湖南光联ADSS光缆设计原理

　　近年以来，在电力系统中敷设的光缆主要有ADSS和OPGW两种类型。其中ADSS光缆以其重量轻，易施工，可充分利用现有的杆塔系统等优点受到了用户的欢 迎，发展较快。湖南光联致力于领先于市场的光缆技术，从2001年开始研究和开发ADSS光缆的设计和生产，并进行了大量的试验验证。

一、影响ADSS光缆设计的外部条件
　 　ADSS光缆设计需要充分考虑光缆敷设地点的气候状况，因此在光缆设计中三个基本的参数是必不可少的，这三个参数是：当地的覆冰厚度，风速和气温。当然，敷设地点的杆塔线路状况也是影响设计的重要因素之一，需要对具体情况进行具体分析．中国国土辽阔，气象状况也颇为复杂，南方北方更是大相径庭，针对这种情况，我们广泛搜集了大量的全国气象信息，并对数据进行了采集和分析后，将中国的气象分为四个条件。

1、负载
　　光缆悬挂在杆塔上，受到环境的影响，光缆所受到的力W是在水平方向和垂直方向上的合力。在水平方向上，光缆受到风压的影响，具有水平分力W1；在垂直方向上，光缆的受 力由两部分组成，其一是光缆本身自重W2，其二是光缆表面覆冰的重量W3，另外为保证光缆运行的安全性，在其垂直方向上取的安全系数，即单位长度所受的力 Ws。光缆所受力关系如下：
W=(√
(W1^2+(W2+W3)^2))+Ws
W1=(D+2*t)^2*0.613*v^2
W3=π/4((D+2*t)^2-D^2)*0.913
式中，
t------覆冰厚度 mm
D------光缆外径 mm
v------水平风速 m/s

2、跨距和弧垂
　 　当光缆的气象条件确定后，就可以按照客户要求的跨距和芯数进行设计了。ADSS光缆有等高和不等高架设两种方式，等高架设时光缆的悬挂情况。其 中，Si=光缆初始弧垂（无负载）； Sl= 光缆最恶劣条件下负载弧垂。光缆的跨距和安装弧垂是决定ADSS光缆张力的主要因素．当跨距和安装弧垂发生变化时，ADSS光缆的张力也相应的改变．光缆 安装张力取决于光缆的初始弧垂和光缆本身的重量。
Ti=W2*L^2/(8*Si)
式中，
Ti------光缆安装张力 kg
L------跨距 m
Si-----安装弧垂 mm
当光缆在全负载条件下，光缆由于受到冰凌和风速的影响，弧垂会变大，光缆张力也随之变大。Tl=W*L^2/(8*Sl)
式中，
Tl------光缆短期张力 kg
L------跨距 m
Sl------最恶劣时光缆弧垂 mm

　　其中，光缆的最恶劣弧垂可以从光缆的长度推出，因为在同一个跨距内，无论光缆的弧垂如何变化，光缆的长度是不变的．根据这个原理就可以推出光缆的最恶劣弧垂．此公式非常复杂，这里就不再赘述。

3、其它因素
　 　ADSS光缆的加强元件之一是芳纶，芳纶的热膨胀系数为负值，即温度升高芳纶收缩，反之亦然．而光缆的其它部分的线膨胀系数均为正值，综合考量后，整个 光缆的线膨胀系数并不大，因此温度的变化对ADSS光缆的影响没有普通光缆大。ADSS光缆处于强电场条件下，护套表面会出现电腐蚀现象，针对这种现象， 当场强电压大于12KV,小于25KV时，光缆护套采用抗电蚀材料。

二、光缆设计
　　ADSS光缆在最大负载条件下，光纤的应变为零。光纤的零应变设计主要取决于两个因素：光纤在松套管中的余长和套管绞合节距。

1、套管余长
　 　在松套结构设计中，光纤位于充满油膏的松套管中，由于套管的外径远大 于光纤的外径，光纤在松套管中可以自由的移动，这样就保证了光缆在受到拉力时，光纤有一定的裕度空间．图3是光纤在套管中的正常余长(A)，以及缆发生变 化时的余长(B&C)。光纤余长以及其在松套管中的自由移动允许光纤在光缆伸长和收缩时仍可以处于应力自由状态．ADSS光缆的安装，极高温度下 和最大负载时都会使缆受到伸长；缆收缩的原因是在极低温度时，光缆元件有收缩的倾向．因此，套管中余长的设计是非常苛刻的，余长太长，缆收缩时会出现问 题；余长太小，光缆伸长时也容易不满足。

2、套管绞合节距
　　松套结构设计中，套管以绞合方式排列在中心加强件周围，中心加强件的直径和绞合节距提供了相对于缆的光纤绞合余长，在正常条件下，光纤近似位于套管的中心处。正常条件下光纤在套管中的位置（A）,缆伸长时光纤的位置（B&C）。

　 　当光缆伸长时，光纤向中心加强件移动以释放应变，这时光纤在套管中的余长会减小；随着光缆应变的增加，光纤持续移向中心加强件，光纤余长也会逐渐减小。 光纤持续处于一种应变自由状态直到缆伸长超出了光缆的运行极限．此时，光纤在套管中已经没有移动空间，光纤的余长同时消耗为零。在松套管结构中，决定光纤 应变的条件是光缆材料的选择和光缆结构的设计。

3、光缆材料
　　选择适当的光缆材料，具有足够的高模量和低的膨胀系数和蠕变量， 可以限制光缆伸长和收缩时的应变．材料的模量直接对应材料的强度，线膨胀系数直接反映极端温度下材料的变化．因此，同时具备高弹性模量和低线膨胀系数的材 料具有在高强度和在高低温极端温度下良好的稳定性．材料的选用包括塑料，光缆加强材料的类型和数量．光缆经过精确的设计和制造保证了缆内有足够的余长，以 满足光缆在最大负载和运行温度之内光纤的应变。而作为光缆主要加强元件的芳纶具有高弹性模量，低蠕变量，低膨胀系数等特性，因此广泛的被应用于ADSS光 缆的生产中。

4、光缆结构
　　光缆设计参数包括组成光缆元件的尺寸（中心加强件和松套管），绞合余长和每管的光纤数量．当光缆在 低温环境下，中心加强件可以起到提供抗拉强度以及耐形变的作用．具体的说，中心加强件具有两种功能，其一是当光缆受力时的抗拉作用，其二是缆中塑料在低温 收缩时的抗收缩作用．松套管的设计对光缆的可靠性具有决定性作用，恰当的套管内径可以保证光纤有足够的活动空间，而套管外径则要保证其在机械应力下，如压 扁，弯曲，扭转时仍保持稳定．套管绞合节距是保证当光缆受拉时有足够的光纤长度，同时也要满足光纤的弯曲应变．

三、设计举例
　　现以我公司生产的ADSS光缆进行说明，气象要求：风速：17m/s;覆冰厚度：5mm;温度：-5oC.光缆跨距：300m.芯数：24．场强电压小于12KV.通过计算，产生光缆设计参数表如下：

　　光缆经过严格的机械性能试验，拉伸试验分别采用金具和滑轮两种方式进行，均满足设计要求．因此，通过试验验证，ADSS光缆的各项性能符合设计要求。

　 　在ADSS光缆的实际应用中，ADSS光缆是由专用金具固定在塔杆上，因此光缆和金具的配合就非常重要，如果金具和光缆配合不好，光缆的表现就无法体现 出设计要求，甚至对光缆造成损伤．在与金具的配合使用中，ADSS光缆外护套的设计也是关键因素，外护套厚度不宜太厚．厚度太厚对光缆造成的影响有两点， 第一，当光缆遭遇高温时，护套易变软，光缆和金具之间造成打滑。第二，光缆护套厚度太大，金具对缆的握紧力不易传达到光缆的内部元件，有可能造成光缆元件 的相对滑移。因此，通过研究和试验，我们认为1.5mm的外护厚度是比较合理的。

　　另外，在ADSS光缆缆芯结构设计中，我们采用干式阻水方式，取代了传统的填充油膏式阻水干式阻水的优点是：由于没有缆膏，光缆重量轻，更适于ADSS光缆的运行；阻水材料和光缆的其它材料具有更好的相容性；生产工艺和过程相对简单；更方便于光缆的安装和接头。

　　保证ADSS光缆的正常运行和机械强度的长期可靠性是我们长期研究和发展的课题，在ADSS的设计研究中，我们会结合先进的材料和设备，为客户提供最合理的解决方案。