光纤复合低压电缆(OPLC)的试制与应用浅析

责任编辑:匿名 (未验证) 2011/07/25 作者:刘洪进 杨红蕾 韦祖国
一、前言
      当前,智能电网的建设正在顺利推进,而智能电网要实现智能用电双向交互服务、用电信息采集、智能家居、家庭能效管理等业务,必须使得用户端电力信息系统具有足够的带宽,电力光纤到户无疑是最理想的信息通道。电力光纤到户是指,在低压通信接入网中采用光纤复合低压电缆(Optical Fiber Composite Low-Voltage Cable,简称OPLC),将光纤随低压电力线敷设,实现智能电表到户,配合无源光网络技术,承载用电信息采集、智能用电双向交互、三网融合等业务。电力光纤入户概念的提出有望解决信息高速公路接入端成本过高问题,成为三网融合在用户端的破局之举。
      光纤复合低压电缆(OPLC)作为电力光纤入户的理想传输媒质, 在未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化的数据传输中将会具有重要的地位。它是将光纤组合在低压电力电缆的结构层中,使其同时具有电力传输和光纤通信功能,由于光传输和电能传输是属于两种不同类型的传输方式,不会产生电磁干扰,因此将光纤和电力导线复合在一起,不需要考虑电能传输和光信号传输的相互绝缘问题,同时光信号的传输也不会和其他的电磁信号相互干扰。

光纤复合低压电缆(OPLC)性能特点
      我公司研发的光纤复合低压电缆(OPLC)产品典型结构见图1,分别是由光单元、导体、绝缘层、填充物、绕包带、外护层等结构元件组成。其中,光单元是由着色光纤、阻水填充物、松套管、非金属加强件、外护套组成,用来传输光信号;绝缘导线用来承担传输电能的任务,同时又可起到作为光单元加强件的作用。产品具有结构紧凑,弯曲和抗压等机械性能优良,运行温度范围广等优点。光单元与电力电缆长期工作温度相兼容,产品长期稳定运行于-40℃~+70℃的线路系统。由于光纤复合低压电缆(OPLC)产品在将来的智能电网中主要用于用户接入,最终引入智能电表或者光终端设备,因此,我公司的光纤复合低压电缆(OPLC)产品顺应了绿色环保的趋势,绝缘采用了自主研发的生态环保材料,添加了无卤阻燃元素,同时应用公司独创的三层共挤技术,使得光纤复合低压电缆(OPLC)产品完全符合GB/T18380.3、GB/T17650、GB/T17651.2等标准的要求。
图1  光纤复合低压绝缘电力电缆(OPIC)产品截面图

三、光纤复合低压电缆(OPLC)的设计和工艺难点
      光纤复合低压电缆(OPLC)作为传输电力和光信号双功能的复合缆,必须遵循电力电缆结构设计和电力线路设计的规则,适应输电线路特点,与原线路设计相匹配,同时满足通信网的基本要求。光纤复合低压电缆(OPLC)的研发主要从两个基本条件入手:一是满足光单元传输光信号的要求,二是满足绝缘导线机械和电气传输性能。通过分析,光纤复合低压电缆(OPLC)在设计和生产工艺上与常规光缆和低压电力电缆大同小异,我公司在研发和试制过程中,遇到的关键问题是光单元的设计和成缆工艺的调整。本节主要介绍光单元的设计思路和工艺的控制要点,其他不再赘述。
      1、光单元设计的基本要求
      (1)光单元应有良好的机械性能,保证光纤复合低压电缆(OPLC)在生产或者施工过程中,光纤不受到拉伸、挤压。
      (2)光单元中光纤要具有足够的余长,光纤的余长需通过光单元的尺寸、光纤芯数与绞合节距来综合考虑。保证光纤在成缆受力绞合过程中无明显应变,光纤的各项传输性能良好。
      (3)光单元要具有良好的阻水防潮性能,防止潮气进入光单元引起光纤的衰减和寿命的降低。
      (4)光单元要具有良好的耐热性,要考虑光纤复合低压电缆(OPLC)在正常使用时线路的表面温度对光纤的影响,同时也应考虑系统短路引起的瞬时高温对光纤传输性能的影响。
      (5)光单元放置的位置要合理,同时应具有尽可能小的外径和尽可能轻的重量,以保证产品具有稳定的结构和较低的成本。
      2、工艺的控制要点
      在光纤复合低压电缆(OPLC)的试制过程中,成缆工序为关键工序。我公司具有丰富的生产光电复合缆的经验,在相关设备改造方面都很合理。研制光纤复合低压电缆(OPLC)的过程中,我们对成缆机的各部分都进行仔细的调整,包括放线张力、绞合节距、过线模具、分线板、过线导轮等,同时在现有成缆机的基础上自行研制了光单元放线设备,将光单元的放线张力调整为合适的状态,既保证了缆芯绞合紧密,又保证了光单元的受力均匀。通过我们的精心设计、严格的生产试制和检验控制,最终产品性能均优于近期电科院起草的企业标准。
      3、试制结果
      我公司试制的产品型号为:OPLC–WDZC-YY-0.6/1kV-3×25+XTG-4B1,经我公司检测中心进行性能检测,主要检测结果见表1。
表1  OPLC产品主要性能检测结果
检测项目 标准要求 检验结果
光纤衰减系数 α1310/(dB/km) α1550/(dB/km) α1310/(dB/km) α1550/(dB/km)
≤0.35 ≤0.21 0.33 0.195
光纤色散特性 S0(1300~1324)/(ps/nm2·km) D1550/
(ps/nm·km)
S0(1300~1324)/(ps/nm2·km) D1550/
(ps/nm·km)
≤0.092 ≤18 0.065 16.2~16.5
衰减温度特性 △α1310/(dB/km) △α1550/(dB/km) △α1310/(dB/km) △α1550/(dB/km)
≤0.05 ≤0.05 0~0.01 0~0.02
应力—应变试验 长期拉伸力
(20MPa×S铜截面积
短暂拉伸
(70Mpa×S铜截面积
长期拉伸
(20Mpa×S铜截面积
短暂拉伸
(70Mpa×S铜截面积
光纤无明显附加衰减和应变 光纤附加衰减不大于0.2 dB,应变不大于0.3% 光纤无明显附加衰减和应变 光纤附加衰减:
0.05 dB
光纤应变:0.06%
热老化试验 外护套无目力可见开裂,光纤附加衰减不大于0.2 dB/km 外护套无开裂
光纤附加衰减:0.06 dB/km
护套抗拉
强度/(N/mm2
≥9.0 12.3~13.0
护套断裂伸长率/(%) ≥125 168~185
20°C 时直流
电阻/(Ω/km)
0.727 0.698
20°C 时绝缘电阻常数/(MΩ/km) 36.7 41.2
成品电缆
电压试验
交流2.5KV,5分钟,不击穿 无任何击穿现象
4h电压试验 水与导体之间施加4U0工频电压,电压应逐渐升高并持续4小时,绝缘不击穿 绝缘不击穿
      另外,在产品检测项目中,考虑到导线部分的表面温度以及散热问题,我们增加了产品耐热性试验,将试样导体上通以电流,加热导体至80℃(超过电缆正常运行时导体最高温度的10℃),稳定后持续监测10天,在试验过程中监测导体、绝缘间、光单元和外护套的温度,以及光单元的光纤在1550nm波长下的附加衰减。经过试验,我公司设计的产品结构以及采用的光单元完全符合要求。
      由以上实验数据可以看出我公司研发试制的光纤复合低压电缆(OPLC)的各项关键性能指标均达到并超过电科院起草的企业标准要求,产品性能可靠,达到预期的设计目标。

四、光纤复合低压电缆(OPLC)在接入网中的应用
      光纤复合低压电缆(OPLC)在接入网中的应用分成室外和室内两部分,室外部分包括从小区配电室到楼道配电间的公共区域,室内部分包括从楼道配电间到家里的电气插座区域。其工作原理是多种业务信号通过骨干网传输到光线路终端(OLT),OLT将有线电视、电话及互联网信号汇聚后通过光分配网络(ODN)进行分配,ODN把一路光信号分成N路光信号在光纤复合低压电缆(OPLC)中传输。在楼道配电间处通过光分路器进行信号分路,光信号随光纤复合低压绝缘电力电缆(OPIC)到达用户端,同时220V电源也到达用户端。在用户端光网络单元(ONU)把光信号接收下来并转换成电信号,分别供给计算机、电视、电话等设备。
      每个用户家庭安装的水、电、煤气表的数据采集模块连接ONU,数据信号经网络传输到光缆终端设备,就可以实现远程数据采集。如果将光纤复合低压电缆(OPLC)布到房间的每一个特制电源插座,只要使用ONU就可以把计算机、电视、电话接入网络中。如果需要移动这些电器设备,只要将ONU插上另外一个特制电源插座,电器设备接上ONU即可应用,不需要改变线路,方便实用。控制家用电器的智能模块通过光纤复合低压电缆(OPLC)来传输控制信号,可以方便地对电器实现自动控制,达到家庭电气自动化。如果需要组建家庭或办公局域网,ONU插到特制电源插座,计算机连接ONU即可。图2和图3为使用普通低压电力电缆入户和使用光纤复合低压电缆(OPLC)入户的基本网络拓扑结构。
图2 普通低压电力电缆入户拓扑线路图
图3 光纤复合低压电缆(OPLC)入户拓扑线路图
      电力网、电视网、互联网、电话网这四个网的接入网很相似,由上述拓扑线路图可知,使用光纤复合低压电缆(OPLC)入户的基本网络拓扑结构并没有改变,只是用户家里增加了一个光网络单元(ONU),小区的配电室增加了光线路终端设备(OLT),配电室与ONU之间增加了一套光分配网络(ODN),并将低压电缆换成了光纤复合低压电缆(OPLC)。因此只需要稍微整改低压电力电缆线路,就可以在一个线路上实现电视、电话、互联网和电力网的接入。
 
五、结语
      基于光纤复合低压电缆(OPLC)的电力光纤入户方案与主流FTTB+LAN 相比,可使进入小区和用户端的综合成本降低40%左右,是目前性价比最高的光纤入户“最后一公里”方案,并获得了国家电网的试点。相信随着智能电网以及三网融合建设的深入推进,电力光纤到户将会展现出其独特的优势。而光纤复合低压电缆作为电力光纤到户建设中用户接入端的重要产品,既满足电信网、电力传输网、电视网、互联网的多网融合,又符合国家对低碳经济的要求,具有较强的优势和较广泛的应用。因此未来一段时间,在国家电网的大力推进下,随着电力光纤到户试点工作的不断进行,电力光纤接入技术将不断走向成熟。届时,一旦电力光纤入户方案获得认可,光纤复合低压电缆(OPLC)的应用将会孕育着一个潜在的巨大的市场的诞生。        

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