結(jié)果是拉力在0.5 kN左右(約40%允許拉力)時(shí)，光纖的附加損耗開始明顯增大，但光纖應(yīng)變還沒有明顯增加;在1 kN左右(約80%允許拉力)時(shí)，光纖附加損耗繼續(xù)增加，光纖應(yīng)變開始出現(xiàn)。在對光單元處于復(fù)合纜邊隙位置的26/35 kV海底光電復(fù)合纜進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，幾種拉力下，光纖的附加損耗和應(yīng)變幾乎沒有任何變化，見參考文獻(xiàn)［3］。雖然電壓等級不同，但也能說明，光單元放置在復(fù)合纜中絕緣線芯的邊隙位置是最合適的。

在圖1f中，電力絕緣線芯如果為4+1/2(即4根主線芯+1根地線芯，下同)或5芯等截面，導(dǎo)體為圓形結(jié)構(gòu)，則宜采用圖2的結(jié)構(gòu)，即絕緣線芯全部絞合，光單元置于絕緣線芯邊隙中，絕緣線芯之間的中心部分及其余的空隙中均有填充物。圖2的結(jié)構(gòu)較圖1的復(fù)合纜直徑要小許多，且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖1 OPLC典型結(jié)構(gòu)示意圖

光單元放置在復(fù)合纜中的邊隙處，對于三芯等截面、四芯等截面、五芯等截面的復(fù)合纜，以d表示絕緣線芯直徑，光單元最大允許直徑分別為:0.483d、0.414d、0.377d。如果實(shí)際光單元的直徑大于計(jì)算的光單元最大允許直徑，為了使光單元不受側(cè)壓力作用及復(fù)合纜圓整，則應(yīng)加大中心填充材料的直徑，使得邊隙的空間容得下光單元。其它結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合纜允許放置光單元的直徑也可按類似的方法計(jì)算。

圖2 絕緣線芯為5芯的OPLC結(jié)構(gòu)

1.4 復(fù)合纜的護(hù)層設(shè)計(jì)

復(fù)合纜的護(hù)層結(jié)構(gòu)應(yīng)符合用戶的要求。

護(hù)層的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，按照GB/T 12706.1中附錄A“確定護(hù)層尺寸的假設(shè)計(jì)算方法”加以計(jì)算。假設(shè)直徑計(jì)算時(shí)，不考慮光單元的存在。關(guān)于復(fù)合纜假設(shè)直徑計(jì)算，在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制討論時(shí)有些同仁提到應(yīng)考慮光單元的假設(shè)外徑，不知以后的標(biāo)準(zhǔn)趨向怎樣，但筆者認(rèn)為，復(fù)合纜假設(shè)直徑計(jì)算不宜考慮光單元因素。因?yàn)橐?guī)定假設(shè)直徑計(jì)算是為了統(tǒng)一確定護(hù)層的尺寸，光單元沒有統(tǒng)一的假設(shè)外徑計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。如果在OPLC標(biāo)準(zhǔn)中加入這一內(nèi)容，會使護(hù)層尺寸計(jì)算混亂。何況，相比電力絕緣線芯來說，光單元直徑較小，往往對復(fù)合纜直徑不構(gòu)成影響。

鎧裝內(nèi)襯層結(jié)構(gòu)，按照GB/T 12706.1允許采用繞包方式和擠包方式。筆者建議宜采用擠包結(jié)構(gòu)，因?yàn)閿D包內(nèi)襯層的徑向阻水及對纜芯保護(hù)作用比繞包內(nèi)襯層的要好，這樣會對復(fù)合纜形成更好的保護(hù)。

2 制造

復(fù)合纜的制造關(guān)鍵工序在于絕緣線芯和光單元的復(fù)合成纜。由于一般光電復(fù)合纜的電力線芯為3+1/2芯、4芯等截面或4+1/2芯，再加上光單元，必須在6盤成纜機(jī)上絞合成纜。成纜時(shí)應(yīng)采用退扭方式。放置光單元的欄架要求放線張力小而均勻，防止忽大忽小，以免損傷光單元。在復(fù)合纜纜芯拉出成纜機(jī)牽引輪后，對光纖的衰減進(jìn)行測試，看是否有附加衰減和衰減曲線是否平直。如有異常，應(yīng)查找原因，并加以排除。光纖衰減的各種參數(shù)正常后，才可復(fù)合成纜。復(fù)合成纜過程中，有異常波動應(yīng)隨時(shí)測試。

復(fù)合纜的其它制造工藝與電力電纜生產(chǎn)一樣，這里不再贅述。

3 試驗(yàn)

我們在制造了OPLC后，受中電飛華上海分公司委托，經(jīng)國家電網(wǎng)公司電力線通信應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和上海電纜研究所聯(lián)合成立的“光纖復(fù)合低壓電纜聯(lián)合質(zhì)檢中心”對五個(gè)不同型號規(guī)格的OPLC進(jìn)行了識別色譜、結(jié)構(gòu)和尺寸、光纖特性、電氣性能、環(huán)境性能和機(jī)械性能方面的各項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)果均符合要求。

4 使用

圖3是OPLC在某個(gè)小區(qū)到1號樓的使用情況。本次工程實(shí)現(xiàn)了OPLC從小區(qū)10 kV變電所到樓宇地下配電間的應(yīng)用。由于施工及成本問題，沒能實(shí)現(xiàn)OPLC從樓宇到住戶的聯(lián)接。從樓宇到住戶的接線還是分別通過放置光纜和布電線來實(shí)現(xiàn)的。

圖3 OPLC在小區(qū)的使用

4.1 建設(shè)概況

1號樓為12層高層建筑，共兩個(gè)單元，單元每層2戶，該樓共48戶。電纜豎井分為強(qiáng)電豎井和弱電豎井，戶內(nèi)強(qiáng)、弱電箱相互獨(dú)立。小區(qū)變電所至1、2單元低壓配電間敷設(shè)OPLC-ZR-YJV22-0.6/1 3×240+1×120+GT2-12B1光纖復(fù)合低壓電纜;每個(gè)單元強(qiáng)電豎井內(nèi)敷設(shè)2芯蝶形光纜，弱、電豎井內(nèi)敷設(shè)GYFXTY-8B1型配線光纜;入戶敷設(shè)GJFPH-2蝶形光纜。

4.2 分光器設(shè)計(jì)

“三網(wǎng)融合”業(yè)務(wù)分光器布放在每個(gè)單元低壓配電間和弱電豎井內(nèi)第3、9層。低壓配電間配置1∶2分光器，對單元的第3、9層分光器分光;兩個(gè)單元第3、9層配置1∶16的2級分光器，每個(gè)分光器管6層的12個(gè)用戶。用電信息采集業(yè)務(wù)分光器布放在每個(gè)單元低壓配電間，采用1∶8的分光器，對單元的3臺用電信息采集ONU分光，將1號樓二個(gè)單元樓的ONU設(shè)備接入中心機(jī)房OLT主設(shè)備的PON口。

4.3 光纜芯數(shù)配置

根據(jù)該樓配電結(jié)構(gòu)，變電所至單元配電間采用12芯OPLC，“三網(wǎng)融合”用1芯備1芯，用電信息采集用1芯備1芯，預(yù)留8芯;強(qiáng)電豎井內(nèi)放置3根2芯蝶形光纜，用于用電信息采集業(yè)務(wù)，每根用1芯備1芯;弱電豎井內(nèi)放置2根8芯配線光纜，用于“三網(wǎng)融合”業(yè)務(wù)，每根用1芯備1芯，預(yù)留6芯;入戶光纜采用2芯蝶形光纜，1芯用于三網(wǎng)融合業(yè)務(wù)接入，預(yù)留1芯。

4.4 交接箱配置

1、2單元低壓配電間各安裝光配箱，交接12芯OPLC1根，8芯配線光纜2根，2芯蝶形光纜3根，交接容量共34芯;“三網(wǎng)融合”第3、9層分光器位置安裝光配箱，交接配線光纜和用戶蝶形光纜，各層交接容量是8芯+12×2芯=32芯;入戶弱電箱安裝光纖接頭盒，交接用戶蝶形光纜，交接容量為2芯。

4.5 ONU設(shè)備放置位置和供電

“三網(wǎng)融合”用戶端ONU設(shè)備放置于每戶室內(nèi)弱電箱，弱電箱需要提供1路220 V交流電源;用電信息采集系統(tǒng)ONU放置于強(qiáng)電豎井內(nèi)，強(qiáng)電豎井內(nèi)需要提供1路220 V交流電源供ONU使用。

從上面的使用情況介紹看，12芯光纖的OPLC實(shí)際使用了2芯光纖，即1芯用于“內(nèi)網(wǎng)”，1芯用于“外網(wǎng)”，其余光纖均為預(yù)留或備用。

5 結(jié)束語

OPLC在江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司已進(jìn)入了工藝穩(wěn)定的生產(chǎn)階段，產(chǎn)品已在多個(gè)小區(qū)得到了使用。實(shí)踐證明，只要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造、使用過程中不會對光單元中光纖的光學(xué)性能和機(jī)械性能產(chǎn)生不良影響。

［1］Q/EPRI 038—2010 光纖復(fù)合低壓絕緣電力電纜［S］.

［2］王國忠.海底光纖復(fù)合電力電纜的開發(fā)［J］.電線電纜，2005(6):12-14.

［3］王國忠.海底光纖復(fù)合電力電纜試制及機(jī)械性能試驗(yàn)［J］.電線電纜，2007(2):13-15.

［4］王國忠.海底光電復(fù)合纜的研制［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2009(1):11-13.

［5］YD/T 901—2009 核心網(wǎng)用光纜——層絞式通信用室外光纜［S］.

［6］YD/T 769—2003 核心網(wǎng)用光纜——中心管式通信用室外光纜［S］.

［7］YD/T 1997—2009 接入網(wǎng)用蝶形引入光纜［S］.

［8］GB/T 12706—2002 額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［9］GB 50168—2006 電氣裝置安裝工程 電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］