ADSS光缆的设计与制造工艺
作者：江苏通光电子线缆股份有限公司时间：2016-08-10 我要发布
| 摘要 本文简要介绍了ADSS光缆结构设计、生产制造工艺和控制要点及试验结果分析。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 关键词 气象条件 杆塔 ADSS光缆 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0．前言 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作为电力通信用的ADSS光缆受到青睐的原因之一，是它加挂在已建成的高压输电线路杆塔上，能有效地利用电力部门现有的电力杆塔资源，避免重复建设光缆通信杆路并节省大量工程施工费用。 ADSS光缆自诞生日起就与电力杆塔密不可分，所以完整的ADSS光缆设计应包括线路设计和光缆结构设计. 线路设计一般由专业的设计单位完成，线路设计主要包括：张力-弧垂-跨距设计、光缆挂点设计、光缆配盘设计、金具及附件配置设计等内容，光缆厂应提供必要的技术支持。 ADSS光缆的结构设计由光缆厂独立完成。从外型和光缆断面来看，ADSS光缆与普通全塑光缆间的区别似乎不大。但从设计思想到理念与之截然不同。最原则的区别是： 普通光缆的受力元件是缆芯中心的加强芯，在施工安装时应牵拉中心加强件，运行中的光缆基本上不受额外的张力或受到的张力很小。 ADSS光缆的受力元件是缆芯外的加强件（通常为纺纶），在施工安装时和长期运行中，一直承受张较大的工作张力，其张力是由金具通过外护套的传递施加到光缆受力元件。 目前国内外主要流行中心管和层绞束管两类结构，本文以典型的层绞结构为例，概要介绍相关的设计和生产技术。 |
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| 1．主要设计要求 1.1光缆结构 |
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| ADSS光缆主要由绞合在中心支撑件（一般为FRP）上的光纤松管组成的缆芯、内护套、加强纺纶纱（或其他合适材料）和外护套组成，见图1。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图1 典型的层绞ADSS光缆截面示意图
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| 1.2设计要求 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 除了光纤传输的设计要求与普通光缆类似外，ADSS光缆的结构设计要根据线路条件的要求，包括气象条件（覆冰厚度、风速、气温等）、档距、弧垂、安全系数等要求，计算出合适的光缆标称抗拉强度等机械性能及光缆的各项物理性能参数。 有两种主要的方法。一种是根据不同条件进行度身定做的单独设计，主要特点是在机械特性方面可以做到恰到好处，但显然规格太多；另一种方法是设计系列规格，根据线路条件和要求在系列中选最接近的规格，特点是满足大生产要求。 我们主要采取了第二种方法，设计了一系列ADSS光缆典型结构，在通常情况下，系列产品可满足各种不同要求。在特殊情况下（如大跨越、重冰区等），才进行度身定做的设计。 |
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| 1.3设计条件 在进行系列设计时，我们要满足和兼顾的主要条件如下（表1和表2）。 （1） 气象组合条件 我们总结归纳了表1所示的8类气象组合条件作为气象负荷计算依据，这8类条件基本上复盖了全国主要的典型气象区。 |
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| （2）弧垂/跨距条件 我们假设了表2所示的5类代表档距与弧垂的对应关系作为计算依据。这5类对应关系基本上复盖了全国电力杆塔的档距并与实际应用情况较接近。 |
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| （3）主要机械参数设置 按国标（报批稿）和电力行业标准，按以下设置作为计算依据： |
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| A、 光缆的允许工作张力（MAT）控制值不小于光缆额定抗拉强度（RTS）的40%。 B、 光缆的每日平均应力（EDS）最大值为光缆额定抗拉强度（RTS）的25%。 C、 光缆的极限运行张力（UOS）控制值不小于光缆额定抗拉强度（RTS）的60%。 |
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| 通过大量的计算工作后可以发现，大部分的光缆规格在某些气象组合条件下的弧垂跨距特性很接近。如图2所示的某代表规格ADSS光缆，它的特性在风速35m/s和10mm覆冰条件很接近，在风速20m/s和5mm覆冰条件几乎相一致。因此完全可进行归类合并，并形成ADSS光缆系列。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图2 某规格光缆在不同气象条件下的弧垂跨距关系 |
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| 2．主要设计内容 2.1 最大允许使用张力（MAT）的计算 |
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| 根据最新标准，MAT的定义是：满足光缆中光纤应变和附加衰减的条件下可承受的最大张力。通常把它理介为：在设计最恶劣气象条件下(并留有一定余量)的光缆悬挂张力，当光缆承受该张力值时，缆内光纤应无（零）应变并无附加衰减（为零）。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 应注意的是：由于ADSS光缆通常是加挂在原有的电力杆塔上，所以使用的气象条件应该与原线路的设计气象条件和“最恶劣气象条件” 的重现期相一致。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MAT的计算方法如下： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 设光缆的等效重量（包括自重、冰棱和风力）为G（kg/m），跨度为L（m），悬挂垂度h（m） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）当悬挂点A，B为同一高度时(如图3)，悬挂点光缆的轴向张力为： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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其中： |
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| G2=0.00283×c×(c+D),(kg/m) （3） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| G1=光缆自重（kg/m） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）当悬挂点A，B为不是同一高度时（如图4），悬挂点光缆的轴向张力为： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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而且有： |
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| 当H和h给定，由（7）式求T代入（5）、（6）式就可求出TA和TB | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 上述公式中 G1（kg/m）： 光缆自重 G2（kg/m）： 履冰荷载 G3（kg/m）： 风压荷载 D （mm）： 光缆外径 C （mm）： 覆冰厚度； V (m/s)： 风速； C1： 风载体型系数，与缆径、受风面形式状有关，见表3。 α： 风速不均匀系数，不同风速级别，α有不同值，见表4。 |
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| 2.2 纺纶纱强度设计 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 目前，ADSS光缆中最常用的主要抗张元件为芳纶纱，较好的芳纶应是kvelar-49中的1055型8050纤度。它的断裂伸率为2%（如图5），取芳纶破断强度的90%作为计算强度，芳纶根数根据光缆抗张强度计算 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图5 芳纶拉伸应力应变图 |
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| 例：杜邦1055型8050纤维，一股芳纶抗拉强度为1200N，单股芳纶的设计计算强度为1200×90%=1080N。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2.3 光纤余长设计 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 根据关于ADSS的电力行业标准和国家标准(报批稿)规定，当ADSS光缆承受光缆的极限运行张力UOS（即60%RTS）情况下，要求光缆中的光纤应变≤0.35%。芳纶模量为110Gpa，通常RTS取它的90%，则该纱的实际伸长为1.8%。UOS为1.8%的60%，实际UOS的相对伸率为1.08%。因此在芳纶伸长1.08%时，光纤的伸长不超过0.35%，由以上计算，光纤的最小余长不能小于0.73%。综合考虑，因此ADSS的余长应在0.8-1.0%之间为最好。超过1.0%显然无实际意义。 层绞式光缆内束管中的光纤对于其自身的束管余长较小，要依靠松套的束管“SZ”或“S”型绞到中心加强件上时产生余长，余长的大小与绞合节距有极大关系，而且是非线性关系。由于光纤在束管中可以作径向方向上的移动，因此，径向移动量（即束管的内孔）与余长大小有直接关系，如图6所示。 |
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| 由于松套束管作螺旋线绕绞，取束管绕绞360o（即一周），中心加强件的长度P作为一个节距，光纤在D1位置，D2位置及节距P有图7关系，可以算出余长： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 应说眀的是：我们主要参照UOS进行余长设计，UOS对应于光缆在工作寿命内偶发的超过“设计的最恶劣气象条件（MAT）” 下的张力。从此确保光缆在寿命内的可靠安全工作。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3． ADSS光缆制造装备和工艺流程 3.1 生产工艺流程 |
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| 图8所示的是ADSS光缆生产流程示意图。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图8 生产流程示意图 |
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| 我们采用的主要生产设备如下： -奥地利M＆S公司的着色机， -奥地利罗森泰公司的二次套塑设备、 -奥地利KMS的成缆机、 -德国威图公司的护套生产设备等。 |
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| 3.2 生产工艺控制要点 （1）束管光纤余长控制 |
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| ADSS光缆束管的综合余长一般控制在0.4‰-1‰束管余长的大小与纤膏、光纤放线张力、束管收线张力、高低温水温差、油膏粘度有关。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| A. 成缆控制 成缆控制要点有成缆节距，加强件、束管放线张力，半成品收线张力，绕绞拐点控制。 B. 纺纶包扎控制 芳纶绕包注意事项有绕绞张力、节距以及采用偶数层绕绞且层与层的绞向相反，最外层右向。 C. 外护套 外护套采用抽真空挤套式，控制护套与芳纶的紧密性。耐电痕料挤制需采用先60℃高温水后20℃低温水冷却，且采用喷印替代打字计米使护套表面免受损伤。 |
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| 4． 典型试验 4.1 应力应变特性 |
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| 典型的应力应变试验结果如图9所示。可以看出：该光缆在缆应变0.8%时光纤才开始发生应变，因而有较大的安全裕度。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图9 典型的ADSS光缆的应力应变特性图 |
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| 4.2 额定抗拉强度（RTS）试验 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 额定抗拉强度俗称为破断力或破断强度。根据相关标准要求，实测抗拉强度不小于95%设计抗拉强度可判为合格。对成熟和合理的设计，实测与设计值应相近。如实测值远大于设计值，往往伴随直径和自重增大引起风荷、冰载的增大；反之，将达不到使用要求。 破断试验时的纺纶断裂状况可变相提供设计和工艺水准的信息。 精确控制绕包张力、绕包力矩平衡的纺纶，较容易达到设计强度，这时纺纶断裂面整齐如刀切一般；反之，必然造成纺纶逐股断裂，这时往往达不到设计强度且断裂面零乱，甚至有较长的“抽纱” 。 |
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| 表5列出了几种光缆破断力的试验结果和破断的描述。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 4.3 其他试验结果 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ADSS的应用环境较严酷，相关标准规定了一系列例行试验项目和要求，表6列出了典型的例行试验结果。
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| 5 结束语 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 通光集团具有8年多的ADSS光缆生产运行经验，拥有一批设计、生产、施工维护督导的技术人员，已成为我国电力通信线路建设的主力军。 优良的设计、严格的工艺制度、完善的质量保证体系和全面的检测手段是一流产品质量的根本保证。 |
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| 参考文献 1. 张强、张忠、李万盟，ADSS光缆设计、制造、施工问题综述，2001电力特种光缆应用 技术学术会议论文集： 191-196 2. 黄俊华，ADSS光缆的机械特性，电力系统通信：2001 (3) 12-14 3.全介质自承式光缆（报批稿），中华人民共和国国家标准，GB/T XXXX-XXXX 4.全介质自承式光缆，中华人民共和国电力行业标准，DL/7 788-2001 5.用于架空输电线路的全介质自承式光缆 IEEE标准（草案），IEEE P1222 –1997 |
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| 作者简介 季忠 江苏通光信息有限公司技术部副经理 李万盟 通光集团有限公司副董事长、总工程师 |
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