光纖複合架空地線(opgw)實驗室模擬覆冰試驗方法
2023-10-31 19:10:57 1
專利名稱：：光纖複合架空地線(opgw)實驗室模擬覆冰試驗方法
技術領域：
：本發明屬於電力系統通信
技術領域：
，具體涉及一種電力特種光纜光纖複合架空地線(0PGW)的實驗室模擬覆冰試驗方法。
背景技術：
：2008年1月至2月初，我國南方大部分地區相繼出現了持續的大範圍災害性冰雪天氣，此次雨雪冰凍天氣過程影響範圍廣、強度大、持續時間長、涉及面廣、危害程度大，很多地區超過50年一遇，部分地區超過100年一遇，屬歷史罕見，給這些地區的交通、電力、通信和人民生活帶來了嚴重影響。此次冰凍災害尤其對我國西南、華中、華東地區的電網造成了重大危害，其中湖南、浙江、江西電網受損尤為嚴重。由於輸電線路覆冰嚴重，導致多條輸電線路鐵塔、導線、絕緣子、光纜、金具等遭到不同程度的損壞，而作為我國電力系統通信主要傳輸介質的光纜，也遭受了重大損失。光纜的受損直接影響了電力系統通信，進而影響電力系統的安全運行。雖然目前大部分受損線路已經得到修復，但對於今後的改造線路和新建線路，仍然存在許多問題有待研究和解決。光纖複合架空地線(0PGW)覆冰(尤其是重覆冰)前後性能的變化、潛在的隱患及其對光纜線路運行影響很大，詳細研究在國內外未見報導，尤其是光纖複合架空地線(0PGW)在電力系統中的應用越來越廣泛，普通地區0PGW的產品性能檢測已經包含了如幾何尺寸、傳輸性能、機械性能、環境性能、電氣性能等諸多方面，通過這些測試已經完全能夠掌握樣品的基本特性，可以保證0PGW的產品質量，而行業標準中規定的常規質量測試項目，已經不能滿足嚴重自然災害情況(如覆冰等)下的要求。目前國內外也未發現可供實際操作的覆冰狀態下光纜的技術指標與要求，也沒有建立相應的試驗環境與方法進行測試研究，面對自然界覆冰災害時，難以提出有效可行的綜合解決方案。因此，相關研究內容及測試技術需要進一步完善，以便指導工程實際應用。
發明內容本發明的目的是為了解決重覆冰地區光纜工程應用存在的問題，提出了一種光纖複合架空地線(0PGW)實驗室模擬覆冰試驗方法，該方法可以在實驗室模擬測試運行線路在各種覆冰厚度狀態下的性能變化。該方法利用實驗室覆冰模擬試驗系統，對覆冰條件下0PGW的電氣、通信、機械性能進行實驗對比研究，主要對不同結構、不同型號(不同技術參數)、不同材料等的0PGW進行耐雷擊、短路電流、衰減、抗拉性能、應力應變等項試驗研究，再通過分析試驗數據確定0PGW抵禦覆冰災害的綜合解決方案。本發明的一種光纖複合架空地線(0PGW)實驗室模擬覆冰試驗方法，包括以下步驟第一步根據光纜型號及模擬覆冰的厚度，計算覆冰的重量ff=Ji(R2-r2)dl其中R-—覆冰後的0PGW半徑r-—光纜的半徑d——冰的比重0.9克/立方釐米1-—光纜長度W-—冰的重量31——3.14第二步將光纜以16%RTS的初始張力固定在拉力機上，光纜長度大於100米，光纜樣品的有效試驗長度不小於25米；第三步將光纜中的至少6根光纖串接，使光纖長度大於500米，然後接在光時域反射儀上，監測隨覆冰厚度的增加光纖衰減的變化；第四步根據拉力機兩端金具固定端中間所述光纜的有效試驗長度，換算線路實際檔距和覆冰厚度對應的實驗室條件下需要覆模擬冰的重量和拉力值。計算過程如下利用懸鏈線方程式中，a為引進參數，是光纜水平張力H與單位自重W的比值，ch(x)為雙曲餘弦函數；光纜自然懸掛狀態下，令t=1/a，懸鏈線方程得關於t的關係式式中，1為相鄰兩桿塔的水平距離，單位為m;yA為光纜左邊掛點A離最低點的垂直距離，單位為m;yB為光纜右邊掛點B離最低點的垂直距離，單位為m，用牛頓法解上述關係式，得出參數t，推出參數a，再由參數a和光纜長度與伸長的關係式得出光纜的原長Lo，此原長Lo作為覆冰計算的初始條件；覆冰後，纜的張力、伸長及懸掛纜總長都會變化，重新達到另一平衡，如式Lo=L2-e2,Lo為自然懸垂下得到的懸掛光纜的原長，為已知條件，L2和e2均用含參數a'的表達式表示，其中a'為覆冰所引起的變化了的參數a，得出關係式式中，Y3為光纜的覆冰荷載，單位為N/mmm2y3=YY2其中，式中m為光纜自重，單位為kg/km。S-光纜截面積，單位為式中，b為冰厚，單位為mm；D為光纜外徑，單位為mm，Sg-重力常數，取值為9.8N/kg；S-光纜截面積，單位為mm2；對上式用牛頓法解出參數a'，把a『代入關係式1A—光纜左邊掛點A離最低點的水平距離，單位為m；1B—光纜右邊掛點B離最低點的水平距離，單位為m；從而得到光纜所受最大張力值等參數；第五步把計算得到的覆模擬冰重量分多次均勻覆在光纜上，每次間隔1至2小時，覆重時主要考慮光纜弧垂不要太大，以免碰到地上，然後加拉力到計算值，最終使其達到實際檔距長度和實際覆冰厚度的模擬狀態，記錄覆冰前後光纖衰減性能測試結果；第六步利用此覆冰後的光纜可以繼續做光纖複合架空地線(0PGW)行業標準中規定的抗拉性能、應力應變、雷擊和短路電流等光纜覆冰後各項性能試驗。其中，所述第五步中把計算得到的覆模擬冰重量分3-10次均勻覆在光纜上。其中，所述第五步中覆模擬冰時間為48小時以上。本發明技術方案的主要特點就是利用實驗室現有的拉力裝置，將覆重轉換為拉力值，使光纜樣品即受到縱向的覆重，又受到橫向的拉力，不需要在室外架設長距離杆塔，只需正確計算需要模擬的實際線路檔距、覆冰厚度等條件對應的實驗室覆重和拉力值即可。本發明的有益效果是本發明的方法是在實驗室條件下最為簡捷的方案，不需要實際噴淋水霧和低溫環境形成真正的覆冰，可以減小試驗空間，設備簡單、時間易於控制，通過換算可以模擬大檔距實際線路情況，大大降低試驗成本及試驗難度。並且這種方案經過試驗對比證明是非常行之有效的。下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1是本發明中示例的0PGW結構示意圖；圖2是光纜模擬400米檔距40mm覆冰厚度96h光纖衰減變化折線圖和光纜模擬400米檔距40mm覆冰厚度96h光纖衰減隨時間變化折線圖；圖3是光纜覆冰後60%RTS應力應變試驗結果的應變曲線示意圖；圖4是依據本發明的方法的流程圖。具體實施例方式首先利用覆冰實驗室噴淋冰凍方式，對0PGW進行覆冰試驗，模擬稱出自然界覆冰不同厚度情況下的冰重數據，並與理論計算進行對比。覆冰計算值與實際值校驗(1)對未覆冰的0PGW稱重對長度為120cm的光纜樣品進行稱重，重量為795g。(2)對覆冰的0PGW重量稱重對長度為120cm的光纜，覆冰長度為90cm進行稱重，重量為1580g。(3)對0PGW的直徑和覆冰後的外徑進行測量通過卡尺測量0PGW直徑為15.2mm,覆冰後的外徑為37mm。(4)0PGW覆冰的冰重量0PGW覆冰的冰重量等於長度為120cm的光纜覆冰長度為90cm的總重量減去未覆冰長度為120cm的0PGW重量1580g-795g=785g(5)計算冰的重量ff=Ji(R2-r2)dlR-—覆冰後的樣品半徑r-—0PGW的半徑d——冰的比重0.9g/cm31-—覆冰長度ff=(1.852-0.762)*3.14*90*0.9=724g(6)比重為0.9g/cm3實際覆冰值與計算覆冰值之差785-724=61g由於實際線路0PGW覆冰為混合淞，混合淞比重為0.6g/cm3—0.9g/cm3,實際冰重785g對應比重為0.83g/cm3，與計算值相差不大，同時，實驗室應在最為嚴格情況下考查光纜的覆冰狀態，故覆冰試驗中覆冰重量選擇計算覆冰值。具體實施步驟如下第一步根據光纜型號及模擬覆冰的厚度，計算覆冰的重量ff=Ji(R2-r2)dlR-—覆冰後的0PGW半徑r-—光纜的半徑d——冰的比重0.9克/立方釐米1-—光纜長度W-—冰的重量Ji——3.14第二步將光纜以16%RTS的初始張力固定在拉力機上，光纜長度100米，樣品有效試驗長度不小於25米。第三步將光纜中的至少6根光纖串接，使光纖長度大於500米。然後接在光時域反射儀上，監測隨覆冰厚度的增加光纖衰減的變化。第四步根據拉力機兩端金具固定端中間有效試驗長度，換算線路實際檔距和覆冰厚度對應的實驗室條件下需覆模擬冰的重量和拉力值，其中實際計算過程參照中國專利申請200910092540.6。第五步把計算覆模擬冰重量分3至4次均勻覆在光纜上，每次間隔1至2小時，覆重時主要考慮光纜弧垂不要太大，以免碰到地上，然後加拉力到計算值，最終使其達到實際檔距長度和實際覆冰厚度的模擬狀態，覆模擬冰時間96小時。記錄覆冰前後光纖衰減性能測試結果。第六步利用此覆冰後的光纜可以繼續做0PGW行業標準中規定的抗拉性能、應力應變、雷擊、短路電流等光纜覆冰後各項性能試驗。下面以0PGW-24Bl-89[74.2；50.3]為例，給出40mm覆冰厚度情況下採用本發明進行的試驗。0PGW結構如圖1所示，光纜直徑12.6mm,中心為一根2.6mm直徑的鋁包鋼線，第一層為5根2.5mm直徑的鋁包鋼線加一根2.5mm直徑的不鏽鋼管光單元，第二層為12根2.5mm直徑的鋁包鋼線，其具體技術參數見表1。表10PGW技術參數表將100米長的光纜中的6根光纖串接，然後接在光時域反射儀上，監測光纖隨覆冰厚度的增加衰減的變化。先在拉力機上(檔距為25米)覆上一定的模擬冰，同時施加拉力，使其達到檔距為400米，覆冰厚度為40mm的模擬狀態，覆冰時間96小時。具體覆冰厚度對應力值見表2，試驗模擬實際400米檔距40mm覆冰厚度情況下，對應實驗室25米有效光纜試驗長度所等效的覆冰厚度為175mm，對應力值為66.72kN(90%RTS)，對應覆冰重量92.83kN。覆冰前後光纖衰減性能測試結果見表3，分別記錄了覆冰時間及對應的狀態下波長為1310nm和1550nm的光纖衰減性能。覆冰後光纖衰減變化增大，覆冰96小時後去掉覆冰，光纖衰減沒有恢復到初始狀態，與初始狀態相比增大了約30%，如圖2所示，覆冰96小時後與初始狀態相比，在1310mm和1550mm波長下衰減均增大了，因此，此型式光纜在400米檔距覆冰厚度40mm情況下性能受到影響，同時導致光纖的傳輸質量下降。應力應變試驗中覆冰後光纖衰減變化較大，圖3為光纜覆冰後應力應變試驗結果，圖中，橫坐標為光纜所受拉力值(單位N)；上圖縱坐標為衰減(單位dB)，下圖縱坐標為光纖應變(單位％)。可以看出衰減變化大於0.08，超出標準要求。拉斷試驗滿足電力行業標準要求，抗拉性能沒有降低。表2模擬400米檔距40mm覆冰對應參數值表3覆冰前後0PGW衰減性能測試結果(G.652)此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來說在不脫離本發明的範圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求定義。權利要求一種光纖複合架空地線(OPGW)實驗室模擬覆冰試驗方法，包括以下步驟第一步根據光纜型號及模擬覆冰的厚度，計算覆冰的重量W＝π(R2-r2)dl其中R---覆冰後的OPGW半徑r---光纜的半徑d----冰的比重0.9克/立方釐米l---光纜長度W---冰的重量π----3.14第二步將光纜以16％RTS的初始張力固定在拉力機上，光纜長度大於100米，光纜樣品的有效試驗長度不小於25米；第三步將光纜中的至少6根光纖串接，使光纖長度大於500米，然後接在光時域反射儀上，監測隨覆冰厚度的增加光纖衰減的變化；第四步根據拉力機兩端金具固定端中間所述光纜的有效試驗長度，換算線路實際檔距和覆冰厚度對應的實驗室條件下需要覆模擬冰的重量和拉力值。計算過程如下利用懸鏈線方程y=a(chxa-1)式中，a為引進參數，是光纜水平張力H與單位自重W的比值，ch(x)為雙曲餘弦函數；光纜自然懸掛狀態下，令t＝1/a，懸鏈線方程得關於t的關係式tl=ln((tyA+1)+(tyA+1)2-1)+ln((tyB+1)+(tyB+1)2-1)式中，l為相鄰兩桿塔的水平距離，單位為m；yA為光纜左邊掛點A離最低點的垂直距離，單位為m；yB為光纜右邊掛點B離最低點的垂直距離，單位為m，用牛頓法解上述關係式，得出參數t，推出參數a，再由參數a和光纜長度與伸長的關係式得出光纜的原長Lo，此原長Lo作為覆冰計算的初始條件；覆冰後，纜的張力、伸長及懸掛纜總長都會變化，重新達到另一平衡，如式Lo＝L2-e2，Lo為自然懸垂下得到的懸掛光纜的原長，為已知條件，L2和e2均用含參數a′的表達式表示，其中a′為覆冰所引起的變化了的參數a，得出關係式Lo=(2ashl2a)2+h2-a3E(l2+h22acothl2a+a2shla)10-3式中，γ3為光纜的覆冰荷載，單位為N/m·mm2γ3＝γ1+γ2其中，式中m為光纜自重，單位為kg/km。S-光纜截面積，單位為mm2；式中，b為冰厚，單位為mm；D為光纜外徑，單位為mm，g-重力常數，取值為9.8N/kg；S-光纜截面積，單位為mm2；對上式用牛頓法解出參數a′，把a『代入關係式Tmax=a3Scosh(lB/a)10-3Tmax=a3Scosh(lA/a)10-3lA——光纜左邊掛點A離最低點的水平距離，單位為m；lB——光纜右邊掛點B離最低點的水平距離，單位為m；從而得到光纜所受最大張力值等參數；第五步把計算得到的覆模擬冰重量分多次均勻覆在光纜上，每次間隔1至2小時，覆重時主要考慮光纜弧垂不要太大，以免碰到地上，然後加拉力到計算值，最終使其達到實際檔距長度和實際覆冰厚度的模擬狀態，記錄覆冰前後光纖衰減性能測試結果；第六步利用此覆冰後的光纜可以繼續做光纖複合架空地線(OPGW)行業標準中規定的抗拉性能、應力應變、雷擊和短路電流等光纜覆冰後各項性能試驗。FSA00000111649700021.tif,FSA00000111649700022.tif2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第五步中把計算得到的覆模擬冰重量分3-10次均勻覆在光纜上。3.如權利要求1-2所述的方法，其特徵在於所述第五步中覆模擬冰時間為48小時以上。全文摘要本發明屬於電力系統通信
技術領域：
，涉及一種光纖複合架空地線(OPGW)實驗室模擬覆冰試驗方法，該方法可以在實驗室模擬測試運行線路在各種覆冰厚度狀態下的性能變化。該方法利用實驗室覆冰模擬試驗系統，對覆冰條件下OPGW的電氣、通信、機械性能進行實驗對比研究，主要對不同結構、不同型號、不同技術參數、不同材料等的OPGW進行耐雷擊、短路電流、衰減、抗拉性能、應力應變等項試驗研究，再通過分析試驗數據確定OPGW抵禦覆冰災害的綜合解決方案。文檔編號G01N3/08GK101858945SQ201010163169公開日2010年10月13日申請日期2010年4月29日優先權日2010年4月29日發明者戚力彥,趙大平,陳希申請人:中國電力科學研究院