（材料加工工程專業(yè)論文）adss、opgw特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析.pdf

a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 摘要 摘要 在光通信領(lǐng)域中，電力系統(tǒng)通訊占據(jù)了重要的份額，其中所用的傳輸媒介主要是 特種光纜，其容量不但能滿足電力系統(tǒng)內(nèi)部通訊及自動化的需要，還可以將富余容量 提供社會服務(wù)。特種光纜主要有兩種型式：a d s s 和o p g w 。 特種光纜的開發(fā)和應(yīng)用涉及到的因素很多。傳統(tǒng)設(shè)計中對計算模型進行了過多的 簡化，過分依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗，計算不夠準確、設(shè)計不夠合理。這為光纜的質(zhì)量、 使用壽命和安全運行埋下了嚴重的隱患。 本文針對傳統(tǒng)設(shè)計中存在的問題并兼顧了光纜設(shè)計的特殊性，論述了特種光纜輔 助設(shè)計與分析軟件的理論基礎(chǔ)與設(shè)計開發(fā)過程。本文首先建立了光纖余長的計算模型， 在此基礎(chǔ)上對光纖余長進行計算；對基于一般敷設(shè)條件下建立的架空電力光纜的懸鏈 線數(shù)學(xué)模型進行了推導(dǎo)，給出了架空懸鏈線方程的數(shù)學(xué)解析，詳細分析并說明了數(shù)值 求解懸鏈線方程中的問題；并在光纖余長的設(shè)計、纜芯設(shè)計、光纜適用溫度范圍的計 算、光纜壽命的計算、力學(xué)性能設(shè)計以及芳綸的計算等光纜設(shè)計關(guān)鍵闖題上進行了嚴 格的推導(dǎo)和分析，從而完善了光纜設(shè)計的理論基礎(chǔ)。并以此作為軟件設(shè)計依據(jù)。軟件 在遵從傳統(tǒng)a d s s 光纜設(shè)計習(xí)慣與流程的前提下，提供了用戶權(quán)限管理、光纜設(shè)計歷 史資料管理、成本分析、實時用戶交互及光纜掛點電場的計算等輔助功能。以若干設(shè) 計實例證實了軟件的實用性與可靠性。軟件對光纜的科學(xué)與優(yōu)化設(shè)計，對降低成本、 提高質(zhì)量均具有重要意義。文中還就目前普遍存在的光纜電腐蝕問題，經(jīng)過實例分析。 提出了多種解決方案，并編制了電力線路電場計算程序，初步解決了光纜在電力鐵塔 上的掛點選擇問題。 關(guān)鍵詞：a d s s 光纜設(shè)計、光纖余長、計算機輔助設(shè)計與分析、軟件、電腐蝕 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析a b s t t a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l do f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mc o m m u n i c a t i o n t a k e sv e r y i m p o r t a n tp a r t ，w h o s em a j o r c o m m u n i c a t i o nm e d i ai st h es p e c i a l t y p ef i b e ro p t i c c a b l e ，t h e c a p a c i t y o f s p e c i a lt y p e f i b e r o p t i c c a b l ec a nm e e tt h en e e do fi n n e r c o m m u n i c a t i o na n da u t o m a t i z a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a n dt h es u r p l u sc a p a c i t yc a l l b eo f f e r e dt os o c i e t ys e r v i c e t h es p e c i a lt y p ef i b e ro p t i cc a b l em o s t l yh a st w o t y p e s _ 一 a d s sa n do p g w t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f s p e c i a lt y p ef i b e ro p t i cc a b l ei n v o l v em a n yf a c t o r s i nt h et r a d i t i o n a ld e s i g n ，t h e r ea r es e v e r a ls h o r t a g e s ，s u c ha st h ee x c e s s i v ep r e d i g e s t i o no f c a l c u l a t i o nm o d e l ，t h eo v e r m u c hd e p e n d a n to nt h e e x p e r i e n c e o fd e s i g n e r s ，i m p r e c i s e c a l c u l a t i o na n du n r e a s o n a b l e d e s i g n s c h e m e t h e s ei n t e r f e rw i t ht h e q u a l i t y a n dt h e w o r k i n gl i f e ，b e s i d e s ，a l s or e s e r v eh i d d e nd a n g e rf o rt h er u n n i n gs a f e t yo fs p e c i a lt y p ef i b e r o p t i cc a b l e a i m i n ga tt h es h o r t a g e so f t r a d i t i o n a ld e s i g na n dc o n s i d e r i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo ff i b e r o p t i cc a b l ed e s i g n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea c a d e m i cb a s i sa n dd e s i g np r o c e s so f s p e c i a l t y p e f i b e r o p t i c c a b l e c o m p m e r - a i d e dd e s i g n a n d a n a l y s e s o f t w a r e f i r s t l y , w r i t e r e s t a b l i s h e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ff i b e re x c e s s l e n g t ha n d d e s i g n e df i b e re x c e s s 1 e n g t ho n t h em o d e l s e c o n d l y , f i g u r e dt h ec a t e n a r ye q u a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e lo fa e r i a le l e c t r i c p o w e rf i b e ro p t i cc a b l e ，w h i c he s t a b l i s h e do ng e n e r a ll a y i n gc o n d i t i o n ，a n ds e tu pt h e m a t h e m a t i c sp a r s eo fa e r i a lc a t e n a r ye q u a t i o n ，a n a l y z e da n de x p l a i n e dt h ep r o b l e mw i t h n u m e r i cc a l c u l a t i o no f c a t e n a r ye q u a t i o ni nd e t a i l a f t e rt h a t ，d e r i v e da n da n a l y z e ds e v e r a l c r i t i c a lf a c t o r s i n c l u d i n g f i b e r e x c e s s l e n g t hd e s i g n ，c o r e c a b l e d e s i g n ，a p p l i c a b l e t e m p e r a t u r er a n g ec a l c u l a t i o na b o u tf i b e ro p t i cc a b l e ，w o r k i n gl i f ec a l c u l a t i o no f f i b e ro p t i c c a b l e ，m e c h a n i c sc a p a b i l i t yd e s i g n a n dr e i n f o r c e m e n t c a l c u l a t i o n c o n s e q u e n t l y t h e a c a d e m i cb a s i so ff i b e ro p t i cc a b l ed e s i g nt h a tt m n st ob et h ef o u n d a t i o no fs o f t w a r ed e s i g n i si m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h em a n n e r sa n dp r o c e s so ft r a d i t i o n a la d s sf i b e ro p t i cc a b l e d e s i g n ，t h e s o f t w a r ei n c l u d e st h e f o l l o w i n gf i l n c t i o n s u s e rp o p e d o mm a n a g e m e n t ， h i s t o r i cd a t a m a n a g e m e n to f f i b e r o p t i c c a b l e d e s i g n ，c o s ta n a l y s i s ，r e a l t i m eu s e r i n t e r a c t i o na n de l e c t r i cf i e l dc a l c u l a t i o no ff i b e ro p t i cc a b l es u s p e n d i n gp o i n t t h e nt h e _ 1 t 一 壘里豎：q 墮堡壁壁些些生苧墊塑壁堡鹽皇坌塑一! ! ! 豎型 u s a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es o f t w a r ei sp r o v e db ys e v e r a ld e s i g ne x a m p l e s t h i ss o f t w a r e a l s om a k e sg r e a ts i g n i f i c a n c ew i t hr e g a r dt os c i e n t i f i ca n do p t i m i z i n gd e s i g no f f i b e ro p t i c c a b l e ，r e d u c i n gc o s ta n de n h a n c i n gq u a u t y t o c o u n t e rf i b e ro p t i cc a b l ee l e c t r i ce r o s i o n ，t h e a u t h o ra l s op u tf o r w a r ds 0 1 t l es o l v i n gs c h e m e so nt h eb a s eo fr e a le x a m p l ea n a l y s i sm a d m a d ep r o g r a mo fe l e c t r i cp o w e rl i n e se l e c t r i cf i e l dc a l c u l a t i o n t h ep r o b l e mo ff i b e rt p t i c c a b l es u s p e n d i n g p o i n t s e l e c t i o no ne l e c t r i ct o w e ri sp r i m a r i l ys o l v e d k e y w o r d s ：d e s i g n o fa d s sf i b e ro p t i cc a b l e ，f i b e re x c e s s - l e n g t h ，c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n a n d a n a l y s i s ，s o f t w a r e ，e l e c t r i ce r o s i o n y s 艿。 學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲嚷所呈交的學(xué)位論文是我個入在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他入已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機構(gòu) 的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 ) 矽；巧 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位 論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人 電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論 文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包 括書登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。 簽 名：勵晦導(dǎo)師簽名：馘數(shù)乞皤日期：舢町矗z 6 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 1 1 特種光纜概況 第一章緒論 光纜作為信息傳輸媒體，它的抗干擾性能、重量輕、容量大等優(yōu)點已被人熟知而 獲得廣泛應(yīng)用。目前光纜的敷設(shè)方式主要有架空和埋地兩種，其中利用電力桿塔敷設(shè) 的架空光纜通稱為特種光纜，它可利用現(xiàn)有的電力線路，因此較為經(jīng)濟可靠【1 。 在電力系統(tǒng)中，敷設(shè)在高壓架空輸電線路上的光纜主要有兩種型式，一是全介質(zhì) 自承式光纜，簡稱a d s s ( a l ld i e l e c t r i cs e l f - s u p p o r t i n g ) ，二是光纖架空復(fù)合地線，簡稱 o p g w ( c o m p o s i t ef i b e ro p t i co v e r h e a dg r o u n dw i r e ) 。特種光纜的容量不但能滿足電 力系統(tǒng)內(nèi)部通訊及自動化的需要，還可以將富余容量提供社會服務(wù)【5 1 0 據(jù)統(tǒng)計，我國電力線路總長度排名世界第二，現(xiàn)有的1 1 0 k v 及以上線路就有6 8 萬公里，還有大量3 5 k v 1 0 k v 老線路【2 】。特種光纜作為電力系統(tǒng)的通信媒體已經(jīng)受到 了廣泛的應(yīng)用，并已成為電力系統(tǒng)安全、高效運行不可或缺的組成部分。目前，僅已 經(jīng)架設(shè)的a d s s 光纜就已經(jīng)達到幾萬公里，無論從數(shù)量、應(yīng)用的范圍，我國都已經(jīng)是 特種光纜的“大戶”。 a d s s 的電力行業(yè)標準d l t 7 8 8 2 0 0 1 頒布，并于2 0 0 2 年5 月1 日正式生效；o p g w 的電力行業(yè)標準也已經(jīng)上報國家經(jīng)貿(mào)委。特種光纜設(shè)計者、制造者、質(zhì)量檢測部門和 用戶對特種光纜的設(shè)計、生產(chǎn)及檢驗的規(guī)范化更加重視。隨著電力系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)的建 設(shè)尤其是西電東送工程和西部大開發(fā)的進行，特種光纜的市場需求量正呈逐漸增大的 趨勢。 特種光纜的開發(fā)和應(yīng)用涉及到的因素很多。諸如光纖的特性、線路的機械特性、 線路的電氣特性、氣象應(yīng)用條件，這就使得特種光纜種類繁多。但是不管什么結(jié)構(gòu)形 式的特種光纜，都必須滿足線路的機械、電氣、光學(xué)性能，而這些必須通過合理的結(jié) 構(gòu)來保證；因此特種光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常重要的。 1 1 1 全介質(zhì)自承式( a d s s ) 光纜 電力系統(tǒng)中，在已有架空電纜的現(xiàn)存高壓輸電線路上或在不需要安裝架空地線的 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 新建高壓輸電線路上適用a d s s 光纜來進行通信傳輸。隨著電力系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)， a d s s 光纜的市場需求量正呈逐漸增大的趨勢。 a d s s 光纜主要結(jié) 構(gòu)可分為兩種( 圖1 - 1 ) ： 層絞式、中心管式。層 絞式可適用于任意跨距 的場合；與中心管式相 比，層絞式結(jié)構(gòu)易做出 a d s s 光纜所需要的光 圖1 - ia d s s 光纜結(jié)構(gòu) 纖余長，而且光纜芯數(shù)可以在做得比較大，所以目前市場上層絞式a d s s 光纜應(yīng)用最 為廣泛，也是今后的發(fā)展趨勢口1 。層絞式a d s s 設(shè)計相對復(fù)雜且更有普遍意義，所以 論文主要圍繞層絞式a d s s 光纜設(shè)計進行軟件開發(fā)。 就層絞式a d s s 而言，中心加強件( f r p ) 的作用之一是作為抗張元件承受載荷， 但這不是其主要作用，主要是作為松套管絞合的中心部件存在；松套管為光纖提供保 護單元環(huán)境；內(nèi)護套主要作用是保護光纜的纜芯單元，并保證光纜的圓整度；非金屬 加強件芳綸是承擔(dān)張力的主要元件；外護套主要是對光纜整體提供保護并具有抗電腐 蝕作用。 a d s s 光纜具有以下特點【6 1 ： 1 、a d s s 光纜為全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，施工時一般不需要停電施工； 2 、無需另設(shè)架空吊線，降低工程成本； 3 、具有良好的溫度、環(huán)境特性，適合于架空環(huán)境； 4 、外徑小，可減少風(fēng)力和冰凌的影響； 5 、具有較高的模量、良好的應(yīng)力一應(yīng)變特性，重量輕、對桿塔影響?。?目前世界電力線路上已有a d s s 光纜數(shù)十萬公里。其中美國近三萬公里。英國用 得最早，起于1 9 7 9 年，也用得較多，主要安裝在1 3 2 k v 的線路上。 由于a d s s 光纜獨特的優(yōu)點，許多國家組織力量開展了研究。首先是研制新的抗 電腐蝕的護套材料，同時對護套電腐蝕的機理進行了深入的理論研究。在此基礎(chǔ)上， 評估新材料抗電腐蝕性能的試驗技術(shù)也得到了發(fā)展，計算線路周圍空間電位分布的商 用程序也已經(jīng)出現(xiàn)。同時，光纜的結(jié)構(gòu)也越來越合理，纜芯設(shè)計的研究也趨向深入。 _ 2 竺墮：堂! 鱟型些絲生簍墊塑壁塑生蘭坌塹 墮堡 i e e e 國際光纜標準工作組成立后，編寫了架空線路使用的全介質(zhì)自承式( a d s s ) 光纜的標準草案，代號i e e ep 1 2 2 2 h i 。該標準對a d s s 光纜的一般技術(shù)要求、光的特 性、機械電氣特性、安裝和試驗方法都作了詳細的規(guī)定，雖然它不是一個正式標準， 但是世界各國的制造商均按此草案執(zhí)行。我國也于2 0 0 2 年5 月1 日頒布實施了中華人 民共和國電力行業(yè)標準全介質(zhì)自承式光纜 i h ，這使得a d s s 光纜的發(fā)展有了一個 可以執(zhí)行的規(guī)范，相信這將進一步促進a d s s 光纜的發(fā)展。 1 1 2 光纖復(fù)合架空地線( o p g w ) o p g w 通信是將光纖單元復(fù)合于輸電線路地線內(nèi)，利用光纖單元開通通信通道。 由于目前我國尚未制訂出o p g w 的規(guī)范標準，使得o p g w 生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)種 類繁多且較難以評判，所以設(shè)計部門要想達到較好的設(shè)計效果首先面臨的問題就是如 何選型。 o p g w 從其結(jié)構(gòu)來看，由光纖單元及絞線兩部分組成。其結(jié)構(gòu)差異主要取決于光 纖單元的位置和結(jié)構(gòu)類型，按照上述原則通常將o p g w 分為中心管纜芯中心束管式、 中心管一纜芯松套層絞式、偏置層絞式三種( 圖1 - 2 ) 。不銹鋼管式結(jié)構(gòu)的o p g w 因其全 ( a ) 中心管- 纜芯中心束管式( b ) 中心管一纜芯松套層絞式( c ) 偏置層絞式 圖1 - 2 0 p g w 光纜結(jié)構(gòu) 金屬結(jié)構(gòu)、與地線結(jié)構(gòu)相近、對光纖保護理想等優(yōu)點，自應(yīng)用以來一直是國際上o p g w 的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。不銹鋼管式結(jié)構(gòu)根據(jù)光纖單元在光纜中的位置分為中心管式和層絞式結(jié) 構(gòu)，圖1 - 2 所示的三種結(jié)構(gòu)中( a ) 、f o ) 均為中心管式，而( c ) 為層絞式。 o p g w 具有以下特點1 13 ： 1 、隨高壓輸電線路一起架設(shè)，而不需占用新的敷設(shè)走廊： 2 、傳輸容量大； 3 、可靠性高、不受強電干擾。 o p g w 的一次性投資較大。是大規(guī)模應(yīng)用存在的主要障礙；同時，由于與地線復(fù) 一 竺墅：竺魚! 壁登壟塑鹽蔓墊塑壁望生蘭坌塹 一一望! 壘 合在一起，當(dāng)o p g w 損壞時，維修也較困難。考慮到諸多因素，目前o p g w 的主要 應(yīng)用范圍為： 1 、新建線路； 2 、更換老化地線的線路； 3 、 要求使用壽命為4 0 年以上的線路i 4 、 對光傳輸整體性要求較高的線路( o p g w 保護最好、最安全的線路) 。 英國b i c c 公司于1 9 7 6 年就開發(fā)了o p g w ，在4 0 0 k v 、2 0 公里線路上試驗成功。 美、英、法、日、意、韓、沙特等國家的電力系統(tǒng)都大量采用o p g w ，o p g w 通信已 在電力系統(tǒng)通信中占主導(dǎo)地位。八十年代在國外很多國家大量采用，同時也越來越受 到我國電力部門的重視。我國從1 9 8 4 年開始，先后從b i c c 公司、日立電線公司、藤 倉公司引進o p g w ，分別安裝于葛洲壩電廠、華中局網(wǎng)等。這些工程發(fā)揮了作用，取 得了很好的效果，同時為我國開發(fā)研制o p g w 奠定了基礎(chǔ)“”。 o p g w 的主要承載材料為鋁包鋼線( a s 線) 。a s 線具有高的機械強度、高的導(dǎo) 電性能和良好的抗電腐蝕能力。 o p g w 設(shè)計和a d s s 設(shè)計思路和方法基本相同，由于o p g w 的承力元件為金屬 鋁包鋼線和鋁合金線，所以對力學(xué)性能更容易滿足，設(shè)計較a d s s 更簡單。因此，論 文主要圍繞a d s s 光纜設(shè)計進行軟件開發(fā)。 1 2 特種光纜設(shè)計流程及主要問題 a d s s 、o p g w 設(shè)計涉及到機械、氣象、電氣等諸方面，做好這項工作要有嚴謹 的科學(xué)態(tài)度，同時又要有縝密的科學(xué)方法。 1 2 1 光纖結(jié)構(gòu)及光傳輸原理 光纖是光纜的核心部件，是真正的傳輸介質(zhì)：光纖是由 中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓形細絲。纖芯的折射 率比包層稍高，損耗比包層更低光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸， 包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起到一定的機械保 護作用。圖l 一3 示出了光纖的外形。設(shè)纖芯和包層的折射率 圖1 - 3 光纖的外形 - - 4 - - a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 分別為n l 和n 2 ，光能量在光纖傳輸?shù)谋匾獥l件是n l n 2 。 詳細描述光纖傳輸原理，需要求解麥克斯韋方程，但在極限條件下，可以用幾何 光學(xué)的射線方程做近似分析，幾何光學(xué)的方法比較直觀、容易理解。 設(shè)纖芯和包層折射率分別為n l 和n 2 ，空氣的折射率n o = l ，纖芯中心軸線與z 軸一 致，如圖1 4 。光線在光纖斷面以小角度0 從空氣入射到纖芯 n f ) ，折射角為ei ， 折射后的光線在纖芯 直線傳播并在纖芯 與包層交界面以角度 1 l r l 入射到包層( n 2 n 1 ) 。改變角度o ，不 同。相應(yīng)的光線將在 纖芯與包層絞界面發(fā) 包層 2 固1 - 4 光纖中的光線傳播原理 生反射和折射。根據(jù)全反射原理，存在一個臨界角0 。，當(dāng)0 0 。時，相應(yīng)的光 線將在交界面折射進入包層而造成光能的損失，如光線3 。由此可見，只有在半錐角 為0 e 。的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中無損傳輸。 引起光纖傳輸信號的衰減除了材料本身的原因外，主要由光纖運行狀態(tài)中的宏彎 與微彎損耗兩部分因素組成，由宏彎與微 彎造成的光纖傳輸損耗一般稱為附加衰 減。光纖是柔軟的可彎曲的，如果彎曲半 徑太小，將使光的部分能量由于不滿足全 反射條件而發(fā)生折射現(xiàn)象，從而造成光纖 信號的傳輸損耗，返就是光纖的宏彎損耗； 微彎損耗是由于光纖本身存在的徽裂紋缺 陷，其在受力( 包括拉伸、彎曲和擠壓等) 堪 槲 居 藍 圖i - 5 光纖的附加衰減與應(yīng)變的關(guān)系 一5 一 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 時，微裂紋將會得到快速生長導(dǎo)致的光纖傳輸信號衰減。局部受力和局部彎曲是微彎 損耗的最重要影響因素。 附加衰減是光纖傳輸性能的重要指標，直接影響到光纖的傳輸距離與信號質(zhì)量。 圖1 - 5 t 蜷l 示出了常用光纖的附加衰減特性與所受應(yīng)變的關(guān)系。需要說明的是這里的附 加衰減包括由光纖受拉( 或者受壓) 引起的衰減和由光纖彎曲引起的衰減。因此，盡量 保護光纖不受應(yīng)力是光纜設(shè)計中必須考慮的問題。 1 2 2 特種光纜設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 在特種光纜的設(shè)計中，如何調(diào)整光纜結(jié)構(gòu)及選用合適的光纜材料以充分保護光 纖，使光纖在任何運行狀態(tài)下的應(yīng)變盡可能減小，即使光纜獲得最佳的應(yīng)力一應(yīng)變特性， 使光纜在設(shè)計壽命有效期內(nèi)( 2 0 3 0 年) 內(nèi)及各種運行環(huán)境下其中的光纖無明顯應(yīng)變、 衰減無明顯變化、光纖無危險態(tài)疲勞是光纜設(shè)計的基本原則。合理的設(shè)計可使光纜在 輸電線路上安裝后，能安全穩(wěn)定地運行，同時盡量減少維護費用。 在光纜中充分保護光纖的方法，可從光纖材料工藝或合理設(shè)置光纜結(jié)構(gòu)兩方面來 考慮。提高光纖固有機械強度，以增強光纖抵抗外應(yīng)力引起的宏彎和微彎損耗能力的 方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料進 行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對成品光纖用二次被覆。即使進行應(yīng)力篩 選，一次被覆的光纖的機械強度對于成纜的要求而言仍然是不夠的，所以要進行二次 被覆。 特別是特種光纜的特殊運行環(huán)境和自承條件。僅僅靠光纖被覆和應(yīng)力篩選是遠遠 不能夠的滿足適用條件的。為此，必須從光纜設(shè)計的角度保護光纖。 特種光纜( 這里主要指a d s s 特種光纜) 主要由中心抗張體、松套管、光纖、內(nèi) 護套、非金屬加強件及外護套等主要部件組成，各部件作用如前所述，各部件參數(shù)間 存在著相互制約的關(guān)系，合理優(yōu)化設(shè)計必須權(quán)衡各部件參數(shù)對光纜性能及其對光纜成 本的影響。部件之間關(guān)系示于圖1 - 6 。就光纜性能而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮保護光纖的 解決方案主要有以下兩種： 1 、提高光纖在光纜中的余度，保證光纜受一定張力而延伸到定值時光纖仍不受 力：通常稱光纜中光纖長度與光纜長度的差值對光纜長度的比值為光纖余長 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 ( 詳見2 1 節(jié)) 。圖1 7 為典型的a d s s 應(yīng)力 應(yīng)變曲線n 9 1 ，圖中光 纜受力伸長，當(dāng)光纜受 力伸長達到o 7 0 時， 纜中光纖開始產(chǎn)生應(yīng) 變，即在光纜達到 o 7 0 應(yīng)變之前，光纖 不受力；圖示光纜的光 纖余長為0 7 0 。提高 光纖在光纜中的余度 也就是增加光纜的光 纖余長。 2 、提高光纜的力學(xué)和熱 性能，也就是提高光纜 的楊氏模量并盡可能 圖1 - 6 光纜結(jié)構(gòu)特性參數(shù)之間的相互關(guān)系 減小光纜的熱膨脹系數(shù)以減小光纜的應(yīng)變。就熱膨脹系數(shù)而言，1 其取決于組成 元件的特性，所以一旦選擇并確 定了光纜的成纜元件的參數(shù)，光 纜的熱膨脹系數(shù)是一個定值。所 以，提高光纜的力學(xué)和熱性能的 關(guān)鍵是對光纜力學(xué)性能的合理 設(shè)計。 在環(huán)境溫度升高或者光纜受到軸 + 1 1 0 s + 0 5 5 嵌0 0 0 翻一0 5 5 1 1 0 曳f 拙) 圖l 彳光纜及纜中光纖的應(yīng)力應(yīng)變曲線 向力使光纜伸長時，如果光纖余長過短就會使光纖易產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纖損耗增 大，嚴重時會使光纖受拉力甚至斷纖：增加光纖余長一方面可以保證a d s s 光纜生產(chǎn) 過程、敷設(shè)過程和使用過程具有穩(wěn)定的光損耗特性，同時也可以提高和保證光纜有較 長的使用壽命。增加光纖余長的主要辦法其一是減小光纖在松套管中的分布節(jié)距、其 二是使用內(nèi)徑較大的松套管。減小光纖分布節(jié)距將大大減小光纖的彎曲半徑，當(dāng)環(huán)境 1 一 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 溫度降低時，光纖宏彎損耗增大，會導(dǎo)致光纖受壓力甚至斷纖；使用內(nèi)徑較大的松套 管會造成光纜的中，c , , j n 強件( f r p ) 和外徑增大，這樣就會使光纜承受更大的載荷，導(dǎo)致 芳綸用量增加，這又進一步增加光纜的外徑。所以，決不可一味地增加光纖余長，即 光纖余長設(shè)計時應(yīng)該處于一個合適的范圍，此于第二章中詳細論述。 a d s s 光纜最主要的承力元件是芳綸，要提高光纜的楊氏模量就必須增加芳綸的 用量，這樣確實是可以提高光纜的力學(xué)性能：但是，如上所述，增加芳綸用量直接導(dǎo) 致光纜的外徑增加，在同樣的使用環(huán)境下，光纜承受的等效載荷會直線增加，反過來 由于載荷的增加又要求芳綸用量進一步增加、光纜外徑增大。相對于光纜的各種組成 元件而言，芳綸的價格極其昂貴、是光纜成本的最重要部分，芳綸用量的增加將直接 導(dǎo)致光纜成本急劇增加。所以，亦不可一味提高光纜力學(xué)性能。 特種光纜的設(shè)計除在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有諸多要求外，由于相對于埋地式和架空式普通 光纜而言，其運行時承受的載荷比較特殊，而造成了a d s s 光纜的安裝、運行條件和 普通光纜有很大的不同，其中大跨距( 8 0 0 米甚至1 0 0 0 米以上跨b e ) 、惡劣的電場環(huán) 境( 2 2 0 千伏甚至5 0 0 千伏以上) 是其主要特征，要求光纜抗拉強度高、護套有耐電 腐蝕性能。因此，設(shè)計a d s s 光纜時必須考慮光纜運行的最惡劣環(huán)境條件，才能保證 光纜正常安裝和安全運行，在上述條件下，同時還必須保證特種光纜在各種極端氣象 條件( 最大敷冰、最大風(fēng)速、最高溫度、最低溫度) 下的安全運行。 就光纖傳輸性能和光纜的機械、力學(xué)性能而言，設(shè)計特種光纜必須遵守的基本原 則是：在保證光纖傳輸性能的前提下，盡可能減小纜徑和重量并獲得盡可能高的機械 強度。 由于a d s s 運行在高壓電場中，所以 除了機械和力學(xué)性能之外，a d s s 光纜的 電氣性能也是需要考慮的；當(dāng)a d s s 光纜 表面被臟污濕層覆蓋時，在光纜表面感應(yīng) 電壓作用下，沿光纜護套表面感應(yīng)電流( 即 泄漏電流) 增大，引起沿電流路徑發(fā)熱、 水分蒸發(fā)，在局部電流密度大的地方便先 o ( a d s s 懸掛點) u 為干燥帶兩端的電壓差 圖1 8 干帶電弧放電的基本過程 形成“干燥帶”，造成沿光纜表面電壓分布不均，引發(fā)“干帶電弧”放電，致使護套表 面過熱、局部炭化：最終導(dǎo)致光纜失效。圖1 8 示出了干帶電弧放電的基本過程1 2 0 ， 8 一 a d s $ 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 曲線l 是在于燥條件下a d s s 上感應(yīng)電壓沿跨距分布的情況。曲線2 是a d s s 在臟污 潮濕條件下感應(yīng)電壓分布情況。當(dāng)濕纜表面干燥帶形成時，干燥點附近靠跨距中央的 一側(cè)與跨距中央的感應(yīng)電壓相同( b 點) ，而靠向塔端一邊的電壓介于干纜與濕纜之間 ( 曲線3 ，a 點) ，結(jié)果在干燥點兩側(cè)出現(xiàn)電壓降u ，當(dāng)電壓降u 足夠大時，就會產(chǎn) 生電弧放電，造成光纜護套的損傷和破壞。 塔端附近光纜表面電流密度取決于感應(yīng)電壓的高低和濕污層電阻的大小。前者由 a d s s 安裝在輸電線塔架上的位置和輸電線的電壓等級決定，后者則由光纜安裝的大 氣環(huán)境決定。由于敷設(shè)地的氣象環(huán)境是不可以改變的，選擇低電壓等級、準確確定 a d s s 掛點是提高 a d s s 安全性的重 要方法。 綜上所述， a d s s 光纜設(shè)計時 必須考慮光纜的力 學(xué)、電學(xué)及光學(xué)三 方面的要求，主要 設(shè)計環(huán)節(jié)如圖1 - 9 所示。本文針對上 述主要設(shè)計環(huán)節(jié)， 在光纖余長的設(shè) 圖1 - 9a d s s 光纜設(shè)計中主要設(shè)計環(huán)節(jié) 計、纜芯設(shè)計、光纜適用溫度范圍的計算、光纜壽命的計算、力學(xué)性能設(shè)計以及芳綸 用量計算等光纜設(shè)計關(guān)鍵問題上進行了嚴格的推導(dǎo)和分析，從而完善了光纜設(shè)計的理 論基礎(chǔ)，并以此作為軟件設(shè)計依據(jù)，設(shè)計并實現(xiàn)了層絞式a d s s 光纜設(shè)計與分析軟件； 文中還就目前普遍存在的光纜電腐蝕問題，經(jīng)過實例分析，提出了多種解決方案，并 編制了電力線路電場計算程序，初步解決了a d s s 光纜在電力鐵塔上的掛點選擇問題。 1 2 3 特種光纜設(shè)計流程 通常運營商對特種光纜的定購有兩種方式2 7 】： a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析 緒論 1 、用戶不提供光纜的具體技術(shù)參數(shù)，只提供光纜敷設(shè)和運行條件，由制造商確定 光纜的結(jié)構(gòu)、尺寸及性能指標； 2 、用戶直接提出光纜韻具體技術(shù)參數(shù)，要求制造商提供滿足具體指標的光纜即 可。 總體而言，特種光纜設(shè)計的 設(shè)計流程如圖l 1 0 所示。 1 2 4 傳統(tǒng)設(shè)計方法存在 的問題與設(shè)計軟件現(xiàn)狀 因為a d s s 光纜的設(shè)計涉及 到光纖傳輸特性、光纜機械特性、 光纜氣象應(yīng)用條件等諸多因素， 而且相互之間關(guān)系復(fù)雜、計算量 大，給設(shè)計帶來了困難；正因如 圖1 1 0 特種光纜設(shè)計流程 此，傳統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)無法滿足實際需要。 就纜芯設(shè)計而言，傳統(tǒng)設(shè)計中，光纖余長合理范圍的確定、余長設(shè)計中應(yīng)注意的 問題、光纜的使用壽命和適用溫度范圍的確定等問題，主要依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗， 一直就是困擾工程技術(shù)人員的難題；而且由于在設(shè)計中過多的計算簡化，使得設(shè)計計 算不夠準確。諸如此類的問題，設(shè)計人員往往依靠設(shè)計和運行經(jīng)驗，這是不夠科學(xué)和 嚴謹?shù)?；同時，在客觀上影響到了設(shè)計質(zhì)量并影響到光纜的安全運行，為光纜的質(zhì)量 和使用壽命埋下了嚴重的隱患；進行準確地余長計算已經(jīng)成為纜芯設(shè)計的迫切要求。 除了纜芯設(shè)計外，a d s s 光纜的力學(xué)性能在傳統(tǒng)設(shè)計中也存在著諸多問題。由于 a d s s 跨距較大，材料的剛性對光纜的懸掛于空中的幾何形狀影響很小，所以可認為 是完全的柔索，其數(shù)學(xué)模型可以用架空懸鏈線方程加以描述。根據(jù)這一假定得出的結(jié) 論是：a d s s 光纜僅能承受軸向張力面不能承受彎曲力矩；其次纜上的載荷均指向纜 的切線方向，且沿纜線長度均勻分布【2 1 1 。 基于架空懸鏈線方程求解的復(fù)雜性及工程設(shè)計需要，電力工程高壓送電線路設(shè)計 手冊【2 1 中給出了簡化的求解模型( 圖1 - 1 1 ) ，且文獻1 9 】中給出了具體的推導(dǎo)過程，主 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析緒論 要求解式為1 2 式。 該模型假定微弧d s 一端水平夾角a 很小，近似認為c o s a = d x l d s “1 ，故d s “d x 最終在此條件下得到曲線方程： _iv。g：一x)(1-2)y 1 - 2 ) m ，2 。z 爿p j ”。 式中礦為光纜質(zhì)量( k g m ) ，h 為光纜各點水平張力( n ) 。 此方程實際 以一拋物線方程 近似真實情況下 的纜線懸掛曲 線。值得注意的 是所用到的簡化 條件僅在懸鏈線 陌、礦、i c ( 1 ， ，趴仉叭j 生7 7 互 o ， d ( l 2 - y ) ( b ) a d s s 光纜架設(shè)示意圖 ( a ) 光纜受力分析 圖1 - 11 簡化的架空線數(shù)學(xué)模型 底部的一定范圍內(nèi)誤差較小。隨著計算點遠離底部區(qū)，由于纜線斜率( a 角) 逐漸增大， c o s 口。1 的簡化條件不再滿足，誤差急劇增大以致計算結(jié)果不可用。因此，簡化條件 造成了該方程的適用范圍受到了限制。電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊 2 1 1 中也簡單提 及了架空懸鏈線的精確求解思路，但未給出求解方法，因而傳統(tǒng)設(shè)計中普遍采用上述 簡化模型求解架空懸鏈線問題。 傳統(tǒng)設(shè)計以上述模型為基礎(chǔ)推演出光纜的力學(xué)技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸及其敷設(shè)狀況 等a 由于簡化條件的適用范圍有限，所以導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果不夠準確、給光纜質(zhì)量和安全 運行帶來隱患，特別是當(dāng)跨距較大、有敷設(shè)高度差、對弧垂要求較為苛刻時上述模型 存在的問題已經(jīng)不容忽視：建立科學(xué)的、普遍的數(shù)學(xué)計算模型并利用該模型設(shè)計特種 光纜已經(jīng)迫在眉睫，也是各光纜設(shè)計者、使用者和各研究人員迫切需求。針對這一問 題，本文建立了更貼近實際的求解模型，并編制計算機程序進行數(shù)值求解，獲得了較 為準確的求解結(jié)果。 傳統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計人員主要靠設(shè)計經(jīng)驗確定a d s s 光纜的掛點，對掛點的電場分布 考慮不多或者電場計算不夠準確，成為a d s s 安全運行的重要隱患；準確計算輸電線 路周圍電場分布、合理選擇掛點成為a d s s 設(shè)計中的一個重要問題。建立a d s s 光纜 所在的輸電線路的電場計算模型、準確計算掛點的電場、合理選擇光纜掛點已經(jīng)成為 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析緒論 a d s s 光纜亟待解決的問題。 傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的主要問題如表1 一l 所示。 表1 1 傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的主要問題 傳統(tǒng)設(shè)計方法 存在的主要問題 1 光纖余長計算不夠精確； 2 光纖余長范圍不夠合理； 3 光纖彎曲半徑過大或者過小導(dǎo)致為彎和宏彎損耗； 纜芯設(shè)計4 光纖單元內(nèi)半徑計算模型過分簡化、計算不夠準確： 5 壽命確定依靠設(shè)計人員經(jīng)驗； 6 適用溫度范圍基本依靠估計； 7 整個設(shè)計過分依賴設(shè)計人員經(jīng)驗。 1 使用簡化的懸鏈線數(shù)學(xué)模型； 2 簡化的數(shù)學(xué)模型以一拋物線方程近似真契漪況下的纜線懸掛曲線。所用到的簡 化條件僅在懸鏈線底部的定范圍內(nèi)誤差較小。隨著計算點遠離底部區(qū)域，由 于纜線斜率逐漸增大。簡化條件不再滿足。誤差急劇增大以致計算結(jié)果不可用； 力學(xué)性能設(shè)計 3 計算條件簡化、計算模型不計及高差造成該方程的適用范圍受到了限制： 4 芳綸的用量計算不夠準確，過多或者過少： 5 由于就算不夠準確，設(shè)計光纜纜徑過大，給光纜的安全運行帶來隱患； 6 實際設(shè)計中，安全系數(shù)盲目放大，光纜芳綸用量太大，成本過高。 1 主要靠設(shè)計經(jīng)驗確定a d s s 光纜的掛點，對掛點的電場分布考慮不多或者電 電學(xué)性能設(shè)計 場計算不夠準確，成為a d s s 安全運行的重要隱患。 如上所述，傳統(tǒng)設(shè)計方法對于a d s s 光纜的設(shè)計而言計算模型主要基于設(shè)計人員 的經(jīng)驗、使用經(jīng)驗公式確定光纖余長；光纜架空模型基于簡化的二次曲線模型，不計 及高差。適用范圍有限：由于主要靠經(jīng)驗、采用手工計算，一方面計算量大、耗費大 量的人力物力，另一方面，由于數(shù)據(jù)量大、計算繁雜，極容易出現(xiàn)差錯，為特種光纜 的質(zhì)量安全運行帶來隱患；所以研制和開發(fā)a d s s 光纜設(shè)計與分析軟件對合理和優(yōu)化 a d s s 光纜設(shè)計具有特別重要的意義。 就光纜掛點而言，從已掌握的情況來看，國內(nèi)各大光纜生產(chǎn)公司使用的計算程序 主要基于d o s 環(huán)境，對于當(dāng)前普遍使用的w i n d o w s 操作系統(tǒng)存在一定的兼容性問題。 基于上述種種原因，本文在針對傳統(tǒng)設(shè)計中存在的問題并兼顧了光纜設(shè)計的特殊 性的基礎(chǔ)上使用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法，進行面向?qū)ο蟮脑O(shè)計，開發(fā)并實現(xiàn)特種光 纜輔助設(shè)計與分析軟件。 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析緒論 1 3 面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法 自從8 0 年代s m a l l t a l k 及其環(huán)境向計算機推行以來，面向?qū)ο蟮募夹g(shù)引起了計算 機界的極大關(guān)注，因為它對于軟件工程學(xué)瀕臨的困境和人工智能所遇到的障礙都是一 個極大的突破。作為一種新的軟件開發(fā)的方法論，面向?qū)ο蟮姆椒ㄕ撘呀?jīng)形成并得到 了長足的發(fā)展。 面向?qū)ο筌浖_發(fā)方法( o b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n t ) 又稱o o s d ，它的 組成類似于結(jié)構(gòu)化方法。o o s d 由面向?qū)ο蟮姆治? o o a ) 、面向?qū)ο笤O(shè)計( o o d ) 和面 向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計組成( o o p ) ，即：o o s d = o o a + o o d + o o p 。其開發(fā)順序是： o o a o o d - o o p 。 面向?qū)ο? o b j e c t o r i e n t e d ，簡稱o o ) 是一種對應(yīng)于真實世界概念化的抽象化思維 方法。面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是它自身的分類，而這種足夠適應(yīng)任何可能的擴充和 修正，在開發(fā)過程中結(jié)構(gòu)可以保持一致；開發(fā)過程中階段的改變，不需要方法或規(guī)范 的轉(zhuǎn)換，可以做到平滑的過渡。面向?qū)ο蟮拈_發(fā)，最大的優(yōu)點是幫助分析者、設(shè)計者 及用戶清楚地表達抽象概念，便于相互進行交流。 面向?qū)ο笫且环N新的方法論、是- 1 3 新的技術(shù)。由于o o 方法與現(xiàn)實世界有著自 然而直接的對應(yīng)關(guān)系，對象實現(xiàn)了功能與數(shù)據(jù)的密切結(jié)合，使得o o 技術(shù)展現(xiàn)了廣闊 的發(fā)展前景和強大的生命力。由于面向?qū)ο蠓椒ǖ膬?yōu)越性，使其己成為人們廣泛接受 的一種行之有效的手段，代表了現(xiàn)代軟件技術(shù)的主流。掌握面向?qū)ο髴?yīng)用程序的思想 和方法，并在開發(fā)過程中作必要而詳盡的文檔記錄是開發(fā)和維護面向?qū)ο髴?yīng)用程序的 關(guān)鍵。 面向?qū)ο蠓椒ㄒ詫ο笞鳛樽罨镜脑?，是分析問題、解決問題的核心。面向?qū)?象方法具有以下主要特點 2 2 1 ： 1 對象( o b j e c t ) 對象是0 0 方法的核心，是人們要進行研究的任何事物，對象不僅能表示結(jié)構(gòu)化 的數(shù)據(jù)，而且也能表示抽象的事件、規(guī)則以及復(fù)雜的工程實體，在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)中， 對象是一個封裝數(shù)據(jù)屬性和操作行為的實體。數(shù)據(jù)描述了對象的狀態(tài)，操作可操縱私 有數(shù)據(jù)，改變對象的狀態(tài)。當(dāng)其他對象向本對象發(fā)出消息，本對象響應(yīng)時，其操作才 得以實現(xiàn)。在對象內(nèi)的操作通常叫做方法。 a d s s 、o p g w 特種光纜計算機輔助設(shè)計與分析緒論 2 消息( m e s s a g e ) 對象之間進行通信構(gòu)造叫做消息。包含要求接受對象去執(zhí)行某些活動的信息。接 收到消息的對象經(jīng)過解釋，、然后予以響應(yīng)。這種通信機制叫做消息傳遞，發(fā)送消息的 對象不需要知道接受消息的對象如何對請求予以響應(yīng)。 3 類( c l a s s ) 類是方法和數(shù)據(jù)描述的一組對象的共同行為和屬性。類是在對象基礎(chǔ)上的抽象， 對象則是類的具體化。類可以有子類和父類形成層次結(jié)構(gòu)。 把一組對象的共同特性加以抽象并存儲在一個類中的能力是面向?qū)ο?