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1、 ADSS結(jié)構(gòu)光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算工藝 摘　要:從ADSS光纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手,分析了光纖余長(zhǎng)和抗張?jiān)贏DSS光纜設(shè)計(jì)中的重要地位,詳細(xì)闡述了層絞式ADSS光纜中絞合余長(zhǎng)的產(chǎn)生機(jī)理和控制方法以及加強(qiáng)元件芳綸紗的選取原則和求解過(guò)程,并提出了ADSS光纜的發(fā)展方向和開(kāi)發(fā)前景。我國(guó)的電力輸電線路總長(zhǎng)度排名世界第二。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有的110KV及以上線路就有31萬(wàn)公里，還有大量的35KV/10KV老線路。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)OPGW需求量急劇增加，ADSS光纜的需求量仍是穩(wěn)中有升。  關(guān)鍵詞: ADSS光纜;光纖余長(zhǎng);芳綸紗 Design and calculation of the str

2、ucture of ADSS structure Abstract: 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 strengthe

3、ning element of aramid 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

4、, and a large number 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 yarn 0　引言 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,電力系統(tǒng)使用光纖通信技術(shù)日益增多。在電力通信網(wǎng)從主干線到接入網(wǎng)大面積光纖化的進(jìn)程中,電力特種光纜的作用是無(wú)可替代

5、的。如今廣泛應(yīng)用的電力特種光纜主要有兩種:光纖復(fù)合架空地線OPGW和全介質(zhì)自承式光纜ADSS,其中ADSS光纜以其優(yōu)越的性能價(jià)格比成為舊電力線路改造和農(nóng)用電力通信線路建設(shè)中的首選。 1 ADSS光纜簡(jiǎn)介 ADSS光纜對(duì)老線路是一種“添加物”，ADSS光纜只能盡量去適應(yīng)原有的線路條件，這些條件包括(但不限于)氣象負(fù)載、桿塔強(qiáng)度和形狀、原有導(dǎo)線的相序排列和直徑、弧垂張力和跨距及安全間距等。雖然ADSS光纜外觀上與普通的“全塑”或“非金屬”光纜相仿，但卻是兩種完全不同的產(chǎn)品。  目前，國(guó)內(nèi)外主要流行兩種ADSS光纜。  1.1　ADSS光纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ADSS光

6、纜在結(jié)構(gòu)上等同于普通光纜,根據(jù)纜芯結(jié)構(gòu)的不同分為中心管式和層絞式。中心管式光纜是將光纖以一定的余長(zhǎng)置于填充油膏的PBT松套管內(nèi),而層絞式光纜則是將光纖松套管絞制在中心加強(qiáng)件FRP上后再被覆內(nèi)護(hù)套。圖1所示為層絞式ADSS光纜的結(jié)構(gòu)。 由于ADSS光纜與電力線路同塔架設(shè),不但長(zhǎng)期處于受力狀態(tài),而且在環(huán)境惡劣的情況下光纜的應(yīng)變還會(huì)進(jìn)一步加大。為保證纜內(nèi)的光纖不受力,光纜的工作應(yīng)變就必須控制在設(shè)計(jì)拉伸應(yīng)變窗口以內(nèi),所以,增加光纜的抗拉力,增加光纖在纜中的余長(zhǎng),是ADSS光纜的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。兩種不同結(jié)構(gòu)形式的ADSS光纜產(chǎn)生光纖余長(zhǎng)的方式是不一樣的,中心管式ADSS光纜的光纖余長(zhǎng)為套塑余長(zhǎng),層絞式A

7、DSS光纜的光纖余長(zhǎng)為絞合余長(zhǎng)。由于絞合余長(zhǎng)大于套塑余長(zhǎng),因而層絞式ADSS光纜得到了更廣泛的應(yīng)用,成為ADSS光纜的主流。ADSS光纜中主要的抗張?jiān)橥庵眉訌?qiáng)件芳綸紗。在ADSS光纜的設(shè)計(jì)過(guò)程中,除要根據(jù)光纜抗拉強(qiáng)度的要求選取芳綸紗的絞制根數(shù)外,還要根據(jù)光纜的具體使用要求合理設(shè)定芳綸紗的螺旋絞合節(jié)距和放線張力的大小,以保證其承受拉伸力的大小和出力的一致性。 1.2  中心管式結(jié)構(gòu)：  光纖以一定的余長(zhǎng)置于填充阻水油膏的PBT（或其他合適材料）管中，根據(jù)所需要的抗拉強(qiáng)度繞包合適的紡綸紗，再擠制PE（≤12KV電場(chǎng)強(qiáng)度）或AT（≤20KV電場(chǎng)強(qiáng)度）護(hù)套。 

8、; 中心管結(jié)構(gòu)易于獲得小直徑，冰風(fēng)負(fù)載較?。恢亓恳蚕鄬?duì)較輕，但光纖余長(zhǎng)有限制。  1.3  層絞式結(jié)構(gòu)：  圖三 ADSS 光纜 光纖松套管以一定的節(jié)距繞制在中心加強(qiáng)件（一般為FRP）上后擠制內(nèi)護(hù)套（在小張力和小跨距時(shí)可省略），然后根據(jù)所需要的抗拉強(qiáng)度繞包合適的紡綸紗，再擠制PE或AT護(hù)套。纜芯可填充油膏，但當(dāng)ADSS工作在較大跨距并帶有較大弧垂的狀況下，由于油膏的阻力較小，纜芯易“滑動(dòng)”，松套管節(jié)距易發(fā)生變化。用合適的方法把松套管固定在中心加強(qiáng)件上和干式纜芯可以克服，但有一定的工藝難度。層絞結(jié)構(gòu)易獲得安全的光纖余長(zhǎng)，雖然直徑和重量相對(duì)稍大，在中

9、大跨距應(yīng)用時(shí)較有優(yōu)勢(shì)。 ADSS光纜工作在大跨距兩點(diǎn)支撐的（通常為數(shù)百米，甚至超過(guò)1公里）架空狀態(tài)，與傳統(tǒng)概念的“架空”完全不同（郵電標(biāo)準(zhǔn)的架空吊線掛鉤程式，平均0.4米對(duì)光纜有1個(gè)支點(diǎn)）。所以，ADSS光纜的主要參數(shù)與電力架空線的規(guī)程接軌。  1.4最大允許使用張力（MAT/MOTS）  指在設(shè)計(jì)氣象條件下理論計(jì)算總負(fù)載時(shí)，光纜所受到的張力。在此張力下，光纖應(yīng)變應(yīng)≤0.05%（層絞）和≤0.1%（中心管）且無(wú)附加衰減。通俗而言，即光纖余長(zhǎng)在這一控制值上剛好被“吃”完。根據(jù)該參數(shù)和氣象條件以及控制的弧垂，可計(jì)算在此條件下光纜的允許使用檔距。因此，MAT是弧

10、垂-張力-跨距計(jì)算的重要依據(jù)，也是表征ADSS光纜應(yīng)力應(yīng)變特性的重要證據(jù)。  1.5 額定抗拉強(qiáng)度（UTS/RTS）  指承載截面（主要計(jì)紡綸）強(qiáng)度之和的計(jì)算值。實(shí)際破斷力應(yīng)≥95%計(jì)算值（光纜中任意元件的斷裂均判為纜破斷）。該參數(shù)并不是可有可無(wú)的，很多控制值與之相關(guān)（例如桿塔強(qiáng)度、耐張金具、防震措施等）。對(duì)光纜專業(yè)而言，如果RTS/MAT（相當(dāng)于架空線的安全系數(shù)K）的比值不恰當(dāng)，即使用了很多紡綸，而可用的光纖應(yīng)變域很窄，則經(jīng)濟(jì)/技術(shù)性能比很差。因此，筆者建議業(yè)內(nèi)人士關(guān)注這一參數(shù)。通常，MAT約相當(dāng)于40%RTS。  1.6 年平均

11、應(yīng)力（EDS）  有時(shí)稱為日平均應(yīng)力，是指在無(wú)風(fēng)無(wú)冰及年平均氣溫下，理論計(jì)算負(fù)載時(shí)光纜所受到的張力，可認(rèn)為是ADSS在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的平均張（應(yīng)）力。EDS一般為(16~25)%RTS。在此張力下，光纖應(yīng)無(wú)應(yīng)變、無(wú)附加衰減，即非常穩(wěn)定。EDS同時(shí)是光纜的疲勞老化參數(shù)，據(jù)此參數(shù)決定光纜的防振設(shè)計(jì)。  1.7 極限運(yùn)行張力（UES）  又稱為特殊使用張力，是指在光纜有效壽命期內(nèi)，有可能發(fā)生超出設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)光纜所受的最大張力。意味著光纜允許短時(shí)過(guò)載，光纖可以在有限允許范圍內(nèi)承受應(yīng)變，通常UES應(yīng)＞60%RTS。在此張力下，光纖應(yīng)變＜0.5%（中心管）

12、及＜0.35%（層絞），光纖會(huì)出現(xiàn)附加衰減，但在此張力解除后，光纖應(yīng)恢復(fù)正常。該參數(shù)保證了ADSS光纜在壽命期間內(nèi)的可靠運(yùn)行。  1.8金具與光纜的配合  所謂金具是指安裝光纜使用的硬件。  1.8.1 耐張線夾  雖稱為“線夾”，其實(shí)以螺旋預(yù)絞絲為佳（小張力和小跨距除外）。也有人稱之為“終端”或“靜端”金具。配置的依據(jù)是光纜的外徑和RTS，一般要求其握著力≥95%RTS。必要時(shí)應(yīng)與光纜作配合試驗(yàn)。  1.8.2 懸垂線夾  也以螺旋預(yù)絞絲型為好（小張力和小跨距除外）。有時(shí)被稱為“中

13、程”或“懸端”金具。一般要求其握著力≥（10-20）%RTS。  1.8.3 防振器  ADSS光纜多采用螺旋阻尼器（SVD），如果EDS≤16%RTS，可不考慮防振，當(dāng)EDS為（16-25）%RTS時(shí)，需采取防振措施。如光纜安裝在振動(dòng)多發(fā)地區(qū)，必要時(shí)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定防振方法。  2　ADSS光纜光纖余長(zhǎng)的控制 在層絞式ADSS光纜中,光纖松套管是以螺旋形式絞合在中心加強(qiáng)件上的。在保證纜內(nèi)光纖不受力的情況下,光纖在束管中不同的位置所對(duì)應(yīng)的光纜長(zhǎng)度有所不同,這就保證了ADSS光纜有一個(gè)自然的拉伸應(yīng)變窗口,即其絞合余長(zhǎng)。 假設(shè)ADSS光

14、纜松套管中的套塑余長(zhǎng)為零,那么在靜態(tài)時(shí),光纖應(yīng)位于松套管的中心位置。當(dāng)ADSS光纜受力延伸時(shí),光纖便從松套管的中心位置移向內(nèi)側(cè),此時(shí)光纜所能發(fā)生的長(zhǎng)度變化為其拉伸余長(zhǎng)。相反,當(dāng)ADSS光纜低溫收縮時(shí),光纖便從松套管的中心位置移向外側(cè),此時(shí)光纜所能發(fā)生的長(zhǎng)度變化為其收縮余長(zhǎng)。如圖2所示: 其拉伸余長(zhǎng)表示為: ε1=h1- hh× 100%= 1+4π2h2(2br- r2)- 1 其收縮余長(zhǎng)表示為: ε2=h- h2h× 100%= 1- 1+4π2h2(2br+ r2) 其中: L為松套管中的光纖長(zhǎng)度;h為松套管的絞合節(jié)距;b為松套管的絞合半徑,b=(D+

15、 d) 2, D為松套管外徑,d為中心加強(qiáng)件直徑;r為光纖在松套管中的自由度,r=(D0- df) 2,D0為松套管內(nèi)徑,df為光纖束等效直徑,df= 1.16n1 2 d0,d0為單根光纖直徑,n為松套管中光纖芯數(shù)。從公式中可以看出,決定ADSS光纜光纖余長(zhǎng)的參數(shù)有三個(gè): h,b,r。在不改變光纜結(jié)構(gòu)的情況下,h是保證ADSS光纜光纖余長(zhǎng)的關(guān)鍵。通過(guò)改變h值,可以獲得較大的拉伸和收縮窗口,以保證ADSS光纜在拉伸伸長(zhǎng)時(shí),束管有較大的釋放光纖余長(zhǎng)的能力,而在低溫收縮時(shí),束管又有較大的積累光纖余長(zhǎng)的能力。假設(shè)ADSS光纜松套管中有一定的套塑余長(zhǎng),那么在靜態(tài)時(shí),光纖便不在松套管的中心位置,而應(yīng)該

16、有一個(gè)預(yù)偏置a。 根據(jù)圖2。其拉伸余長(zhǎng)表示為: 1+4π2h22(b+ a)(r+ a)-(r+ a)2 - 1 其收縮余長(zhǎng)表示為: ε′2=h- h2h× 100%= 　　1- 1+4π2h22(b+ a)(r- a)-(r- a)2 比較ε1和ε′1,ε2和ε′2會(huì)發(fā)現(xiàn),由于套塑余長(zhǎng)的存在,ADSS光纜的拉伸余長(zhǎng)相對(duì)增大,而收縮余長(zhǎng)相對(duì)減小。 一般情況下,ADSS光纜的光纖余長(zhǎng)(拉伸余長(zhǎng))要求在0.85%左右,加之光纜在長(zhǎng)期應(yīng)力下蠕變的影響,光纖余長(zhǎng)的大小需控制到1%。減小松套管的絞合節(jié)距,ADSS光纜的光纖余長(zhǎng)會(huì)有較大的增加,但要保證光纜中光纖的彎曲半徑滿足允

17、許值的要求;增大松套管中的套塑余長(zhǎng),也可以使ADSS光纜的光纖余長(zhǎng)有所增加,但要保證其低溫時(shí)的收縮性能。目前,松套管的絞合節(jié)距基本控制在70-80mm,套塑余長(zhǎng)則控制在0.15～ 0.20%的范圍內(nèi)。 3　ADSS光纜加強(qiáng)元件的選擇 ADSS光纜的加強(qiáng)元件主要為中心加強(qiáng)件FRP和外置加強(qiáng)件芳綸紗。由于FRP的拉伸模量比較小,因此在ADSS光纜的設(shè)計(jì)計(jì)算中,通常只計(jì)及芳綸紗為強(qiáng)度元件,而把FRP的抗張作用忽略掉,僅作為額外的安全系數(shù)來(lái)考慮。由于ADSS光纜跨距較大,材料的剛性對(duì)光纜懸掛于空中的幾何形狀影響甚小,可近似認(rèn)為是完全的柔索。根據(jù)其數(shù)學(xué)模型可知,光纜懸掛高點(diǎn)的張力為最大: Nm

18、ax= Wl28f+ W(f+ h) 其中:l為等高跨距(光纜懸掛低點(diǎn)到光纜懸線的水平距離), m;f為弧垂(光纜懸掛低點(diǎn)與光纜懸線最低點(diǎn)之間的垂直距離),m;h為高差(兩懸掛點(diǎn)間的垂直距離),m;W為單位長(zhǎng)度光纜的總荷載,N m。W= (W1+ W2)2+ W23, W1為光纜自身的垂直重量(N m); W2為光纜上覆冰層的垂直重量(N m),W2= ρπ t(D+ t)g= 0.00283t(D+ t)g,D為光纜外徑(mm),t為冰層厚度(mm),ρ為冰密度(0.9g cm3),g為重力加速度;W3為光纜水平方向的風(fēng)力荷載(N m), W3= C1αW0(D+ 2t)= C1αV2

19、g(D+ 2t) 16000,W0為理論風(fēng)壓(N m2), W0= V2 g 16,V為風(fēng)速(m s),C1為風(fēng)載體型系數(shù),α為風(fēng)速不均勻系數(shù)。信息表,實(shí)驗(yàn)方式信息表,實(shí)驗(yàn)管理信息表等數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器來(lái)管理,這樣的環(huán)境是因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)用到的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還有:MATLAB,HTML,VRML,labview,Java3d。 虛擬試驗(yàn)中心包含學(xué)生管理、教師(授課、實(shí)驗(yàn))管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、設(shè)備管理及各部分,學(xué)生管理:學(xué)生個(gè)人信息、個(gè)人空間,學(xué)生做試驗(yàn)的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。授課教師管理:教師個(gè)人信息(授課、實(shí)驗(yàn))和空間、教師批閱試驗(yàn)的時(shí)間(授課、實(shí)驗(yàn))

20、、成績(jī)、實(shí)驗(yàn)新想法(授課、實(shí)驗(yàn))、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的增減。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理:試驗(yàn)的名稱、使用的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)的不同過(guò)程、不同步驟、不同結(jié)果、實(shí)驗(yàn)過(guò)程步驟結(jié)果的分析,試驗(yàn)的增加和減少,試驗(yàn)的維護(hù),試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修改。設(shè)備管理:儀器設(shè)備的制作,參數(shù)的更改。將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)、不同過(guò)程和結(jié)果、不同分析數(shù)據(jù)存入試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。 學(xué)生首先進(jìn)入虛擬試驗(yàn)中心,按照教材做一遍試驗(yàn),虛擬試驗(yàn)中心按操作過(guò)程和結(jié)果給出成績(jī),之后學(xué)生可以按照自己的思路作一遍,看一看,會(huì)是什么過(guò)程什么結(jié)果。如果虛擬試驗(yàn)中心沒(méi)有給出過(guò)程和結(jié)果,可以通過(guò)中心的反饋表反饋給虛擬試驗(yàn)中心,虛擬試驗(yàn)中心通過(guò)收集學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果給出成績(jī),并通過(guò)成績(jī)分析學(xué)生做實(shí)驗(yàn)中

21、存在的問(wèn)題(虛擬試驗(yàn)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)可以給出分析結(jié)果),并通過(guò)反饋信息表,有教師進(jìn)行分析,豐富虛擬試驗(yàn)中心數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。教師和學(xué)生之間通過(guò)實(shí)驗(yàn)建起互動(dòng)的橋梁。 3　虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境的理論支持 隨著網(wǎng)絡(luò)教育研究的不斷深入,原有的教育理論有了新的發(fā)展。一些教育理論被引入網(wǎng)絡(luò)教育中,并轉(zhuǎn)化為教育行為。其中戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”,把人們獲得知識(shí)與能力的各種經(jīng)驗(yàn),分為三類十個(gè)層次。做的經(jīng)驗(yàn)包含有目的直接的經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),參與試驗(yàn)。觀察的經(jīng)驗(yàn)包含瀏覽儀器特性,參觀范例操作,查閱新舊記錄,觀摩成功失敗的試驗(yàn)。抽象的經(jīng)驗(yàn)包含視覺(jué)符號(hào),言語(yǔ)符號(hào)。 第一類經(jīng)驗(yàn),是通過(guò)親身對(duì)事物的接觸與實(shí)踐去獲得事物的信息;

22、第二類經(jīng)驗(yàn),是通過(guò)觀察事物和載有事物信息的媒體去間接獲得事物的信息; 第三類經(jīng)驗(yàn),是通過(guò)抽象符號(hào)的媒體去獲得事物的信息。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建起的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)環(huán)境可以給學(xué)習(xí)者提供虛擬情境,非常容易幫助學(xué)習(xí)者獲得做的經(jīng)驗(yàn)和觀察的經(jīng)驗(yàn),而某些經(jīng)驗(yàn)的獲取在費(fèi)用太昂貴或危險(xiǎn)性極高的條件下難以實(shí)現(xiàn)時(shí),虛擬實(shí)驗(yàn)室可以輕松解決這個(gè)困境,而且學(xué)習(xí)者在原有的認(rèn)知基礎(chǔ)上,還可以獲得思維的經(jīng)驗(yàn)。可見(jiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室同樣可以達(dá)到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的教學(xué)效果,并且由于有高容量,高效率的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)海量的數(shù)據(jù)信息資源,虛擬實(shí)驗(yàn)室必將成為高校教學(xué)活動(dòng)中的重要組成部分,成為推動(dòng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的原動(dòng)力。 4　結(jié)束語(yǔ) ADSS光纜應(yīng)用至今已有二

23、十年。由于采用全介質(zhì)結(jié)構(gòu),既可在已建輸電線路桿塔上直接架設(shè),也避免了停電造成的損失。目前ADSS光纜應(yīng)用中的主要障礙為電腐蝕現(xiàn)象。如果能開(kāi)發(fā)研制出切實(shí)可行的ADSS光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免電腐蝕故障,并從外護(hù)套材料上增強(qiáng)耐電蝕能力,ADSS光纜必將面臨更廣闊的未來(lái)。 參考文獻(xiàn): [1]　陳炳炎.光纖光纜的設(shè)計(jì)和制造[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2003. [2]　胡先志.光纜及工程應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,1998. [3]　虞春.ADSS光纜設(shè)計(jì)與制造[ J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2002,(1):32- 38. [4]　張智堅(jiān).ADSS光纜的電腐蝕在線預(yù)警方案探討[ J].光通信,2004,(7):42- 44. 14