特高壓OPGW近年來應用特點
江蘇通光光纜有限公司 樊紅君
江蘇通光強能輸電線科技有限公司 顧 炎
摘 要：國内特高壓線路發展迅猛，2017年建成的1000kV準東-皖南直流線路工程中 OPGW使用的光纖及抗雷擊應用都有特點，本文以此工程為例總結一下特高壓工程近年來光纖傳輸應用和抗雷擊特點，并且介紹一下低損耗光纖發展，提供給業内人士參考。
關鍵詞 OPGW； ULL-G.652光纖；超低損耗；中繼站；抗雷擊
0 引言
我國特高壓線路自從首條750kV官亭到蘭州的OPGW線路總長超過140km後，建成了多條特高壓線路，比如750kV新疆與西北主網聯網第二通道輸變電工程、±800kV溪洛渡左岸--浙江金華特高壓輸電線路工程、±800kV向家壩--上海特高壓直流輸電示範工程、±800kV錦屏--蘇南特高壓直流輸電線路工程、±800kV哈密--鄭州線路工程、±800kV甯東--紹興特高壓直流輸電線路工程、1000kV淮南--上海特高壓交流輸電示範工程、1000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示範工程、1000kV浙南--福州特高壓交流輸電線路工程、錫盟—山東1000kV交流特高壓輸電線路工程等，本文以2017年建成一條1000kV準東-皖南直流線路工程為例，叙述一下近年來特高壓線路中的OPGW新的應用特點。
1. 特高壓OPGW特征
1.1 特高壓線路傳輸距離長
特高壓大多的傳輸距離2000km以上，如送電1000kV準東-皖南直流線路工程起點位于新疆昌吉自治州，終點位于安徽宣城市，途經新疆、甘肅、甯夏、陝西、河南、安徽6省（區），新建準東、皖南2座換流站，換流容量2400萬kW，線路全長3324km。
1.2 特高壓線路檔距大，氣侯條件複雜
特高壓線路長，線路所經地廣，地形複雜，在很多複雜的地形下沒有架設鐵塔的條件，使得每一個塔與塔的距離各不相同，有的檔距較大，有的檔距較小。再加各個地區的氣侯的差異，風載和覆冰各不相同，所以特高壓中的OPGW設計在考核氣侯條件和檔距的情況下，需要更安全的系數來保證線路的正常運行。
1.3 特高壓線遭受雷擊的概率大
相比500kV 超高壓線路，特高壓架設的杆塔更高，這就意味着層流風速大而且易振動，要求防振措施得當。同時，遭受雷擊的概率将增大, 要求OPGW 有較好的耐振和耐雷性。
2. 特高壓光纖長距離傳輸及中繼站的選擇
随着我國經濟發達區域對電力需求的迅猛增長，國家電網快速推進特高壓線路的建設。特高壓線路提高了電能輸送距離，降低輸電成本，使得電力能源從資源充足的中西部地區向東西部輸送，實現資源優化，是國家電網建設中的重點之一。特高壓輸電線路長度一般在1000km以上，交流特高壓站間距離一般在300～500km左右，直流輸電系統換流站的站間距離更可達到上千公裡。對配套光通信系統的超長距傳輸提出更嚴苛的要求。
2.1 特高壓中繼站的選擇
電力骨幹網光通信系統主要通過同塔架設的OPGW進行信号傳送。OPGW 兼具通信通道和避雷線的功能，已在高壓及特高壓輸電線路中得到了廣泛應用。為了滿足電力通信系統光通信電路的傳輸要求，一般每隔100～200km 要設置地面中繼站。中繼站點通常選擇線路路徑附近的運行變電站，将特高壓光纜通過500kV 及以下線路引接到附近變電站内建設光通信中繼站的方式構建通信通道。
特高壓線路一般走廊偏僻，條件惡劣，不易在線路附近找到合适的變電站建設獨立的地面光中繼站。建造地面光中繼站會額外涉及到選址、征地、賠補、交通、供電、土建等相關問題，因此地面中繼站建設工程投資大、運行維護成本高、需專人值守。中繼站選擇往往成為一個棘手的問題，一定程度上限制了特高壓輸電線路光通信骨幹網的路徑選擇。
2.2 特高壓超長距離傳輸的瓶徑和發展
面對中繼站的選址、交通、供電、土建、維護帶來了較大的困難，所以特高壓超長距離傳輸需要采用超長距離無中繼傳輸。超長距離無中繼傳輸首先解決光纖衰減問題；光纖衰減特性的影響，限制了光通信系統單跨距傳輸的最大距離，形成了超長距離傳輸的瓶徑。
2.2.1 通信傳輸的衰減
這對于光纖衰減的選擇成為必要的條件，用ITU-T G.652光纖的商用OPGW在1550nm工作波長下的衰減通常在0.20dB/km左右，還取決于光纖本身和OPGW工藝過程中及運行環境（如風、冰、溫度變化）導緻的附加衰減。努力降低光纖衰減是光纖領域工作者的不斷追求。
2008年，康甯公司發布了SMF-28®ULL超低損耗光纖是一種超低衰減、滿足G.652标準的單模光纖，是為高速率長途和區域性網絡中能達到更遠的傳輸距離和更長的中繼距離而設計的，它的衰減比常規G.652光纖要低。
2010年，黃俊華等人首次驗證了将SMF-28®ULL光纖用于OPGW工藝可行性，成纜後在1550nm處的最大衰減為0.173dB/km，最小衰減為0.164dB/km，平均衰減為0.167dB/km。
2012年，用SMF-28®ULL光纖的OPGW被成功用于号稱“電力天路”的“青藏±400kV直流聯網工程”，該OPGW在1550nm波長下的衰減≤0.18dB/km，平均衰減≤0.172dB/km，-55℃時的附加衰減≤0.01dB/km。
2017年建成一條1000kV準東-皖南直流線路工程中使的光纖更為特别，ULL光纖平均衰減≤0.180dB/km，ULL+光纖平均衰減≤0.168dB/km。
目前由長飛公司開發的低損耗光纖平均衰減≤0.168dB/km，為我國的長距離傳輸創造了有利的條件。
2.2.1.1 光纖衰減的分級
光纖衰減有時被稱為光纖損耗，可大緻分為表1所示的常規光纖、低損耗光纖（Low Loss，LL）、超低損耗（Ultra Low Loss，ULL）光纖等三級
表1 光纖損耗分級
衰減分級 |
衰減（dB/km） |
|
@1310nm |
@1550nm |
|
常規損耗光纖 |
≤0.34 |
≤0.20 |
低損耗（LL）光纖 |
≤0.32 |
≤0.18 |
超低損耗（ULL）光纖 |
≤0.30 |
≤0.168 |
2017年建成一條1000kV準東-皖南直流線路工程中使的光纖更為特别，ULL光纖平均衰減≤0.180dB/km，屬于低損耗（LL）光纖；ULL+光纖平均衰減≤0.168dB/km，屬于超低損耗（ULL）光纖。
2.2.1.2光纖的主要性能對比
表2給出國産G.652D和ULL-G.652光纖的主要技術性能，圖1是實測的損耗譜特性。
表2幾種光纖的主要性能比對表
ULL-G.652 |
G.652D |
||
型号規格 |
長飛： 全貝R超強 |
長飛： 全貝R |
|
衰減(dB/km) |
1310nm |
≤0.30 |
≤0.34 |
1550nm |
≤0.17 |
≤0.20 |
|
1625nm |
≤0.20 |
≤0.23 |
|
模場直徑(μm) |
1310nm |
8.7～9.5 |
8.7～9.5 |
1550nm |
9.9～10.9 |
9.9～10.9 |
|
色散(ps/nm·km) |
1310nm |
-3.4～3.4 |
3.4 |
1550nm |
≤18 |
≤18 |
|
色散斜率（ps/nm2·km） |
0.092 |
0.091 |
|
截止波長（nm） |
≤1260 |
≤1260 |
|
圖1G.652D與ULL-G.652光纖實測的損耗譜特性
從表2可知：ULL-G.652光纖與G.652D光纖的基本性能相同。
從圖1可見：
- 在E波段（擴展波段，1360～1460nm）的“水峰”特征區域，ULL-G.652光纖的衰減（≤0.4dB/km）略大于G.652D光纖（≤0.3dB/km）；
- 在L波段（長波段，1565～1625nm）的尾部和U沒段（超長波段，1625～1675nm），ULL-G.652光纖與D.652D光纖的衰減幾乎相同（或略低）；
- 在除此之外的所有頻段上，包括O波段（初始波段，1260～1360nm）、S波段（短波段，1460～1530nm）、1550nm及C波段（常規波段，1530～1565nm）和L波段，ULL-G.652光纖的衰減比G.652D光纖有明顯的降低。
2.2.1.3國内長飛公司低損耗光纖最新的衰減控制
表3 驗證用OPGW的結構和主要參數
項目 |
單位 |
參數 |
|
中心：1/2.65mmLB20 ACS; 第1層: 1/2.55mmLB20 ACS+ 1/2.5mm SUS管 第2層：12 /2.55mmLB20 ACS |
光纖數量和類型（ULL-G.652） |
芯 |
24 |
纜外徑 |
mm |
12.85 |
|
重量 |
kg/km |
648 |
|
承載截面積 |
mm2 |
93.78 |
|
額定拉斷力(RTS) |
kN |
118.1 |
|
最大允許拉力(MAT) (40%RTS) |
kN |
47.2 |
|
年平均運行張力(EDS)(25%RTS) |
kN |
29.5 |
|
應變限量(70%RTS) |
kN |
82.7 |
|
直流電阻（20℃） |
Ω/km |
0.932 |
|
短路熱容量(I2t)(40～2000C) |
kA2·s |
41.7 |
從表3可知該OPGW的主要特征：
- 采用了常規設計，是經典的1+6+12的全鋁包鋼結構；
- 在外直徑為2.5mm的不鏽鋼管光單元中置入24根ULL-G.652光纖；
- OPGW的額定拉斷力（RTS）為118.1kN，最大允許拉力（MAT）為47.2kN。
成纜後OPGW長度為2km，可以滿足通常的配盤要求，纜内24根ULL-G.652光纖在1550nm處的衰減系數列于表4，衰減系數過程能力報告見圖3。
表4 OPGW中24根ULL-G.652光纖在1550nm處的衰減系數（dB/km）
顔色（無色環） |
衰減 |
纖号 |
顔色（單色環） |
衰減 |
|
1 |
藍 |
0.162 |
13 |
0.161 |
|
2 |
桔 |
0.161 |
14 |
桔+ |
0.162 |
3 |
綠 |
0.163 |
15 |
綠+ |
0.162 |
4 |
棕 |
0.160 |
16 |
棕+ |
0.160 |
5 |
灰 |
0.162 |
17 |
灰+ |
0.160 |
6 |
白 |
0.162 |
18 |
白+ |
0.158 |
7 |
紅 |
0.161 |
19 |
紅+ |
0.164 |
8 |
黑 |
0.162 |
20 |
本+ |
0.162 |
9 |
黃 |
0.162 |
21 |
黃+ |
0.161 |
10 |
紫 |
0.161 |
22 |
紫+ |
0.162 |
11 |
粉紅 |
0.162 |
23 |
粉紅+ |
0.162 |
12 |
青綠 |
0.160 |
24 |
青綠+ |
0.163 |
平均衰減 |
0.161 dB/km |
||||
從表4可見，成纜後OPGW在1550nm波長下的衰減系數：
- 衰減最大值為0.164 dB/km；
- 衰減最小值為0.158dB/km；
- 平均衰減為0.161 dB/km。
圖3 衰減系數過程能力報告
從圖3可以看出，Cpk=1.80，屬于比較穩定的狀态。
綜上所述，國内長飛的低損耗光纖的研發已經比較穩定，而且平均衰減和最高衰減值遠遠小于0.168 dB/km，為特高壓無中繼傳輸墊定了基礎。
2.2.2 通信傳輸信号處理
随着光纖通信技術的迅速發展，超長站距光纖通信系統也得到迅速發展，傳輸距離、傳輸容量進一步地提高在系統中一般采用摻铒光纖放大器（ErbiumDoped Fiber Amplifier，EDFA）、分布式光纖拉曼放大器（Distributed Raman Fiber Amplifier，DRFA）、前向糾錯（Forward Error Correction，FEC）、遙泵、高階泵，浦等放大方式，以及高階調制技術，如相幹、QPSK、正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等，傳輸距離仍被限制在400km 左右。
但是在采用先進的放大技術解決超長跨距傳輸系統的損耗的同時，由于光纖中傳輸信号的功率增高，系統噪聲增大，且不可避免地引入非線性效應，影響系統的通信質量。同時遙泵等器件不僅價格高昂，線路中摻铒的傳入也為系統後期的運行維護帶來困難。
因此，增加超長距單跨傳送距離的研究基本上達到了瓶頸。
2.3 塔内中繼技術的優勢與發展
塔内中繼是将光通信中繼站安裝在電力線路鐵塔上或塔下的一種建站模式。塔内中繼站設備通常包括設備主機櫃、太陽能闆、風機、蓄電池等組件。塔内中繼站通常安裝在杆塔一級平台上，經過核算，設備單體重量對杆塔負荷的影響基本可以忽略。塔内中繼光路部分采用先進的增益可調的光放大技術，可看作是光纖系統的一個組成部分，中繼站無OEO（光- 電- 光）轉換，光通信電路可靠性高，可以多級級聯，适用于單波SDH、多波長DWDM 等傳輸制式的傳輸，滿足線路兩端各類傳輸設備和傳輸業務的需要。采用塔内光中繼技術後，輸電的距離與配套通信系統的信号傳送距離保持一緻，從根本上解決光通信系統傳輸距離受限的問題。由于塔内光中繼技術與光信号的速率無關，所以它同樣适用于OTN 等速率光通信，大大延長OTN 的傳輸距離，解決目前OTN 傳輸距離受限的問題。
3. 滿足特高壓抗雷擊要求
國内一般輸電線路對OPGW 的耐雷擊性能僅要求滿足《OPGW電力行業标準》規定即可，即OPGW允許有斷股，根據2016年的《OPGW電力行業标準》計算殘餘抗拉強度≥ 83%RTS，光纖無附加衰減。2006年以來，南方電網公司500kV龍灘水電送出、西電東送、海南聯網工程及國家電網公司1000kV晉東南—南陽—荊門、±800kV向家壩—上海、1000kV皖電東送淮南至上海特高壓工程，均要求OPGW耐雷擊性能達到200C不斷股；對于2017年1000kV準東—皖南直流線路工程也有同樣的要求，所以對于OPGW外層線材的選擇是十分重要的。
3.1 OPGW外層線材的選擇
OPGW外層線材首選是鋁包鋼，鋁合金達不到200C不斷股的要求，鍍鋅鋼絲雖然抗雷擊能力很強，但是因鍍鋅層與鋼之間的粘接不是太牢固，所以在架空地線中慢慢被淘退；鋁包鋼的外徑及導電率對雷擊的影響不近相同，外徑大導電率低的鋁包更能抗雷擊；2013年徐擁軍等篇寫的論文《耐200C雷擊不斷股的OPGW結構設計及試驗驗證》中對于不同鋁包鋼的外徑和導電率進行各種試驗，結果是要能達到200C不斷股的要求，鋁包鋼要選擇20.3%導電率的，鋁包鋼的外徑要不小于3.75mm；2017年1000kV準東—皖南直流線路工程最外層鋁包鋼選擇20.3%導電率的，外徑3.8mm，在特高壓工程中最外層單絲這樣的選擇成為常态。
3.2 抗雷擊試驗
下面附圖3-2至附圖3-6為1000kV準東—皖南直流線路工程的光纜，鋁包鋼導電率20.3%，外徑3.8mm,經過五次200C雷擊後沒有斷股的圖5顯示。
圖5 5次雷擊試驗圖
4. OPGW光纜結構的确定及拉伸性能
OPGW型号：OPGW-36B1-230[270；265.7]
圖6 拉伸曲線圖
圖6 拉伸曲線圖顯示了在150KN時光纖有應變，也就光纜拉伸力達到55%RTS時光纖無應變；符合電力行業标準DL/T832-2016，拉伸力小于40%RTS時，光纖無應變；拉伸力小于60%RTS時，光纖應變小于0.25%。
5. 結束語
近年來特高壓線路中OPGW的發展特征是超長距離傳輸、大跨距、抗雷擊不斷股；在超長距離傳輸方面超低損耗光纖得到了發展，并且國産長飛低損耗光纖研發得到了快速發展，低損耗指标好于美國康甯公司的光纖，這為特高壓線線路的發展提供了有利的保證，在信号處理和塔内中繼站方面的技術有了新的發展，為超長距離傳輸中繼站的選址提供了方便。
特高壓線路對于大跨距和抗雷擊不斷股方面已經進行了深入地研究，得出了比較可靠的技術結論，在多個特高壓線路和試驗中得到很好的驗證。
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