专利名称：：光纤复合架空地线(opgw)实验室模拟覆冰试验方法
技术领域：
：本发明属于电力系统通信
技术领域：
，具体涉及一种电力特种光缆光纤复合架空地线(0PGW)的实验室模拟覆冰试验方法。
背景技术：
：2008年1月至2月初，我国南方大部分地区相继出现了持续的大范围灾害性冰雪天气，此次雨雪冰冻天气过程影响范围广、强度大、持续时间长、涉及面广、危害程度大，很多地区超过50年一遇，部分地区超过100年一遇，属历史罕见，给这些地区的交通、电力、通信和人民生活带来了严重影响。此次冰冻灾害尤其对我国西南、华中、华东地区的电网造成了重大危害，其中湖南、浙江、江西电网受损尤为严重。由于输电线路覆冰严重，导致多条输电线路铁塔、导线、绝缘子、光缆、金具等遭到不同程度的损坏，而作为我国电力系统通信主要传输介质的光缆，也遭受了重大损失。光缆的受损直接影响了电力系统通信，进而影响电力系统的安全运行。虽然目前大部分受损线路已经得到修复，但对于今后的改造线路和新建线路，仍然存在许多问题有待研究和解决。光纤复合架空地线(0PGW)覆冰(尤其是重覆冰)前后性能的变化、潜在的隐患及其对光缆线路运行影响很大，详细研究在国内外未见报道，尤其是光纤复合架空地线(0PGW)在电力系统中的应用越来越广泛，普通地区0PGW的产品性能检测已经包含了如几何尺寸、传输性能、机械性能、环境性能、电气性能等诸多方面，通过这些测试已经完全能够掌握样品的基本特性，可以保证0PGW的产品质量，而行业标准中规定的常规质量测试项目，已经不能满足严重自然灾害情况(如覆冰等)下的要求。目前国内外也未发现可供实际操作的覆冰状态下光缆的技术指标与要求，也没有建立相应的试验环境与方法进行测试研究，面对自然界覆冰灾害时，难以提出有效可行的综合解决方案。因此，相关研究内容及测试技术需要进一步完善，以便指导工程实际应用。
发明内容本发明的目的是为了解决重覆冰地区光缆工程应用存在的问题，提出了一种光纤复合架空地线(0PGW)实验室模拟覆冰试验方法，该方法可以在实验室模拟测试运行线路在各种覆冰厚度状态下的性能变化。该方法利用实验室覆冰模拟试验系统，对覆冰条件下0PGW的电气、通信、机械性能进行实验对比研究，主要对不同结构、不同型号(不同技术参数)、不同材料等的0PGW进行耐雷击、短路电流、衰减、抗拉性能、应力应变等项试验研究，再通过分析试验数据确定0PGW抵御覆冰灾害的综合解决方案。本发明的一种光纤复合架空地线(0PGW)实验室模拟覆冰试验方法，包括以下步骤第一步根据光缆型号及模拟覆冰的厚度，计算覆冰的重量ff=Ji(R2-r2)dl其中R-—覆冰后的0PGW半径r-—光缆的半径d——冰的比重0.9克/立方厘米1-—光缆长度W-—冰的重量31——3.14第二步将光缆以16%RTS的初始张力固定在拉力机上，光缆长度大于100米，光缆样品的有效试验长度不小于25米；第三步将光缆中的至少6根光纤串接，使光纤长度大于500米，然后接在光时域反射仪上，监测随覆冰厚度的增加光纤衰减的变化；第四步根据拉力机两端金具固定端中间所述光缆的有效试验长度，换算线路实际档距和覆冰厚度对应的实验室条件下需要覆模拟冰的重量和拉力值。计算过程如下利用悬链线方程式中，a为引进参数，是光缆水平张力H与单位自重W的比值，ch(x)为双曲余弦函数；光缆自然悬挂状态下，令t=1/a，悬链线方程得关于t的关系式式中，1为相邻两杆塔的水平距离，单位为m;yA为光缆左边挂点A离最低点的垂直距离，单位为m;yB为光缆右边挂点B离最低点的垂直距离，单位为m，用牛顿法解上述关系式，得出参数t，推出参数a，再由参数a和光缆长度与伸长的关系式得出光缆的原长Lo，此原长Lo作为覆冰计算的初始条件；覆冰后，缆的张力、伸长及悬挂缆总长都会变化，重新达到另一平衡，如式Lo=L2-e2,Lo为自然悬垂下得到的悬挂光缆的原长，为已知条件，L2和e2均用含参数a'的表达式表示，其中a'为覆冰所引起的变化了的参数a，得出关系式式中，Y3为光缆的覆冰荷载，单位为N/mmm2y3=YY2其中，式中m为光缆自重，单位为kg/km。S-光缆截面积，单位为式中，b为冰厚，单位为mm；D为光缆外径，单位为mm，Sg-重力常数，取值为9.8N/kg；S-光缆截面积，单位为mm2；对上式用牛顿法解出参数a'，把a‘代入关系式1A—光缆左边挂点A离最低点的水平距离，单位为m；1B—光缆右边挂点B离最低点的水平距离，单位为m；从而得到光缆所受最大张力值等参数；第五步把计算得到的覆模拟冰重量分多次均勻覆在光缆上，每次间隔1至2小时，覆重时主要考虑光缆弧垂不要太大，以免碰到地上，然后加拉力到计算值，最终使其达到实际档距长度和实际覆冰厚度的模拟状态，记录覆冰前后光纤衰减性能测试结果；第六步利用此覆冰后的光缆可以继续做光纤复合架空地线(0PGW)行业标准中规定的抗拉性能、应力应变、雷击和短路电流等光缆覆冰后各项性能试验。其中，所述第五步中把计算得到的覆模拟冰重量分3-10次均勻覆在光缆上。其中，所述第五步中覆模拟冰时间为48小时以上。本发明技术方案的主要特点就是利用实验室现有的拉力装置，将覆重转换为拉力值，使光缆样品即受到纵向的覆重，又受到横向的拉力，不需要在室外架设长距离杆塔，只需正确计算需要模拟的实际线路档距、覆冰厚度等条件对应的实验室覆重和拉力值即可。本发明的有益效果是本发明的方法是在实验室条件下最为简捷的方案，不需要实际喷淋水雾和低温环境形成真正的覆冰，可以减小试验空间，设备简单、时间易于控制，通过换算可以模拟大档距实际线路情况，大大降低试验成本及试验难度。并且这种方案经过试验对比证明是非常行之有效的。下面结合附图对本发明进一步说明。图1是本发明中示例的0PGW结构示意图；图2是光缆模拟400米档距40mm覆冰厚度96h光纤衰减变化折线图和光缆模拟400米档距40mm覆冰厚度96h光纤衰减随时间变化折线图；图3是光缆覆冰后60%RTS应力应变试验结果的应变曲线示意图；图4是依据本发明的方法的流程图。具体实施例方式首先利用覆冰实验室喷淋冰冻方式，对0PGW进行覆冰试验，模拟称出自然界覆冰不同厚度情况下的冰重数据，并与理论计算进行对比。覆冰计算值与实际值校验(1)对未覆冰的0PGW称重对长度为120cm的光缆样品进行称重，重量为795g。(2)对覆冰的0PGW重量称重对长度为120cm的光缆，覆冰长度为90cm进行称重，重量为1580g。(3)对0PGW的直径和覆冰后的外径进行测量通过卡尺测量0PGW直径为15.2mm,覆冰后的外径为37mm。(4)0PGW覆冰的冰重量0PGW覆冰的冰重量等于长度为120cm的光缆覆冰长度为90cm的总重量减去未覆冰长度为120cm的0PGW重量1580g-795g=785g(5)计算冰的重量ff=Ji(R2-r2)dlR-—覆冰后的样品半径r-—0PGW的半径d——冰的比重0.9g/cm31-—覆冰长度ff=(1.852-0.762)*3.14*90*0.9=724g(6)比重为0.9g/cm3实际覆冰值与计算覆冰值之差785-724=61g由于实际线路0PGW覆冰为混合淞，混合淞比重为0.6g/cm3—0.9g/cm3,实际冰重785g对应比重为0.83g/cm3，与计算值相差不大，同时，实验室应在最为严格情况下考查光缆的覆冰状态，故覆冰试验中覆冰重量选择计算覆冰值。具体实施步骤如下第一步根据光缆型号及模拟覆冰的厚度，计算覆冰的重量ff=Ji(R2-r2)dlR-—覆冰后的0PGW半径r-—光缆的半径d——冰的比重0.9克/立方厘米1-—光缆长度W-—冰的重量Ji——3.14第二步将光缆以16%RTS的初始张力固定在拉力机上，光缆长度100米，样品有效试验长度不小于25米。第三步将光缆中的至少6根光纤串接，使光纤长度大于500米。然后接在光时域反射仪上，监测随覆冰厚度的增加光纤衰减的变化。第四步根据拉力机两端金具固定端中间有效试验长度，换算线路实际档距和覆冰厚度对应的实验室条件下需覆模拟冰的重量和拉力值，其中实际计算过程参照中国专利申请200910092540.6。第五步把计算覆模拟冰重量分3至4次均勻覆在光缆上，每次间隔1至2小时，覆重时主要考虑光缆弧垂不要太大，以免碰到地上，然后加拉力到计算值，最终使其达到实际档距长度和实际覆冰厚度的模拟状态，覆模拟冰时间96小时。记录覆冰前后光纤衰减性能测试结果。第六步利用此覆冰后的光缆可以继续做0PGW行业标准中规定的抗拉性能、应力应变、雷击、短路电流等光缆覆冰后各项性能试验。下面以0PGW-24Bl-89[74.2；50.3]为例，给出40mm覆冰厚度情况下采用本发明进行的试验。0PGW结构如图1所示，光缆直径12.6mm,中心为一根2.6mm直径的铝包钢线，第一层为5根2.5mm直径的铝包钢线加一根2.5mm直径的不锈钢管光单元，第二层为12根2.5mm直径的铝包钢线，其具体技术参数见表1。表10PGW技术参数表将100米长的光缆中的6根光纤串接，然后接在光时域反射仪上，监测光纤随覆冰厚度的增加衰减的变化。先在拉力机上(档距为25米)覆上一定的模拟冰，同时施加拉力，使其达到档距为400米，覆冰厚度为40mm的模拟状态，覆冰时间96小时。具体覆冰厚度对应力值见表2，试验模拟实际400米档距40mm覆冰厚度情况下，对应实验室25米有效光缆试验长度所等效的覆冰厚度为175mm，对应力值为66.72kN(90%RTS)，对应覆冰重量92.83kN。覆冰前后光纤衰减性能测试结果见表3，分别记录了覆冰时间及对应的状态下波长为1310nm和1550nm的光纤衰减性能。覆冰后光纤衰减变化增大，覆冰96小时后去掉覆冰，光纤衰减没有恢复到初始状态，与初始状态相比增大了约30%，如图2所示，覆冰96小时后与初始状态相比，在1310mm和1550mm波长下衰减均增大了，因此，此型式光缆在400米档距覆冰厚度40mm情况下性能受到影响，同时导致光纤的传输质量下降。应力应变试验中覆冰后光纤衰减变化较大，图3为光缆覆冰后应力应变试验结果，图中，横坐标为光缆所受拉力值(单位N)；上图纵坐标为衰减(单位dB)，下图纵坐标为光纤应变(单位％)。可以看出衰减变化大于0.08，超出标准要求。拉断试验满足电力行业标准要求，抗拉性能没有降低。表2模拟400米档距40mm覆冰对应参数值表3覆冰前后0PGW衰减性能测试结果(G.652)此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。权利要求一种光纤复合架空地线(OPGW)实验室模拟覆冰试验方法，包括以下步骤第一步根据光缆型号及模拟覆冰的厚度，计算覆冰的重量W＝π(R2-r2)dl其中R---覆冰后的OPGW半径r---光缆的半径d----冰的比重0.9克/立方厘米l---光缆长度W---冰的重量π----3.14第二步将光缆以16％RTS的初始张力固定在拉力机上，光缆长度大于100米，光缆样品的有效试验长度不小于25米；第三步将光缆中的至少6根光纤串接，使光纤长度大于500米，然后接在光时域反射仪上，监测随覆冰厚度的增加光纤衰减的变化；第四步根据拉力机两端金具固定端中间所述光缆的有效试验长度，换算线路实际档距和覆冰厚度对应的实验室条件下需要覆模拟冰的重量和拉力值。计算过程如下利用悬链线方程<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ch</mi><mfrac><mi>x</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中，a为引进参数，是光缆水平张力H与单位自重W的比值，ch(x)为双曲余弦函数；光缆自然悬挂状态下，令t＝1/a，悬链线方程得关于t的关系式<mrow><mi>tl</mi><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn></msqrt><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn></msqrt><mo>)</mo></mrow></mrow>式中，l为相邻两杆塔的水平距离，单位为m；yA为光缆左边挂点A离最低点的垂直距离，单位为m；yB为光缆右边挂点B离最低点的垂直距离，单位为m，用牛顿法解上述关系式，得出参数t，推出参数a，再由参数a和光缆长度与伸长的关系式得出光缆的原长Lo，此原长Lo作为覆冰计算的初始条件；覆冰后，缆的张力、伸长及悬挂缆总长都会变化，重新达到另一平衡，如式Lo＝L2-e2，Lo为自然悬垂下得到的悬挂光缆的原长，为已知条件，L2和e2均用含参数a′的表达式表示，其中a′为覆冰所引起的变化了的参数a，得出关系式<mrow><mi>Lo</mi><mo>=</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><mi>sh</mi><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>-</mo><mfrac><mrow><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><msub><mi>γ</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mi>E</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>l</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mrow></mfrac><mo>·</mo><mi>coth</mi><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></mfrac><mo>·</mo><mi>sh</mi><mfrac><mi>l</mi><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow>式中，γ3为光缆的覆冰荷载，单位为N/m·mm2γ3＝γ1+γ2其中，式中m为光缆自重，单位为kg/km。S-光缆截面积，单位为mm2；式中，b为冰厚，单位为mm；D为光缆外径，单位为mm，g-重力常数，取值为9.8N/kg；S-光缆截面积，单位为mm2；对上式用牛顿法解出参数a′，把a‘代入关系式<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>T</mi><mi>max</mi></msub><mo>=</mo><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><msub><mi>γ</mi><mn>3</mn></msub><mo>·</mo><mi>S</mi><mo>·</mo><mi>cosh</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>l</mi><mi>B</mi></msub><mo>/</mo><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>T</mi><mi>max</mi></msub><mo>=</mo><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><msub><mi>γ</mi><mn>3</mn></msub><mo>·</mo><mi>S</mi><mo>·</mo><mi>cosh</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>l</mi><mi>A</mi></msub><mo>/</mo><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced>lA——光缆左边挂点A离最低点的水平距离，单位为m；lB——光缆右边挂点B离最低点的水平距离，单位为m；从而得到光缆所受最大张力值等参数；第五步把计算得到的覆模拟冰重量分多次均匀覆在光缆上，每次间隔1至2小时，覆重时主要考虑光缆弧垂不要太大，以免碰到地上，然后加拉力到计算值，最终使其达到实际档距长度和实际覆冰厚度的模拟状态，记录覆冰前后光纤衰减性能测试结果；第六步利用此覆冰后的光缆可以继续做光纤复合架空地线(OPGW)行业标准中规定的抗拉性能、应力应变、雷击和短路电流等光缆覆冰后各项性能试验。FSA00000111649700021.tif,FSA00000111649700022.tif2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述第五步中把计算得到的覆模拟冰重量分3-10次均勻覆在光缆上。3.如权利要求1-2所述的方法，其特征在于所述第五步中覆模拟冰时间为48小时以上。全文摘要本发明属于电力系统通信
技术领域：
，涉及一种光纤复合架空地线(OPGW)实验室模拟覆冰试验方法，该方法可以在实验室模拟测试运行线路在各种覆冰厚度状态下的性能变化。该方法利用实验室覆冰模拟试验系统，对覆冰条件下OPGW的电气、通信、机械性能进行实验对比研究，主要对不同结构、不同型号、不同技术参数、不同材料等的OPGW进行耐雷击、短路电流、衰减、抗拉性能、应力应变等项试验研究，再通过分析试验数据确定OPGW抵御覆冰灾害的综合解决方案。文档编号G01N3/08GK101858945SQ201010163169公开日2010年10月13日申请日期2010年4月29日优先权日2010年4月29日发明者戚力彦,赵大平,陈希申请人:中国电力科学研究院