特高压OPGW近年来应用特点
江苏通光光缆有限公司 樊红君
江苏通光强能输电线科技有限公司 顾 炎
摘 要：国内特高压线路发展迅猛，2017年建成的1000kV准东-皖南直流线路工程中 OPGW使用的光纤及抗雷击应用都有特点，本文以此工程为例总结一下特高压工程近年来光纤传输应用和抗雷击特点，并且介绍一下低损耗光纤发展，提供给业内人士参考。
关键词 OPGW； ULL-G.652光纤；超低损耗；中继站；抗雷击
0 引言
我国特高压线路自从首条750kV官亭到兰州的OPGW线路总长超过140km后，建成了多条特高压线路，比如750kV新疆与西北主网联网第二通道输变电工程、±800kV溪洛渡左岸--浙江金华特高压输电线路工程、±800kV向家坝--上海特高压直流输电示范工程、±800kV锦屏--苏南特高压直流输电线路工程、±800kV哈密--郑州线路工程、±800kV宁东--绍兴特高压直流输电线路工程、1000kV淮南--上海特高压交流输电示范工程、1000kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程、1000kV浙南--福州特高压交流输电线路工程、锡盟—山东1000kV交流特高压输电线路工程等，本文以2017年建成一条1000kV准东-皖南直流线路工程为例，叙述一下近年来特高压线路中的OPGW新的应用特点。
1. 特高压OPGW特征
1.1 特高压线路传输距离长
特高压大多的传输距离2000km以上，如送电1000kV准东-皖南直流线路工程起点位于新疆昌吉自治州，终点位于安徽宣城市，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽6省（区），新建准东、皖南2座换流站，换流容量2400万kW，线路全长3324km。
1.2 特高压线路档距大，气侯条件复杂
特高压线路长，线路所经地广，地形复杂，在很多复杂的地形下没有架设铁塔的条件，使得每一个塔与塔的距离各不相同，有的档距较大，有的档距较小。再加各个地区的气侯的差异，风载和覆冰各不相同，所以特高压中的OPGW设计在考核气侯条件和档距的情况下，需要更安全的系数来保证线路的正常运行。
1.3 特高压线遭受雷击的概率大
相比500kV 超高压线路，特高压架设的杆塔更高，这就意味着层流风速大而且易振动，要求防振措施得当。同时，遭受雷击的概率将增大, 要求OPGW 有较好的耐振和耐雷性。
2. 特高压光纤长距离传输及中继站的选择
随着我国经济发达区域对电力需求的迅猛增长，国家电网快速推进特高压线路的建设。特高压线路提高了电能输送距离，降低输电成本，使得电力能源从资源充足的中西部地区向东西部输送，实现资源优化，是国家电网建设中的重点之一。特高压输电线路长度一般在1000km以上，交流特高压站间距离一般在300～500km左右，直流输电系统换流站的站间距离更可达到上千公里。对配套光通信系统的超长距传输提出更严苛的要求。
2.1 特高压中继站的选择
电力骨干网光通信系统主要通过同塔架设的OPGW进行信号传送。OPGW 兼具通信通道和避雷线的功能，已在高压及特高压输电线路中得到了广泛应用。为了满足电力通信系统光通信电路的传输要求，一般每隔100～200km 要设置地面中继站。中继站点通常选择线路路径附近的运行变电站，将特高压光缆通过500kV 及以下线路引接到附近变电站内建设光通信中继站的方式构建通信通道。
特高压线路一般走廊偏僻，条件恶劣，不易在线路附近找到合适的变电站建设独立的地面光中继站。建造地面光中继站会额外涉及到选址、征地、赔补、交通、供电、土建等相关问题，因此地面中继站建设工程投资大、运行维护成本高、需专人值守。中继站选择往往成为一个棘手的问题，一定程度上限制了特高压输电线路光通信骨干网的路径选择。
2.2 特高压超长距离传输的瓶径和发展
面对中继站的选址、交通、供电、土建、维护带来了较大的困难，所以特高压超长距离传输需要采用超长距离无中继传输。超长距离无中继传输首先解决光纤衰减问题；光纤衰减特性的影响，限制了光通信系统单跨距传输的最大距离，形成了超长距离传输的瓶径。
2.2.1 通信传输的衰减
这对于光纤衰减的选择成为必要的条件，用ITU-T G.652光纤的商用OPGW在1550nm工作波长下的衰减通常在0.20dB/km左右，还取决于光纤本身和OPGW工艺过程中及运行环境（如风、冰、温度变化）导致的附加衰减。努力降低光纤衰减是光纤领域工作者的不断追求。
2008年，康宁公司发布了SMF-28®ULL超低损耗光纤是一种超低衰减、满足G.652标准的单模光纤，是为高速率长途和区域性网络中能达到更远的传输距离和更长的中继距离而设计的，它的衰减比常规G.652光纤要低。
2010年，黄俊华等人首次验证了将SMF-28®ULL光纤用于OPGW工艺可行性，成缆后在1550nm处的最大衰减为0.173dB/km，最小衰减为0.164dB/km，平均衰减为0.167dB/km。
2012年，用SMF-28®ULL光纤的OPGW被成功用于号称“电力天路”的“青藏±400kV直流联网工程”，该OPGW在1550nm波长下的衰减≤0.18dB/km，平均衰减≤0.172dB/km，-55℃时的附加衰减≤0.01dB/km。
2017年建成一条1000kV准东-皖南直流线路工程中使的光纤更为特别，ULL光纤平均衰减≤0.180dB/km，ULL+光纤平均衰减≤0.168dB/km。
目前由长飞公司开发的低损耗光纤平均衰减≤0.168dB/km，为我国的长距离传输创造了有利的条件。
2.2.1.1 光纤衰减的分级
光纤衰减有时被称为光纤损耗，可大致分为表1所示的常规光纤、低损耗光纤（Low Loss，LL）、超低损耗（Ultra Low Loss，ULL）光纤等三级
表1 光纤损耗分级
衰减分级 |
衰减（dB/km） |
|
@1310nm |
@1550nm |
|
常规损耗光纤 |
≤0.34 |
≤0.20 |
低损耗（LL）光纤 |
≤0.32 |
≤0.18 |
超低损耗（ULL）光纤 |
≤0.30 |
≤0.168 |
2017年建成一条1000kV准东-皖南直流线路工程中使的光纤更为特别，ULL光纤平均衰减≤0.180dB/km，属于低损耗（LL）光纤；ULL+光纤平均衰减≤0.168dB/km，属于超低损耗（ULL）光纤。
2.2.1.2光纤的主要性能对比
表2给出国产G.652D和ULL-G.652光纤的主要技术性能，图1是实测的损耗谱特性。
表2几种光纤的主要性能比对表
ULL-G.652 |
G.652D |
||
型号规格 |
长飞： 全贝R超强 |
长飞： 全贝R |
|
衰减(dB/km) |
1310nm |
≤0.30 |
≤0.34 |
1550nm |
≤0.17 |
≤0.20 |
|
1625nm |
≤0.20 |
≤0.23 |
|
模场直径(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 |
|
截止波长（nm） |
≤1260 |
≤1260 |
|
图1G.652D与ULL-G.652光纤实测的损耗谱特性
从表2可知：ULL-G.652光纤与G.652D光纤的基本性能相同。
从图1可见：
- 在E波段（扩展波段，1360～1460nm）的“水峰”特征区域，ULL-G.652光纤的衰减（≤0.4dB/km）略大于G.652D光纤（≤0.3dB/km）；
- 在L波段（长波段，1565～1625nm）的尾部和U没段（超长波段，1625～1675nm），ULL-G.652光纤与D.652D光纤的衰减几乎相同（或略低）；
- 在除此之外的所有频段上，包括O波段（初始波段，1260～1360nm）、S波段（短波段，1460～1530nm）、1550nm及C波段（常规波段，1530～1565nm）和L波段，ULL-G.652光纤的衰减比G.652D光纤有明显的降低。
2.2.1.3国内长飞公司低损耗光纤最新的衰减控制
表3 验证用OPGW的结构和主要参数
项目 |
单位 |
参数 |
|
中心：1/2.65mmLB20 ACS; 第1层: 1/2.55mmLB20 ACS+ 1/2.5mm SUS管 第2层：12 /2.55mmLB20 ACS |
光纤数量和类型（ULL-G.652） |
芯 |
24 |
缆外径 |
mm |
12.85 |
|
重量 |
kg/km |
648 |
|
承载截面积 |
mm2 |
93.78 |
|
额定拉断力(RTS) |
kN |
118.1 |
|
最大允许拉力(MAT) (40%RTS) |
kN |
47.2 |
|
年平均运行张力(EDS)(25%RTS) |
kN |
29.5 |
|
应变限量(70%RTS) |
kN |
82.7 |
|
直流电阻（20℃） |
Ω/km |
0.932 |
|
短路热容量(I2t)(40～2000C) |
kA2·s |
41.7 |
从表3可知该OPGW的主要特征：
- 采用了常规设计，是经典的1+6+12的全铝包钢结构；
- 在外直径为2.5mm的不锈钢管光单元中置入24根ULL-G.652光纤；
- OPGW的额定拉断力（RTS）为118.1kN，最大允许拉力（MAT）为47.2kN。
成缆后OPGW长度为2km，可以满足通常的配盘要求，缆内24根ULL-G.652光纤在1550nm处的衰减系数列于表4，衰减系数过程能力报告见图3。
表4 OPGW中24根ULL-G.652光纤在1550nm处的衰减系数（dB/km）
颜色（无色环） |
衰减 |
纤号 |
颜色（单色环） |
衰减 |
|
1 |
蓝 |
0.162 |
13 |
0.161 |
|
2 |
桔 |
0.161 |
14 |
桔+ |
0.162 |
3 |
绿 |
0.163 |
15 |
绿+ |
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 |
红 |
0.161 |
19 |
红+ |
0.164 |
8 |
黑 |
0.162 |
20 |
本+ |
0.162 |
9 |
黄 |
0.162 |
21 |
黄+ |
0.161 |
10 |
紫 |
0.161 |
22 |
紫+ |
0.162 |
11 |
粉红 |
0.162 |
23 |
粉红+ |
0.162 |
12 |
青绿 |
0.160 |
24 |
青绿+ |
0.163 |
平均衰减 |
0.161 dB/km |
||||
从表4可见，成缆后OPGW在1550nm波长下的衰减系数：
- 衰减最大值为0.164 dB/km；
- 衰减最小值为0.158dB/km；
- 平均衰减为0.161 dB/km。
图3 衰减系数过程能力报告
从图3可以看出，Cpk=1.80，属于比较稳定的状态。
综上所述，国内长飞的低损耗光纤的研发已经比较稳定，而且平均衰减和最高衰减值远远小于0.168 dB/km，为特高压无中继传输垫定了基础。
2.2.2 通信传输信号处理
随着光纤通信技术的迅速发展，超长站距光纤通信系统也得到迅速发展，传输距离、传输容量进一步地提高在系统中一般采用掺铒光纤放大器（ErbiumDoped Fiber Amplifier，EDFA）、分布式光纤拉曼放大器（Distributed Raman Fiber Amplifier，DRFA）、前向纠错（Forward Error Correction，FEC）、遥泵、高阶泵，浦等放大方式，以及高阶调制技术，如相干、QPSK、正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等，传输距离仍被限制在400km 左右。
但是在采用先进的放大技术解决超长跨距传输系统的损耗的同时，由于光纤中传输信号的功率增高，系统噪声增大，且不可避免地引入非线性效应，影响系统的通信质量。同时遥泵等器件不仅价格高昂，线路中掺铒的传入也为系统后期的运行维护带来困难。
因此，增加超长距单跨传送距离的研究基本上达到了瓶颈。
2.3 塔内中继技术的优势与发展
塔内中继是将光通信中继站安装在电力线路铁塔上或塔下的一种建站模式。塔内中继站设备通常包括设备主机柜、太阳能板、风机、蓄电池等组件。塔内中继站通常安装在杆塔一级平台上，经过核算，设备单体重量对杆塔负荷的影响基本可以忽略。塔内中继光路部分采用先进的增益可调的光放大技术，可看作是光纤系统的一个组成部分，中继站无OEO（光- 电- 光）转换，光通信电路可靠性高，可以多级级联，适用于单波SDH、多波长DWDM 等传输制式的传输，满足线路两端各类传输设备和传输业务的需要。采用塔内光中继技术后，输电的距离与配套通信系统的信号传送距离保持一致，从根本上解决光通信系统传输距离受限的问题。由于塔内光中继技术与光信号的速率无关，所以它同样适用于OTN 等速率光通信，大大延长OTN 的传输距离，解决目前OTN 传输距离受限的问题。
3. 满足特高压抗雷击要求
国内一般输电线路对OPGW 的耐雷击性能仅要求满足《OPGW电力行业标准》规定即可，即OPGW允许有断股，根据2016年的《OPGW电力行业标准》计算残余抗拉强度≥ 83%RTS，光纤无附加衰减。2006年以来，南方电网公司500kV龙滩水电送出、西电东送、海南联网工程及国家电网公司1000kV晋东南—南阳—荆门、±800kV向家坝—上海、1000kV皖电东送淮南至上海特高压工程，均要求OPGW耐雷击性能达到200C不断股；对于2017年1000kV准东—皖南直流线路工程也有同样的要求，所以对于OPGW外层线材的选择是十分重要的。
3.1 OPGW外层线材的选择
OPGW外层线材首选是铝包钢，铝合金达不到200C不断股的要求，镀锌钢丝虽然抗雷击能力很强，但是因镀锌层与钢之间的粘接不是太牢固，所以在架空地线中慢慢被淘退；铝包钢的外径及导电率对雷击的影响不近相同，外径大导电率低的铝包更能抗雷击；2013年徐拥军等篇写的论文《耐200C雷击不断股的OPGW结构设计及试验验证》中对于不同铝包钢的外径和导电率进行各种试验，结果是要能达到200C不断股的要求，铝包钢要选择20.3%导电率的，铝包钢的外径要不小于3.75mm；2017年1000kV准东—皖南直流线路工程最外层铝包钢选择20.3%导电率的，外径3.8mm，在特高压工程中最外层单丝这样的选择成为常态。
3.2 抗雷击试验
下面附图3-2至附图3-6为1000kV准东—皖南直流线路工程的光缆，铝包钢导电率20.3%，外径3.8mm,经过五次200C雷击后没有断股的图5显示。
图5 5次雷击试验图
4. OPGW光缆结构的确定及拉伸性能
OPGW型号：OPGW-36B1-230[270；265.7]
图6 拉伸曲线图
图6 拉伸曲线图显示了在150KN时光纤有应变，也就光缆拉伸力达到55%RTS时光纤无应变；符合电力行业标准DL/T832-2016，拉伸力小于40%RTS时，光纤无应变；拉伸力小于60%RTS时，光纤应变小于0.25%。
5. 结束语
近年来特高压线路中OPGW的发展特征是超长距离传输、大跨距、抗雷击不断股；在超长距离传输方面超低损耗光纤得到了发展，并且国产长飞低损耗光纤研发得到了快速发展，低损耗指标好于美国康宁公司的光纤，这为特高压线线路的发展提供了有利的保证，在信号处理和塔内中继站方面的技术有了新的发展，为超长距离传输中继站的选址提供了方便。
特高压线路对于大跨距和抗雷击不断股方面已经进行了深入地研究，得出了比较可靠的技术结论，在多个特高压线路和试验中得到很好的验证。
参考文献：
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[4] 黄俊华，樊红君、周峰、李晓琴. 超低光传输衰减的OPGW[J]. 光通信专业委员会
[5] 辛鹏，安慧蓉. 浅述塔内中继技术在超长距通信中的应用[J]. 应用
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