光纤复合（共7篇）
光纤复合 篇1
电力通信主要为电网的自动化控制、商业化运营和实现现代化管理服务。它是电网安全稳定控制系统和调度自动化系统的基础, 是电力市场运营商业化的保障, 是实现电力系统现代化管理的重要前提, 也是非电产业经营多样化的基础。光纤通信在电力通信中的应用最初是沿用电信部门传统的地埋、管道、架空等方法敷设普通光缆, 构成电力光纤通信系统。众所周知, 电力系统是由电能的生产、输送、分配和消费组成的一个整体。为实现跨区域、长距离电能的输送, 电力系统建设了遍及各地的高压输电线路;为满足城乡广大民众生产生活用电需求, 又有纵横交错、密布街道村庄的输配电杆路和沟道。可以说, 高、中、低压输配电线路是目前覆盖面最为广大的网络基础设施, 而且它基础坚固, 较之其它网络如电信、广电网络等有着更高的可靠性。因此, 如何充分利用电力系统这一得天独厚的网络资源, 是长期以来人们潜心研究的一个重要课题。
1、电力通信网的构成及特点
电力通信网是由光纤、微波及卫星电路构成主干线, 各支路充分利用电力线载波、特种光缆等电力系统特有的通信方式, 并采用明线、电缆、无线等多种通信手段及程控交换机、调度总机等设备组成的多用户、多功能的综合通信网。
1.1 电力通信的几种主要方式。
1.1.1 电力线载波通信。
电力线路主要是用来输送工频电流的。若将话音及其他信息通过载波机变换成高频弱电流, 利用电力线路进行传送, 这就是电力线载波通信, 具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。除此之外, 电力线载波通信中还有利用电力线路架空地线传送载波信号的绝缘地线载波等方法。与普通电力线载波比较, 绝缘地线载波不受线路停电检修或输电线路发生接地故障的影响, 而且地线处于绝缘状态可减少大量的电能损耗。
1.1.2 光纤通信。
由于光纤通信具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、频带宽、传输衰耗小等诸多优点, 它一问世便首先在电力部门得到应用并迅速发展。除普通光纤外, 一些专用特种光纤也在电力通信中大量使用。
1.1.3 其他
电力通信网中还有传统的明线电话、音频电缆及新兴的扩频通信等方式。
1.2 电力系统通信的特点。
公用通信网及其他专网相比, 电力系统通信的特点主要表现为:要求有较高的可靠性和灵活性;传输信息量少、种类复杂、实时性强;具有很大的耐“冲击”性;网络结构复杂;通信范围点多面广;无人值守的机房居多。
2、光纤通信技术应用
由于光纤通信具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、频带宽、传输衰耗小等诸多优点, 它一问世便首先在电力部门得到应用并迅速发展。除普通光纤外, 一些专用特种光纤也在电力通信中大量使用。电力特种光纤泛指OPGW (光纤复合地线) 、OPPC (光纤复合相线) 、MASS (金属自承光缆) 、ADSS (全介质自承光缆) 、ADL (相/地捆绑光缆) 和GWWOP (相/地线缠绕光缆) 等几种。目前, 在我国应用较多的电力特种光缆主要有ADSS和OPGW。
2.1 光纤复合地线。
光纤复合地线——OPGW (OpticalGroundW ire) OPGW又称地线复合光缆、光纤架空地线等, 是在电力传输线路的地线中含有供通信用的光纤单元。即架空地线内含光纤。它使用可靠, 不需维护, 但一次性投资额较大, 适用于新建线路或旧线路更换地线时使用。它具有两种功能:一是作为输电线路的防雷线, 对输电导线抗雷闪放电提供屏蔽保护;二是通过复合在地线中的光纤来传输信息。OPGW是架空地线和光缆的复合体, 但并不是它们之间的简单相加。OPGW缆除满足光学性能外, 还完全满足架空地线的机械、电气性能要求。因此可应用于所有具有架空接地线的输配电线路。光纤单元被置放于保护管内或金属骨架内。得到了充分的保护。使光纤具有很高的可靠性和安全性。OPGW应用于新建线路时, 并不增加建设费用 (与总的费用比较) 。OPGW应用于旧线路时。只需把原来的地线更换下来即可, 而不用对杆塔进行加固或重新设计负荷等。OPGW的安装方法与电力线的张力放线完全一样。不需要特殊的安装机具和工具。常见的OPGW结构主要有三大类, 分别是铝管型、铝骨架型和 (不锈) 钢管型。根据我国电力系统目前的现状, OPGW对于进一步发展我国电力工业, 进一步提高输电容量, 使架空线超高压化及高自动化, 都是必不可少的。由于我国地域广阔, 电力传输线路长, 尤其是水力资源大部分集中在西部, 而工业城市主要集中在东部沿海地区, 因此这就需要大量的长距离超高压架空线来输送电力和信息。OPGW是一种高技术产品, 国外近几年对该产品的研究取得了很大进步, 这使得我们还有很多工作要做。同时, 国内对OPGW的需求也日益增加, 这一切都向我们预示着OPGW光明的前景。
2.2 光纤复合相线
光纤复合相线——OPPC (Optical Phase Conduc-tor) 在电网中, 有些线路可不设架空地线, 但相线是必不可少的。为了满足光纤联网的要求, 与OPGW技术相类似, 在传统的相线结构中以合适的方法加入光纤, 就成为光纤复合相线 (OPPC) 。虽然它们的结构雷同, 但从设计到安装和运行, OPPC与OPGW有原则的区别。OPPC充分利用电力系统自身的线路资源, 避免在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾、用于电力通信的一种新型特种电力光缆。二十世纪80年代, 一些国家允许将OPPC用于150KV以下的电力系统中, 并已经在欧洲、美州等国家广泛架设运行。目前, 它已经在更高电压的电力线路得到应用。在我国现行电网中, 35KV以下的线路一般都采用三相电力系统传输, 系统的电力通信则采用传统的方式进行。如果用OPPC替代三项中的一相, 形成由两根导线和一根OPPC组合而成的三相电力系统, 不需要另外架设通信线路就可以解决这类电网的自动化、调度、通信等问题, 并可大大提高传输的质量和数量。OPPC在工程设计中可参照OPGW和三相导线的设计规范。如弧垂张力、挂点的计算、配盘、档距等。在OPPC工程的施工中, 需要在运行的相线中将光纤单元分离出来, 涉及到光纤接续和光电子分离技术。对接续的技术、高压绝缘有严格要求OPPC的接头盒和其他光缆使用的接头盒不同, 分为中间接头盒和终端接头盒。在国外产品成熟的基础上, 国内已自行研制出同类的产品。
参考文献
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[2]牛忠霞.《光纤通信》郑州科技学院内部使用资料2010.
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[4]李超.浅谈光纤通信技术发展的现状与趋势.沿海企业与科技, 2007.7.
光纤复合 篇2
在“十二五”通信规划中, 我国国家电网提出了一个极具创造性的概念, 那就是“终端通信接入网”。这个概念的提出一方面主要是为了能够更好的满足智能电网配用的需求;另一方面也能通过该技术将配电终端、用户电能表以及室内通讯终端等相关设施进行有效覆盖, 该技术主要分为三个层次, 分别是10 k V通信接入网、0.4 k V通信接入网和用户室内网。
通常, 根据不同的业务不同的需求, 我们将通信接入的方式自然也就不同。一般来讲, 我们将通信接入网通信方式主要分为两个大的方面:一个是10 k V通信接入网, 一个是0.4 k V的通信接入网。像是解决配电的自动化业务, 那么我们就需要利用到1 0 k V的电力线路杆, 采用光线专网、230 M电力无线通信等方式与之进行相对应的配合;而0.4 k V的通信接入网通常会处理一些电信息采集方面的业务。在智能电网发展的过程中, 我们对通信容量以及宽带也随之有了更为严格的要求。光纤到户 (Power Fiber to the Home简称PFTTH) 新技术就从各个方面满足了“三网融合”的需求, 使电力流、信息流和业务流得到了最大化的融合统一, 因此, 光纤复合低压电缆 (OPLC) 也成为了最优质的光传输媒介。
2 光纤复合低压电缆的诞生
2.1 光纤复合低压电缆的构成
在我国的电力通信领域, 光纤复合低压电缆是一项新型技术。它可以将低压电力电缆中的光单元充分融合, 成为一种具有双重传输能力的符合电缆。这里的双重传输主要是指低压电力和光通信。光纤复合低压电缆的应用十分广泛, 它是一种可以解决低压配电网和用户网的科学又耐用的电力通信复合介质, 不仅如此, 它还能提供高宽带、高容量的通道, 保证智能配电网、用户采集和智能建筑等业务正常运行, 据悉, 光纤复合低压电缆具有相当高的稳定性, 因此, 十分受人欢迎。
2.2 光单元的构造原理
为了让光纤复合低压电缆免受电磁的干扰, 形成电流回路, 以免在施工中考虑到单元接地的问题, 我们应当将所有光单元设计成非金属。而关于光单元的尺寸、余长以及综合成本等, 我们为了实现利益最大化, 于是进行了两组实验的对比:
(1) 松套光纤结构。
光纤余长基本被控制在1%~2%。我们可以加厚松套管以便将单元抗侧压能力进行优化, 再镀一层非金属的加强件将其抗拉能力充分提高, 这样就能够充分提高光单元的机械性能。
(2) 紧套光纤结构。
该结构属于全干式, 不仅便于其清洁, 而且还具有一定的抗拉能力, 但相对于松套光纤结构, 尺寸略微较大, 适用于室内的垂直布线或是水平布线。
通过对以上两组实验进行对比, 我们不难发现由于紧套光纤结构单元几乎没有光纤余长, 因此, 在光纤复合低压电缆进行拉伸时其应变能力有所欠佳, 因此, 在光纤复合低压电缆的光单元结构的设计上, 我们选用松套光纤结构。
2.3 光单元位置的设置
决定了光纤复合低压电缆的结构, 我们需要考虑光单元放置的位置。在放置之前, 我们有两种选择:一种是放在电缆中间的空隙中;另一种则是放置在电缆成缆的边缘空隙上。
据理论分析, 若是将电缆放置在缆芯中间, 电缆不仅可以得到充分的保护, 且电缆和电缆芯都可以保持在原来位置, 而成品电缆同时也会具有相对较强的抗压能力;若是将电缆芯放在电缆的边缘上, 那么光单元的分支相对就比较方便, 但其成品电缆的光单元一侧就会具有较差的抗压能力。因此, 我们也对这两种结构的光纤复合低压电缆进行了实验和对比。
由于光单元放置位置的不同, 光纤复合低压电缆的光线性能也随之发生了变化。当光线被放在电缆中心的时候, 我们发现, 光缆性能出现了异常, 也就是未合格。经过深入的分析和研究, 我们最终得出这样一个结论:电缆的缆芯由于受到压偏力的作用, 于是导致绝缘体的线心在位置上发生了变化, 中间的间隙受到了严重的压缩, 最终导致光线受力。
由此, 我们可以十分明显的看到, 将光单元放置在电缆成缆的边缘空隙上是最佳选择。
2.4 绞线的控制
光纤复合低压电缆的生产还有关键性的一步, 那就是控制好绞线的张力。若是在光纤复合低压电缆中张力过大, 那便会加重光线的受力, 浪费过多的光纤余长, 同时也会让光性能出现异样;若是绞线的张力过小, 那么就会引起光单元在成缆使发生变形, 导致光纤的性能恶化。于是, 我们通过对光单元的张力和应力进行及时的监控, 确定了绞线张力的控制范围, 与此同时, 我们更利用主动放线的手段来控制其张力, 促使光纤复合低压电缆的管线性能发挥出最大效益。
2.5 光纤复合低压电缆的耐热程度
为了保证光纤复合低压电缆在长期的工作中依然能够保持稳定, 我们对其耐热程度做一个大致了解。
我们不断对其施加电流, 将导体的温度维持在75~80摄氏度, 通过连续20天实验, 我们发现绝缘线中间的温度尚未达到70摄氏度, 这完全满足光纤复合低压电缆长期使用的条件, 同时也说明光纤复合低压电缆在电流的持续通过下其传输性能不会受到影响。
3 电力光纤到户技术的实现
国务院在2010年提出了“三网融合”的概念, 同时将其列入我国的国家战略。“十二五”期间, 光纤到户的建设受到政府的重视, 同时也得到国家的大力支持。我们想要实现智能电网, 首先就要加大对通信接入网的投入, 积极建设该项设施。其实我们不难发现, 电力网与电信网、电视网甚至是因特网等用户网都具有十分多的共性, 因此, 我们需要充分利用电网的“最后一公里”资源实现光纤到户的美好愿望。这样, 一方面能够满足各类业务的应用需求;另一方面也可以充分的支持“三网融合”。
为了充分实现低压电力与光纤同步到户, PFTTH在终端的通信接入网中采用了光纤复合低压电缆, 充分利用无源光网络技术, 同时承载了智能家居、点信息采集等业务。
PFTTH的组成主要包括两部分:一是电力专用网;一是公用网。而电力专用网通常承载电动汽车、自助缴费等业务;像是“三网融合”、用电信息互动等业务则由公用网承载。
4 结语
综上所述, 光纤复合低压电缆是一种新型的、科学的电力技术。它的成功研发不仅依靠专业的研究团队, 更离不开国家的高度重视。光纤复合低压电缆的开发实现了光纤到户的美好愿望, 不仅方便了大众, 为人民创造了更为舒适、方便、快捷、环保的生活环境, 更充分有效的利用了我国的电力资源。相信通过我们的不断努力, 电力技术一定越来越完善, 越来越先进。
摘要：所谓光纤复合低压电缆是一种十分优质的电力传输媒介, 它是实现光线到户技术的关键, 同时也是智能电网建设中的一项重要技术。出于对智能电网的终端配用以及“三网融合”战略具体需求的考虑, 在光纤复合低压电缆的终端与网络相联的情况下, 我们研发了光纤到户的新技术。本文对光纤到户这项新技术进行了详细的说明。
关键词：光纤符合低压电缆,光纤到户,新兴技术
参考文献
[1]丁慧霞, 滕玲, 许高雄, 等.用于电力光纤到户的光纤复合低压电缆接续技术研究[J].电网技术, 2011 (11) .
[2]李远东.有线电视光纤到户接入网设计计算的实践[J].电视技术, 2012 (22) .
[3]张刚.电力光纤到户光缆监测系统的设计[J].现代电子技术, 2011 (4) .
高压光纤复合测温电缆的研制 篇3
使用光纤进行长距离分布式温度测量是近十年发展起来的一项高新技术。分布式光纤实时温度监测系统采用拉曼散射原理,集激光技术、光纤技术和网络技术于一体,在许多领域已得到广泛使用。分布式光纤实时温度监测系统具有连续分布式测温、精度高、响应快、传输距离远、耐恶劣环境、抗电磁干扰、防爆、寿命长、安装方便、免维护等特点,在远程监控方面具有明显的技术优势,是未来高压及超高压电缆测温及智能化的发展方向。通过该系统可对整条运行电缆的温度进行分布式实时在线监测,对易发生火灾的电缆接头、电缆终端、电缆局部过热点和外力破坏等引起的故障进行准确定位,可结合周围环境的状况,分析输电线路的安全与否,以及为高压电缆的最佳敷设方案的设计提供参考依据[1,2,3]。
由于分布式光纤实时温度监测系统的启用对电力部门的意义非常重大,因此本公司在积累了大量的高压电缆制造经验的基础上,自主开发了高压光纤复合测温电缆。
1 光纤测温原理
高压光纤复合测温电缆中光纤的测温原理是:根据光纤背向拉曼散射的温度效应(即反斯托克斯光的强度随温度变化),探测出电缆内光纤不同位置的温度变化,实现温度的分布式测量。本高压光纤复合测温电缆(下文简称本电缆)利用敷设在其内部或紧贴其表面的测温光纤实现对高压电缆温度(特别是电缆接头温度)的实时在线监测,准确定位电缆故障位置,显示故障点的温度状态;通过载流量分析软件对高压电缆导体线芯温度进行监测,以提高电缆的使用寿命和利用率;结合电气故障监测系统对电力系统的各种运行参数进行实时在线监测。
2 结构设计
本电缆的结构设计中最关键的是光纤在缆中的位置。目前,高压光纤复合测温电缆中光纤放置位置有在电缆绝缘线芯的屏蔽与金属护套之间和在电缆的护套表面两种。为能更好地测定电缆导体的温度,我们对以下光纤的放置位置进行了分析:
(1)光纤沿纵向固定在电缆护套表面或绝缘线芯表面。当高压电缆通电运行时,导体及绝缘的温度升高,发热的线芯使电缆沿长度方向伸长,而此时被固定住的光纤很难随电缆的伸长而伸长,并且光纤也会因受热导致其衰减增加,无法正常传输。
(2)光纤以螺旋形的方式缠绕在电缆绝缘线芯缓冲带的表面。当电缆卷绕到电缆盘或从电缆盘拉出或在敷设中发生弯曲时,易使光纤受弯或扭曲。若光纤受弯或扭曲与其缠绕方向相同时,光纤会被勒紧伸长;反之,光纤会松弛,在弯曲或扭曲消除时光纤易产生扭曲,而使光纤衰减增加,无法正常传输。
(3)光纤以螺旋形的方式缠绕在绝缘线芯表面。当高压电缆通电满负荷运行时,导体温度最高将达到90℃,绝缘温度也从20℃升至90℃,绝缘发生膨胀(绝缘厚度增加1.5mm左右,绝缘外径将增加3mm左右),此时在常温下紧密缠绕在绝缘线芯上的光纤将无法承受这部分膨胀的绝缘体积,而使光纤衰减增加,影响光纤测温的准确性。此外,由于国内高压交联聚乙烯绝缘电力电缆大多采用皱纹铝护套,光纤螺旋形绕在电缆绝缘线芯表面时铝护套内侧凸出部分对其挤压(这是因为大规格电缆的导体重量较重,在挤包电缆铝护套或氩弧焊电缆铝护套时绝缘线芯易下沉到铝护套低部),使光纤受损无法正常使用,从而影响光纤测温的准确性。
(4)光纤以螺旋形的方式缠绕在铝护套表面,波纹状表面使铝护套具有挠性,且铝护套和电缆绝缘线芯表面的缓冲带之间有一定空隙,这都会影响光纤测温的准确性。
综上所述,我们对光纤的放置位置进行了进一步合理设计,在挤铝或氩弧焊工序前把光纤放置于皱纹铝护套与绝缘线芯顶部的缝隙之间,光纤蛇形敷设以减少电缆上盘或安装敷设下盘时的拉力,并采用缓冲带作保护,防止光纤受压损伤或在挤包铝护套时被高温烫伤。图1为我们设计的高压光纤复合测温电缆的结构,其中缓冲带保护层是为保护光纤特别设计的。
3 关键工艺制作
本电缆的制作工艺的最大难点是光纤的放置,对此我们利用本公司自制的缓冲带绕包机进行如下制作:a.在缓冲带绕包的前端部位,两名操作工将光纤沿着电缆长度方向蛇形放置于电缆绝缘线芯上,蛇形节距为400～500 mm,蛇形波幅为30～40mm。为防止光纤在端头处损坏,在电缆两端0.5m范围内不放置光纤,这还便于在电缆成品检测时剥除电缆两端护套(约2.0m长)后电缆绝缘线芯表面光纤的裸露,以方便对光纤进行检测。b.用长约50mm、宽约10mm的胶布条垂直于电缆长度方向将光纤粘在电缆绝缘线芯表面,如图2a)所示。c.然后将两层2.0mm厚、宽度160mm的半导电缓冲带覆盖在用胶带粘好的光纤上面进行保护,半导电缓冲带两侧用胶布每隔500～600mm在光纤蛇形波峰处各粘一次,在半导电缓冲带接头处,可用胶带上下两层粘贴,如图2b)所示。d.虽然本电缆的挤铝或氩弧焊工序以及挤包外护套工序与普通高压电缆的生产过程一样,但在生产过程中应保持电缆的恒张力收放,以避免电缆受到过大的瞬时强拉力。同时,还应注意成品电缆的收线盘内径要大于20倍的电缆直径,以防止电缆弯曲半径过小,损伤光纤。
4 性能检测
本电缆的电性能不仅要要满足例行试验的要求,而且其光纤的衰减系数也要满足相应的国家标准或用户要求,即在850nm波长处,光纤衰减系数≤3.0dB/km,在1 300nm波长处,光纤衰减系数≤1.0dB/km。本电缆中光纤衰减系数满足上述要求时,即可利用分布式光纤测温系统(DTS)的载流量分析软件对电缆线路的载流量(电缆导体温度)进行实时监测,该光纤温度传感器的测温范围为0～300℃,测温误差为±0.3℃、测温分辨率为0.1℃。我们试制了两盘长度分别为520m和480m的OH-YJLW03 64/110 1×1 000 mm2-CTG-12B1电缆,电缆和内置光纤的实物照片如图3和图4所示。
我们委托国家电线电缆质量监督检验中心对上述成品电缆进行了全性能检测,主要性能检测结果可参见表1。表中显示该电缆的主要性能指标均符合标准要求,光纤衰减性能优良,充分证明了这种高压光纤复合测温电缆的结构设计合理,性能可靠。
5 结束语
采用内置光纤纵向蛇形敷设方式生产的高压光纤复合测温电缆,其光纤衰减性能满足国家标准和用户的要求,能比较准确地测量电缆导体温度。在高压电缆线路中采用分布式光纤内置式测温电缆可以极大地提高系统的安全可靠性,因此高压光纤复合测温电缆有着广阔的发展前景。
摘要：为利用光纤分布式温度监测系统对运行电缆的温度进行实时在线监测,自主开发了高压光纤复合测温电缆。对高压光纤复合测温电缆结构设计、光纤内置等制造过程和性能检测进行了较为详细的阐述。
关键词：高压电缆,复合缆,测温
参考文献
[1]温晓舫.光纤复合电力电缆的设计开发[C]∥2009年全国电力电缆新技术研讨会资料汇编.北京:中国电力企业联合会科技服务中心,2009:100-102.
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光纤复合架空避雷线架设施工技术 篇4
光纤复合架空避雷线 (简称OPGW) 是镀锌钢绞线与光纤通讯电缆的二合一结合体, OPGW内部为光纤, 外部为镀锌钢绞线, 材料构造使其兼具防雷和通讯的双重作用。该线外观与普通镀锌钢绞线无异, 与电缆或微波等通信方式相比, 光纤通信具有传输频带宽, 通信容量大, 传输衰减小, 传送距离远;信号串扰小, 传输质量高;抗电磁干扰, 保密性好;光纤尺寸小, 质量轻, 便于敷设;耐化学侵蚀, 适用于特殊环境;通信可靠性高;建设周期快, 能与输电线路同时施工、同时投入运行等优点。在国内超高压输电线路架设施工中, 同时敷设电力通信光缆已是不可缺少的重要分部工程。
1 施工准备
(1) 全面了解OPGW架设工程设计, 对现场进行有关OPGW架设条件的调查, 结合线路本体张力架线情况, 进行OPGW架设施工技术设计。
(2) 取得交叉跨越障碍物处理协议, 提出交叉跨越处理方案。
(3) 掌握OPGW供应情况, 提出OPGW线轴编号在线 (缆) 长度及施工段对照表。
(4) 根据OPGW允许最小弯曲半径, 提出放线的悬挂方式。
(5) 根据现场实际情况和OPGW的架设要求, 提出布线、张牵场设置及张力架设具体实施方案。
(6) 根据工程设计, 提出OPGW附件安装手册。
(7) 根据线路本体张力架线实施情况, 提出OPGW架设的统筹安排建议。
(8) 结合具体工程的实际情况, 提出确保施工质量和施工安全的具体措施等。
2 OPGW展放
(1) OPGW展放前, 必须对其光纤衰耗 (衰减) 值进行测试;对其线盘及相应的金具和展放的机具、施工通信与安全设施进行全面检查;架设OPGW的铁塔必须检查验收合格。
(2) 在恶劣天气条件下, 如暴雨、雷雨、浓雾、沙尘及6级风以上天气不得进行测试、架设。
(3) 在展放及安装过程中, 必须严格组织管理, 严守技术纪律, 保证通信畅通;避免OPGW过张力牵引, 不得扭曲、折弯、挤压和冲击, 保证光纤和铝管不受损伤。
(4) 除跨越处应派人监护外, 展放OPGW区段的每基铁塔处也应派人监护OPGW通过放线滑车情况。OPGW通过放线滑车时, 其包络角须≯60°。
3 OPGW紧线与挂线
3.1 紧线
(1) OPGW紧线弧垂观测档的选择, 与一般导线、避雷线弧垂观测档的选择要求基本相同, 即紧线段在5档及以下时在靠近中间选择一档;在6～12档时靠近两端各选一档等;但在选择观测档弧垂时, 一定要查OPGW弧垂表, 因为OPGW耐张段与一般导线、避雷线耐张段有可能不同, 其代表档距和观测档距的弧垂也不同, 应特别注意。
(2) 弧垂观测方法与导线、避雷线弧垂观测方法相同, 可以采用等长法、异长法、角度法或平视法。
(3) OPGW紧线的观测弧垂达到设计值后, 应继续保持紧线机的拉力不变, 时间为1 h, 使OPGW扭转应力消失。
(4) OPGW紧线可以用牵引机直接牵引, 也可以用手扳葫芦在塔上紧线。
3.2 安装紧线侧耐张线夹及挂线
(1) 紧线侧预绞丝耐张线夹安装与始端侧耐张线夹安装相同, 但应注意根据画印位置进行精确量尺, 并以此安装预绞丝耐张线夹, 确保OPGW挂线后弧垂正确。
(2) 挂线。紧线侧预绞丝耐张线夹安装完毕, 即可进行挂线, 挂线可利用手扳葫芦等索具或牵引机进行。但应注意以下事项:①挂线牵引力不得超过OPGW额定拉断力的18%, 一般过牵引长度应<0.1 m。②挂线后即进行弧垂复测。若弧垂超过允许误差, 应在耐张塔挂线处利用调整板孔位调整, 若仍不能达到要求时, 可增减U型环等金具并配合调整板孔位调整。严禁采取解开预绞丝耐张线夹再重新安装的办法。③紧线弧垂达到规范允许值之后, 应将OPGW的余线盘成直径1.2 m以上的小盘, 放置在铁塔横隔材的平面处, 并用绳线绑扎3处固定, 但要注意与铁塔构件及铁线接触处垫以麻袋片等织物, 严禁将OPGW的余线悬挂在塔腿上。
4 OPGW附件安装及熔接
4.1 直线塔悬垂线夹的安装
(1) 在避雷线横担前后侧的OPGW上的适当对称位置, 各装1只专用卡线器。利用在避雷线横担下主材固定的1根Φ 15.5 mm钢丝绳套和1个30 kN手扳葫芦, 将上述两只卡线器相连。两只卡线器间的距离为L, 使用单线夹时L取2 m, 使用双线夹时L取2.4 m。
(2) 收紧手扳葫芦, 使OPGW的张力转移到钢绳套和手扳葫芦上。
(3) 卸掉放线滑车, 按画印点安装预绞丝和悬垂线夹。
(4) 拆除手扳葫芦、钢绳套和卡线器。
4.2 直通式耐张线夹的安装
(1) 直通式 (即OPGW不断引) 的耐张线夹安装方法, 与OPGW断引的安装方法相似, 也用手扳葫芦和专用卡线器等索具进行安装, 过牵引长度也应控制在0.1 m以内。
(2) 直通式耐张串的OPGW弧垂 (即跳线) 取0.8～1.0 m, 并保证OPGW最小弯曲半径≮0.5 m, 且需用特制的接地线夹将OPGW固定在杆塔上。预绞线耐张线夹安装受力后, 不得再重复使用。
4.3 防振锤安装
(1) 防振锤的型号、规格及安装距离应按设计规定。
(2) 防振锤的安装不得直接卡在OPGW上, 应安装在缠绕好的护线条上。护线条及防振锤的安装均应用工作平台。
(3) 防振锤卡紧螺栓的扭矩值宜为40～50 N·m。
4.4 接地引流线的安装
(1) OPGW均应与全线铁塔逐基接地。
专用接地引流线一般由OPGW制造厂家提供, 其一端连接在OPGW的并沟线夹内, 另一端连接至塔身接地夹具内。
(2) 接地线一般统一安装在避雷线支架的大号侧, 并在OPGW的上方。
接地线安装要松弛, 保证悬垂线夹向塔身内、外摆动60°不受力。
4.5 OPGW引下线的安装
分段塔或架构处OPGW引下时, 一般用OPGW制造厂家提供的引下线固定夹具固定于塔材上, 而无须在塔上打孔。固定夹具每隔2 m安装1个, 引下线自避雷线支架沿塔身主材引至铁塔下方接线盒, 但多余的OPGW仍盘在接线盒上方的铁塔平面构件上。
在操作过程中, OPGW的弯曲半径均应保证>500 mm, 若OPGW到第1个夹子前可能与铁塔构件相摩擦时, 应加缠护线条保护。
为了保证美观一致, 引下线应统一安装在铁塔的某个塔腿上。
5 接线盒安装和OPGW的熔接及测试
5.1 接线盒及余缆的安装
接线盒应固定在塔身统一的主材上, 其高度距铁塔基础面应≮6 m (各个工程应在审图时确定) 。安装接线盒时螺栓应紧固, 橡胶封条必须安装到位。
OPGW对接后的余缆按OPGW的允许弯曲半径盘成一捆, 置放于接线盒的上方, 并用8号镀锌铁线或专用线夹固定在塔身水平材上。OPGW绑扎的外层应垫以胶垫, 且绑扎点不少于3处, 确保余缆在风吹时不会晃动。
5.2 OPGW光纤的熔接与测试
OPGW架设后在耐张塔通常是断开的, 必须通过光纤熔接实现两段光纤芯的连通, 熔接好光纤的OPGW置于接线盒内, 并在塔上固定。
光纤熔接是通过两金属电极电弧放电来实现熔接。光纤熔接的操作步骤是:首先用砂轮锯锯开外层铝股及钢股, 再用专用工具逐层剥开套管和光纤被覆, 用无水乙醇清洁光纤, 用光纤专用刀切割光纤, 然后将光纤放入熔接机的光纤固定座中, 选择“寻找光纤”进行光纤端面检查, 如光纤切口端面符合要求, 则屏幕上显示端面与轴向相垂直且平整;如果端面品质不佳, 则显示端面楔形或其他不规则形, 应将光纤重新切割。光纤熔接是由熔接机自动进行的。熔接完毕, 应进行光纤衰减值测试。每接好一条纤芯, 应立即进行测试, 检查接头熔接质量。测试的光纤衰减值符合要求时, 将光纤由熔接机移出固定。标准单模允许熔接损耗应<0.03 dB/处。
光纤线路的损耗包括光纤损耗和接头损耗。其损耗的测试方法有剪断法、插入法、背向散射法。剪断法和插入法使用的是光功率计, 背向散射法常用的是光时域反射仪 (OTDR) 。目前, 后一种方法使用较广泛, 因为它获得的技术数据较多, 便于建立档案资料及运行维护。
光纤的熔接操作应符合以下要求:
(1) 光纤的熔接应由专业人员操作。
(2) 剥离光纤的外层铝套管、塑料套管、骨架时不得损伤光纤。
(3) 雨天、大风、沙尘或空气湿度过大时, 不应进行熔接作业。
6光纤复合避雷线探讨
在电气工程施工中, 电气材料的更新换代提高了工程质量及施工效率, 但在施工方面也有了新的要求。通常高压架空线路的防雷措施是在输电线路的顶端敷设镀锌钢绞线, 通讯方面是在输电线路下面敷设光缆。而OPGW的使用使上述两项工作变成了一项工作。对输电线路工程而言, 架设OPGW可以缩短建设工期, 减少工程造价, 由于工人高空施工作业量减少一半, 安全方面更有保证, 对施工单位也有利。单独架设钢绞线时, 在展放及紧线时比较粗放, 不太需要考虑材料的弯曲度和弧垂, 而OPGW因材料内有光纤, 展放、紧线、存放要认真地查看产品说明, 施工过程中严格满足材料特性, 要求施工作业更加细致。
7结语
光纤复合 篇5
光纤复合架空地线 (OPGW--Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire) 兼具地线与通信光缆双重功能, 安装在电力架空线杆塔顶部, 与ADSS光缆相比, 无需考虑电磁腐蚀、人为破坏等不利因素。从80年代初, OPGW以其高可靠性、优越的机械、电气性能及良好的经济实用性得到广泛的运用。笔者根据国内外相关标准规范和自己的施工经验, 现就OPGW安装技术问题与大家交流。
2 OPGW安装的前期准备
OPGW安装技术依据IEEE 1138-1994、IEEE 524-1992等电力部门架空线安装安全管理规程和操作技术, 为防止OPGW在架设中被损伤, 不同结构形式的OPGW, 机械、物理特性会稍有差异, 在安装方法上某些要求会有所区别, 故施工单位首先要熟悉该工程OPGW结构和光缆路径具体情况, 由设计单位向施工单位对施工设计图纸交底, 施工单位根据整个系统通信网光缆的路由、交叉跨越、预留等编制“OPGW施工方案”, 并听取供应厂商的相关技术要求。
2.1 O PGW架设主要施工
OPGW架设原则采用张力放线法, 使其均衡受力, 始终保持一定的张力而处于悬空状态, 避免光缆着地使外铠装层表面受损, 减轻劳动强度, 提高施工进度。
2.2 故障清除与场地准备
OPGW架空敷设前, 对整条线路进行勘察, 清除障碍, 与相关部门签署交叉跨越协议, 搭建防护架, 准备张力机、牵引机操作场地及必要安全措施。
2.3 O PGW光缆储运
OPGW光缆盘不得处于平放状态, 不得堆放;盘装光缆应按OPGW盘标明的旋转箭头方向短距滚动;缆盘装卸不得遭受冲撞、挤压和任何机械损伤, 应用叉车装卸。
2.4 O PGW光缆及金具附件现场验收
OPGW光缆及金具附件运抵现场后, 应立即进行现场外观检查及开盘测试, 对比产品出厂报告, 验证运输过程中的变化。
2.5 人员培训
严格贯彻电力工业技术管理、电力安全与现场检修规程等, 对施工操作人员进行有效的培训。交待对光纤的特殊保护, 对有关设备进行试组装和试操作, 保证人身和设备安全, 确保工程质量和施工进度。
3 光纤复合架空地线
OPGW架设时, 原输电线路必须停电, 禁止在大风、雷雨、严寒酷暑等恶劣气候下施工。执行“电业安全工作规程”, 填写工作票, 在交通要道、通信线、电力线等跨越处, 设专人监护。确保光缆弯曲半径大于缆径的30倍以上, 防止受到过大挤压和扭曲;最大紧度时放线张力一般不超过OPGW15-20%UTS (拉断力) 负荷。
3.1 布缆
OPGW光缆采用张力牵引放线, 将光缆盘放在放线架或缆盘车上, 通过放线机后, 先展放无扭牵引钢丝绳, 通过退扭器、防扭鞭和牵引网套连接OPGW, 然后穿于耐张段内每基塔的滑轮内, 到达牵引机。老线路通信改造项目, 老地线先全部替换成无扭钢丝绳, 牵引更可靠和迅速。
整个布放过程必须保持通信畅通, 张力机、牵引机必须服从统一的调度指挥, 确保OPGW均衡受力。OPGW经过正确的设计配盘, 一般每盘OPGW的段长为3公里左右, 每盘光缆必须安装在指定区间, 并做好接续预留, 不得随意切割, 端头在接续前一直保护密封防水。牵引张力控制在300-500kgf, 牵引机应慢速启动至5米/分, 如果情况正常, 可逐步平衡增到30米/分, 每天要保证每个架上线路的盘长施工完毕, 预防牵引中的光缆过夜时滑落或人为破坏;非得过夜或长时间放置时, 须用尼龙绳将OPGW固定滑轮上, 防止OPGW滑动和与滑轮接触点光纤疲劳损伤。为防止OPGW光缆在首尾杆塔处受到过度的侧压力, 牵引机和张力机分别到末端和始端杆塔的距离为3~4倍的杆塔高度, 引线方向与铁塔垂线的夹角大于60°, 不能满足时必须采用滑轮组。跨越放缆时, 按施工方案检查各项准备, 包括停电事宜、防护架、监管人员安排、验电及接地保护等。对特殊的需要加固保护, 临时拉线不允许绑扎在横担和塔身的一根主材上。布放时, OPGW从缆盘放出保持松弛弧形状态, 防止在牵引过程中打圈、浪涌、劲钩、表面磨损等现象发生。由专人指挥, 保持畅通的联络, 发现有不合质量标准之处, 迅速处理, 禁止未经培训人员上岗和无联络情况下作业。
3.2 紧缆及弧垂观测
在牵引侧进行紧线, 沿线路方向牵引速度要平衡。在档距中央, OPGW与导线的距离按设计要求进行验算。针对每个耐张段操作时, 以紧线耐张预绞丝、手板葫芦、临锚绳组合, 使滑车内光缆松脱, 逐个紧线、划印及挂线。OPGW弧垂观测:一般采用等长法, 绑缚弧垂板来进行, 或者采用异长法, 配以经纬仪, 用角度法来观测。观测点一般选取在悬挂高差较小、接近代表档距的线档。经质量负责人认可后方可划印, 以便金具安装。
4 OPGW配套金具及附件安装
一个耐张段内OPGW紧缆后, 应及时进行附件安装。OPGW采用预绞丝式金具组件, 与ADSS光缆用金具基本相同, 一般包括:耐张线夹、悬垂线夹、专用接地线、防震锤、护线条、引下线夹、中间接续盒、终端盒、尾纤等。
耐张线夹:一般用于终端塔、大于15度转角塔或高差大的杆塔上, 每个塔配两套。悬垂线夹:将光缆吊挂在直线塔上, 起支撑作用, 每个直线塔配一套。防震锤:为减少风振影响, 保护OPGW金具, 延长OPGW使用寿命, 放置在每个塔的耐张、悬垂金具两侧, 配置数量和挂点位置根据线路情况而定。引下线夹:主要是将从杆塔上引下或引上的OPGW紧固在杆塔上, 避免光缆外铠磨损, 每隔1.5-2M配一只夹具。专用接地线:在系统接地时为短路电流提供通路, 它由铝线绞合而成一定长度, 与金具、铁塔的连接应接触良好, 通常与耐张、悬垂金具配套。
5 光纤接续与测试
1) 普遍采用光纤固定熔接法, 熔接法的原理是利用高压放电产生电弧, 使光纤端面局部熔化而达到接续目的, OPGW光纤熔接过程与普通光缆熔接相同。2) OPGW线路光传送性能测试。利用光时域反射仪对OPGW线路进行全程的光纤测试, 包括线路长度、光纤衰耗特性、接续衰耗等, 为系统开通验收做准备。
6 文件归档处理
现场原始记录应一式多份, 工程施工单位、维护部门、供应厂商各持一份。
摘要：光纤复合架空地线 (OPGW--Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire) 兼具地线与通信光缆双重功能, 安装在电力架空线杆塔顶部, 与ADSS光缆相比, 无需考虑电磁腐蚀、人为破坏等不利因素。从80年代初, OPGW以其高可靠性、优越的机械、电气性能及良好的经济实用性得到广泛的运用。
光纤复合 篇6
关键词：海底光纤复合电缆,金属护套光单元,感应电势,感应电流
0 引言
海底光纤复合单芯电力电缆与两条独立的单芯海底电缆和海底光缆(也可以将两者捆扎在一起敷设)相比,虽然具有敷设时间短、路由窄、总成本低等优势,但也存在制造复杂、维修不便、终端安装麻烦等劣势,可见海底光纤复合单芯电力电缆的优势并不明显。因此,单芯海底电缆一般不复合光纤单元。目前海底光纤复合电力电缆的电力线芯常用三芯结构。
敷设于海底的海底光纤复合电力电缆(即海底光电复合缆)有径向阻水的要求,但如果仅采用高分子聚合物护套,只能给海底光纤复合电力电缆提供短期有限的保护,而采用金属护套或金属阻水层,只要保持结构完好就能有效地阻止外部的水分和离子对海底光纤复合电力电缆的入侵,从而保证电缆的设计工作寿命[1]。因此,为满足长期浸泡在海水中的环境条件要求,海底光纤复合电力电缆常采用金属护套。随着使用的电压等级逐渐提高和导体截面的不断增大,在海底光纤复合三芯电力电缆中金属护套较少采用统包结构,更多地采用分相金属护套。与之复合的光单元也必须单独具有径向和纵向阻水功能。光单元的纵向阻水常采用填充阻水油膏或添加其它阻水材料的方式,一旦光单元破损可将进水阻止在较短的长度内,便于维修工作的进行;光单元的径向阻水就需要采用金属护套。这就是海底光纤复合三芯电力电缆中光单元几乎全是金属护套结构的原因,光单元金属护套结构中最简单又实用的是不锈钢束管结构。
光单元采用了金属护套,在电力线芯运行时金属护套上就会产生感应电势,本文将就海底光纤复合三芯电力电缆中金属护套光单元感应电势进行计算,以期从感应电势和感应电流方面探讨光单元金属护套结构的可行性。
1 金属护套光单元感应电势的计算
图1示出了海底光纤复合三芯电力电缆中金属护套光单元至各相线芯之间的中心距离,图中P为金属护套光单元,A、B、C分别为三相绝缘电力线芯,金属护套光单元P可以看成一根和三相绝缘电力线芯A、B、C平行的导体[2],三相绝缘电力线芯相互间的中心距离分别表示为S、mS、nS,光单元P与三相绝缘电力线芯之间的中心距离分别为D、βD和αD。
根据电工原理,金属护套光单元P与线芯电流IA、IB、IC间的磁通量ΦPA、ΦPB、ΦPC和磁通量总和ΦP可按下式计算:
式中RP,GM为光单元P的几何平均半径。
假定三相绝缘电力线芯电流是平衡的,线芯A通过的电流为I,则有:
将式(5)代入式(4),可得:
通常金属护套光单元是放置在海底光纤复合三芯电力电缆的边隙处[3],如图2所示。
假设成缆前绝缘电力线芯(包含可能有的屏蔽及分相护套等)直径为d,则金属护套光单元的允许最大直径为(实际上一般金属护套光单元的直径都小于dP),金属护套光单元中心距海底光纤复合三芯电力电缆中心的距离这样,图1中可得α≈1.907,β=1,式(6)可简化为:
当金属护套光单元只在一端接地时,海底光纤复合三芯电力电缆单位长度上金属护套光单元的感应电势为:
以上均以光单元金属护套采用非磁性材料(如非磁性不锈钢束管和铅、铝、铜管等)进行计算的,如果是磁性材料,则另当别论。
2 实例计算
现以型号规格ZS-YJQF41-26/35 3×150+12B1的海底光纤复合三芯电力电缆(如图3所示)为例,对金属护套光单元感应电势进行计算。该海底光纤复合三芯电力电缆金属护套光单元采用了不锈钢束管结构,内含12芯G.652D单模光纤,不锈钢束管外径为3.0mm。根据某海域的气象条件,用户规定该缆的最大持续载流量为350A,当金属护套光单元一端接地时,可计算得其感应电势UP=14.19V/km。
如果该海底光纤复合三芯电力电缆的长度为8km,金属护套光单元在一端接地时,其感应电势为113.5V;金属护套光单元两端接地,则其最大感应电势不大于60V,尚在安全范围内。并且,海底电缆或复合缆其金属护套在线路的两端都是直接互联并接地的。当然,当金属护套光单元两端接地时,金属护套光单元中有感应电流流过,但非磁性金属材料构成的光单元直流电阻一般都较大,外径3.0mm、管壁厚度为0.2 mm的不锈钢束管光单元20℃时的直流电阻约为399Ω/km,如再考虑接地电阻等,最终在该海底光纤复合三芯电力电缆系统中金属护套光单元的感应电流约为30mA,因此可忽略不计。
3 结论
综上所述,海底光纤复合电力电缆中光单元使用非磁性金属材料结构,如不锈钢束管或纵包铝塑复合带,只要缆长不长(针对以上实例,≤8km),其感应电势在安全范围内,感应电流可忽略不计;当缆长太长(针对以上实例,>8km)时,应计算金属护套光单元上的感应电势,必要时可采取适当措施,以防感应电势和感应电流过大对人和设备造成伤害。如果海底光纤复合电力电缆中光单元使用磁性材料,且又在光单元外施加磁性的镀锌钢丝或磷化钢丝作加强件,此时应考虑涡流损耗等对复合缆及设备不利情况,最好尽量不予使用。
参考文献
[1]王国忠.中压电缆的防水综合护层[J].电线电缆,1996(6):9-13.
[2]郑肇骥,王琨明.高压电缆线路[M].北京:水利电力出版社,1983:239-241.
光纤复合 篇7
光纤复合海底电缆在远程供电、电力通信、信号传输、保证海岛居民的生产生活和海上工作平台正常运行等方面起着关键作用,但海缆结构复杂、敷设环境特殊,日常巡检和状态检测实现难度大,利用分布式光纤技术对其进行监测十分必要[1,2]。
1996年,MarcNiklès等人基于受激布里渊散射原理测量了湖底高压电缆中复合光纤的布里渊频移,并定性分析了频移与各处应变和温度的关系[3];2012年,陆莹等人针对分布式光纤传感器在线监测高压海底电缆运行状况的方法,利用有限元软件建立了XLPE(交联聚乙烯)绝缘高压海底电缆模型,仿真分析了海底电缆受外力损坏时内部物理量的变化[4];本文作者所在研究室于2012年研制了福建省某海峡110kV海底电缆状态综合监测系统,并利用光纤传感技术对海底电缆的应变和温度进行了实时监测。为了生产、运输和安装的需要,海缆中的光单元采用绞合结构[5],但现有文献没有考虑这种绞合结构是否适合于分布式光纤传感技术测量应变。本文建立了光单元和海缆应变关系的数学模型,通过简化海缆模型,用有限元仿真软件来仿真海缆拉伸过程,得到了海缆和光单元的应变数据,拟合出了光单元和海缆的应变关系,并对比分析了数学模型和仿真结果的差异。
1光单元与海缆应变关系的数学模型
本文选用上海上缆藤仓电缆有限公司生产的110kVXLPE海底电力电缆为研究对象,其结构示意图如图1所示,其中光单元和PET(聚对苯二甲酸乙二酯)填充条绞合在同一层中。
这里假设海缆在拉伸过程中体积保持不变,海缆各层之间没有相对滑移,光单元横向收缩相对纵向收缩要小得多,并忽略光单元的径向收缩[6]。光单元绞合结构及海缆拉伸前后沿轴向展开平面图如图2所示。图中,r为缆芯(PET填充条以内所有层)半径与光单元半径之和;L为海缆光单元的绞合
节距;Lg为一个节距内光单元的长度;Δr为海缆拉伸后径向长度的变化量;ΔL、ΔLg分别为海缆拉伸后海缆和光单元轴向长度变化量;θ为光单元绞合角度。εL、εLg分别表示海缆应变和光单元应变。
由体积不变,得:
由勾股定理得:
式(1)、式(3)联立,得到
式(1)~式(3)联立,得:
式(6)描述了光单元应变与海缆应变的关系。
2有限元建模与仿真
2.1海缆模型的简化
海缆结构比较复杂,其主要结构如图1所示,共分12层,包括绞合层和非绞合层两类,其中光单元和PET填充条构成绞合层一,钢丝铠装层是绞合层43
二,剩下的部分是非绞合层。当轴向拉伸海缆时,海缆应变和非绞合层应变相等,因此可以用非绞合层应变代替海缆应变,为了简化计算,建模时可以省略绞合层一以外的各层。
同时,导体屏蔽、绝缘屏蔽、半导体阻水带和黄铜带厚度比较小,机械性能比较差,在有限元建模时将其合并到其附近性能相近的结构中。根据海缆的机械和力学性能,最终将海缆简化成铜导体、XLPE绝缘、铅合金护套、HDPE(高密度聚乙烯)护套、光单元和PET填充条六部分。
2.2有限元模型的建立
本文中有限元模型的建立和仿真均选择ANSYS软件的LS-DYNA模块,计算求解选择LSDYNASolver来完成。海缆各部件单元类型均采用由8个节点构成的三维显式结构solid164实体单元,材料类型选择各向同性弹性材料。海缆各部件的参数汇总如表1所示。
在进行有限元建模时,主要采用APDL (参数化编程语言)进行参数化建模。这种建模方式与GUI(图形用户界面)建模方式相比,能更容易建立光单元和PET填充条的绞合结构,并且修改方便。建立实体模型后需要对各实体模型进行网格划分,ANSYS软件包括四种网格划分的方法:自由网格划分、映射网格划分、扫掠网格划分和自适应网格划分。本次网格划分中,因海缆各部件需要均匀的网格划分,故采用扫掠网格划分的方法。由于光单元是该模型中最重要的部分,截面积相对较小,为了增加模型的真实程度,需要对光单元进行加密处理。海缆网格划分后的有限元模型如图3所示。
2.3载荷施加、约束与接触控制
定义时间点和对应载荷值的数组参数,将瞬态载荷施加到海缆一端截面的所有节点上。海缆中光单元采用绞合结构,光单元内光纤的余长为0.5%,光纤的筛选应变为2%,为了让光纤能够充分受力,本文给海缆加载轴向位移载荷,范围为0~8%,加载时间为8s,时间步长为9×10-5s。
施加约束是用来添加模型的边界条件,以实现模型的求解。海缆拉伸仿真中,将海缆未加载荷端截面固定,即对该截面上的节点施加全部方向的约束。
海缆的结构复杂,接触不仅发生在海缆各层之间,光单元与PET填充条以及PET填充条之间也会发生相互接触,很难准确判断接触方向,所以应使用自动接触,由计算机根据接触情况自动识别,这是在人工无法准确判断接触集合时最有效的方法。
3结果分析
定义好接触和施加载荷后,将求解信息写入K文件,然后在LS-DYNA求解器中进行求解,求解后海缆变形如图4所示。受到轴向位移载荷后,海缆整体径向收缩,直径变小,绞合层之间因间隙逐渐减小、相互挤压,各部件之间的摩擦力增大。
提取光单元和海缆非绞合层的应变数据,用Matlab软件拟合海缆应变与光单元应变的关系曲线,如图5所示。拟合发现,海缆应变与光单元应变满足线性关系:f(x)=0.7728x-0.0009,拟合确定系数为0.9979,标准差为0.000703。海缆应变-光单元应变的数学模型曲线与有限元仿真曲线对比图如图6所示。
因此,可以认为海缆应变和光单元应变之间存在良好的线性关系,海缆中光单元的绞合结构适合于分布式光纤传感技术应变测量,可以通过测量光单元的应变计算出海缆的应变,进一步监测海缆的运行状态。根据拟合方程可以发现,线性方程一次方系数<1,说明光单元应变小于海缆应变;常数项<0,说明海缆拉伸开始阶段会消耗光纤余长,绞合结构设计可以对光单元有一定的保护作用。
海缆应变与光单元应变关系的数学模型曲线和仿真曲线相接近,证明了光单元与海缆应变关系的正确性。但是,在曲线中间部分,数学模型曲线与仿真曲线有较大差别。这是因为建立数学模型时,我们假设海缆拉伸过程中,海缆各层之间是不产生相对滑动的,而实际拉伸过程中,绞合层与HDPE护套之间有相对滑动,不过随着绞合层沿径向方向收缩,绞合层与HDPE护套之间的摩擦力越来越大,相对滑动逐渐减小,数学模型曲线与仿真曲线又开始趋于一致。
4结束语