多不銹鋼管OPGW 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

富秋豪 邱 明 曹 歡 劉藝璇

（亨通國(guó)際產(chǎn)業(yè)集團(tuán)）

0 引言

巴基斯坦作為當(dāng)前世界第六人口大國(guó)，隨著人口不斷增加，該國(guó)電力消費(fèi)量在近幾年呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，目前巴基斯坦電力需求的年增速將達(dá)到4.1%左右，截止到2025年電力消費(fèi)總量達(dá)到120890GW·h。但因能源短缺導(dǎo)致電力供應(yīng)嚴(yán)重不足是目前巴基斯坦面臨的很大問(wèn)題，拉閘限電的情況時(shí)有發(fā)生，給企業(yè)的正常生產(chǎn)和人民的日常生活帶來(lái)很大影響，嚴(yán)重制約了該國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)［1］。巴基斯坦正在積極尋求雙邊和多邊援助，建設(shè)高壓線路，升級(jí)改造電網(wǎng)以此解決電力需求緊張的問(wèn)題。而多不銹鋼管OPGW 是其電網(wǎng)主要應(yīng)用的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，中國(guó)走向世界的步伐加快，為加深中巴友誼解決該國(guó)電力危機(jī)并應(yīng)對(duì)未來(lái)國(guó)內(nèi)外OPGW 市場(chǎng)特殊結(jié)構(gòu)的需求，多不銹鋼管OPGW 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有很高的研究?jī)r(jià)值［2-3］。

1 多不銹鋼管結(jié)構(gòu)

常規(guī)的鋁包OPGW 光單元采用一根不銹鋼管，管外包覆鋁管結(jié)構(gòu)。而多管結(jié)構(gòu)光單元如圖1所示，多采用三管、四管、六管與加強(qiáng)芯絞合后再進(jìn)行包覆鋁管形成OPGW 光單元［4］。下文將重點(diǎn)介紹生產(chǎn)難度較高的三管結(jié)構(gòu)并以此進(jìn)行探討研究。

圖1 多管結(jié)構(gòu)光單元

2 三管不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光單元結(jié)構(gòu)由中心加強(qiáng)件與多不銹鋼管組成，考慮到輕質(zhì)、環(huán)保、節(jié)能等方面要求，中心加強(qiáng)件我們通常選用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fibre Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）材質(zhì)。FRP是以樹(shù)脂為基體材料，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，按工藝比例混合后拉制而成的高性能復(fù)合材料，其在中心位置的作用是支撐光單元，并在一定程度上提高光單元的徑向抗拉能力和抗彎曲性能［5］。

關(guān)于FRP尺寸的選用，首先根據(jù)各公司的工藝水平?jīng)Q定不銹鋼管的尺寸，本文以24芯3管2.0mm不銹鋼管為例。根據(jù)三管相切圓三角函數(shù)可以得出FRP直徑D1，公式如下：

考慮到三管不銹鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性（加強(qiáng)件直徑小），若將中心加強(qiáng)件加粗，則外層光單元縫隙變大，從而導(dǎo)致光單元絞合過(guò)程中極易出現(xiàn)FRP錯(cuò)位跳出并斷線、光單元壓扁變形等現(xiàn)象。因此為了避免這類情況產(chǎn)生，我們通常根據(jù)理論值選用尺寸負(fù)偏差的FRP，即D1＝0.3mm，使不銹鋼管絞合更緊密，不易出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象。同時(shí)，絞合緊密增加了不銹鋼管之間的受力面積，為避免受力不均導(dǎo)致不銹鋼管局部過(guò)度受壓而造成光纖衰減偏大現(xiàn)象，在絞制過(guò)程中應(yīng)選用張力系統(tǒng)較好的主動(dòng)放線設(shè)備。

3 三管不銹鋼余長(zhǎng)設(shè)計(jì)

眾所周知，光單元余長(zhǎng)是決定OPGW 電力光纜能否安全運(yùn)行的重要因素，合理的余長(zhǎng)設(shè)計(jì)可以保證電力光纜在架設(shè)過(guò)程中光纖不受力，保障其正常的通信傳輸。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，余長(zhǎng)的下限應(yīng)充分考慮OPGW 在施工過(guò)程、氣象溫度、蠕變情況下產(chǎn)生的塑性及彈性形變伸長(zhǎng)量［6］。

蠕變伸長(zhǎng)量ε可根據(jù)產(chǎn)品蠕變曲線（如圖2所示）得出，ε＝64.210t0.195＝0.646‰，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮余量，故選取0.8‰。因溫度變化和架設(shè)期間造成的伸長(zhǎng)量，可根據(jù)產(chǎn)品的彈性模量及線性膨脹系數(shù)得出，具體設(shè)計(jì)參考量見(jiàn)表1。考慮到施工時(shí)會(huì)進(jìn)行初伸長(zhǎng)處理從而解決塑蠕伸長(zhǎng)，因此OPGW 生產(chǎn)余長(zhǎng)通常設(shè)計(jì)在5‰左右。

表1 工況伸長(zhǎng)量

圖2 蠕變曲線

3.1 不銹鋼管管內(nèi)余長(zhǎng)

不銹鋼管內(nèi)光纖受纖膏保護(hù)，處于游離狀態(tài)，其主要分布形式為［7］：

（1）所有光纖分布為束狀；

（2）整個(gè)光纖束在管內(nèi)沿內(nèi)壁分布為SZ螺旋曲線以及正弦分布。

關(guān)于多根光纖束狀分布，根據(jù)二維密堆積結(jié)構(gòu)分析，可求出小圓密堆大圓（見(jiàn)表2）形成的等效圓之間的面積占比為0.75。

表2 小圓密堆大圓

根據(jù)面積占比為0.75，可以推導(dǎo)出多根光纖形成束狀分布后的等效圓直徑Ds，如公式（2）所示。

式中，Ds為等效圓直徑；Df為著色光纖直徑。

螺旋線產(chǎn)生余長(zhǎng)分布如圖3所示。

圖3 光纖余長(zhǎng)螺旋分布示意

光纖的彎曲半徑與管內(nèi)空間決定了不銹鋼管內(nèi)光纖最大余長(zhǎng)，詳見(jiàn)公式：

式中，D為不銹鋼管徑；h為不銹鋼壁厚；Rmin為光纖最小彎曲半徑；Rn為光纖束到中心的距離；L為光纖彎曲節(jié)距；S為光纖管內(nèi)實(shí)際長(zhǎng)度。

根據(jù)公式（4）、（5）即可推導(dǎo)出管內(nèi)余長(zhǎng)ε1：

以3管24芯光單元為例，設(shè)計(jì)為2.0-8B1不銹鋼管，壁厚0.18mm，著色光纖尺寸0.255mm。G652光纖的彎曲半徑Rmin＝55mm，根據(jù)以上參數(shù)代入公式（2）、（3）、（6），可得出ε1＝3.69‰。

3.2 光單元絞合結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)

對(duì)于多管不銹鋼絞合結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，除了管內(nèi)余長(zhǎng)外，還應(yīng)考慮絞合結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)ε2。此結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)是由于當(dāng)OPGW 在拉伸狀態(tài)時(shí)，首先消耗管內(nèi)光纖余長(zhǎng)ε1并使光纖束向管內(nèi)中心位置移動(dòng)，之后由于絞合余長(zhǎng)ε2的存在，有更大的余長(zhǎng)拉伸空間，因此光纖束將向內(nèi)側(cè)移動(dòng)（如圖4所示），從而防止光纖受力產(chǎn)生附加衰減。這種結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)的大小與光單元的節(jié)距與徑向移動(dòng)距離Rn有關(guān)，結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)ε2的公式如式（8）所示。

圖4 結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)及移動(dòng)示意圖

根據(jù)公式可以看出，通過(guò)調(diào)整節(jié)距即節(jié)徑比可以獲得理想的結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)，但是在節(jié)徑比＜20的情況下，雖然獲得的結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)較大，但是工藝上對(duì)不銹鋼管的焊縫要求高，容易造成扭壞。因此對(duì)于三管結(jié)構(gòu)我們通常設(shè)計(jì)節(jié)徑比為26左右，即L1＝60mm。光纖束在消耗一次余長(zhǎng)后分布為不完全束狀，因此計(jì)算結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)時(shí)，等效直徑Ds需考慮直徑系數(shù)k＝1.2，代入公式（7）、（8），獲得ε2＝3.45‰，則綜合余長(zhǎng)ε總＝ε1＋ε2＝7.14‰，滿足OPGW 日常架設(shè)需求。

4 外層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三管不銹鋼絞合后，應(yīng)設(shè)計(jì)外包覆鋁管以提高產(chǎn)品的抗測(cè)壓能力、圓整度和電氣性能。通過(guò)調(diào)整鋁管厚度、單絲類型、單絲尺寸等設(shè)計(jì)手段來(lái)滿足電力客戶對(duì)OPGW 產(chǎn)品的電氣性能和機(jī)械性能的要求。但是在單絲調(diào)整設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縫隙大小。若縫隙過(guò)小，其外層單絲在絞合過(guò)程中易出現(xiàn)相互擠出現(xiàn)象從而使內(nèi)層產(chǎn)生空隙。若設(shè)計(jì)縫隙過(guò)大則絞合不緊密，在高壓情況下易產(chǎn)生電場(chǎng)集中，從而導(dǎo)致放電現(xiàn)象［8］。

為便于理解，假設(shè)各層圓線尺寸相等為Dx，則每層的材料根數(shù)為6n。另假設(shè)各層單絲橫截面為正圓且未經(jīng)過(guò)絞合，則各層的間隙為（2Dxπ－6Dx）×n。由間隙公式可以看出，絞合層數(shù)越多，外層的縫隙也越大。

為了避免各層縫隙過(guò)大，產(chǎn)品必須通過(guò)絞合方式即控制節(jié)徑比參數(shù)使各單絲同時(shí)產(chǎn)生螺旋升角α，從而增加單絲的截面寬度，達(dá)到減少縫隙的目的（如圖5所示）。在設(shè)計(jì)階段我們定義各層單絲的截面寬度總和與該層節(jié)圓的周長(zhǎng)比值為覆蓋率ω，覆蓋率ω越高，則絞合的縫隙越小，反之縫隙就越大。螺旋升角α、覆蓋率ω的推導(dǎo)見(jiàn)公式（9）、（10）。

圖5 螺旋升角示意圖

然而節(jié)徑比也不宜過(guò)小，因?yàn)樯a(chǎn)階段單絲線徑會(huì)出現(xiàn)偏差，若縫隙過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中單絲擠出現(xiàn)象。

因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮： （1）層數(shù)越多縫隙越大，各層的節(jié)徑比應(yīng)逐層遞減，即絞線標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定的任何層節(jié)徑比應(yīng)不大于緊鄰內(nèi)層節(jié)徑比。 （2）節(jié)徑比不能過(guò)小，即各層的節(jié)徑比不應(yīng)小于10。綜上兩點(diǎn)因素，為滿足產(chǎn)品緊密絞合工藝需求，設(shè)計(jì)內(nèi)層節(jié)徑比10～16，外層節(jié)徑比10～12，同時(shí)覆蓋率ω控制在95%～98%。

5 結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)芯尺寸、光纖余長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)縫隙是多管不銹鋼OPGW結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵考慮因素以及工藝衡量的重要指標(biāo)。其中加強(qiáng)芯的尺寸決定了多管不銹鋼工藝絞合質(zhì)量；余長(zhǎng)大小決定了OPGW 架設(shè)過(guò)程中的使用壽命以及通信質(zhì)量；結(jié)構(gòu)縫隙決定了產(chǎn)品的質(zhì)量及后期使用安全。只有在設(shè)計(jì)階段充分考慮產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，才能提高產(chǎn)品性能，為未來(lái)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)提供品質(zhì)更優(yōu)越的多管不銹鋼OPGW。