OPGW光缆蠕变问题分析

OPGW光缆蠕变问题分析
刘永花
北京邮电大学自动化学院，北京（100876）
E-mail：mygirlvicky@
摘要：本文首先介绍了OPGW光缆的常见结构，接着分析了OPGW光缆在常温下的典型蠕变曲线，最后用试验的方法得出OPGW蠕变方程，由此可推测OPGW光缆在使用10年或20年后的蠕变，这对OPGW光缆的设计和安全使用具有重要意义。

关键词：OPGW，蠕变，试验
引言
进入2006年，随着“十一五”电网发展规划的出台，国家电网建设加快了步伐，OPGW （光纤复合地线）光缆作为电力系统线路通信发展的方向，得到了新一轮大规模使用。

据初步统计，仅2006年上半年，国内OPGW光缆需求达25000公里，比去年同期增长47％。

OPGW光缆挂设在电力杆塔上，受到自载、敷设、风载、冰载等外界环境因素作用，将发生伸长。

这种在恒定的张力作用下，即使受力大小处于弹性变形的范围内，随着时间的增长而产生的永久变形称为蠕变伸长。

OPGW光缆蠕变效应使跨距内的弧垂变大；弧垂变大会减少地线和导线之间的距离，减少有效范围甚至造成导地线相接。

此外，光缆蠕变可能导致光纤由于机械疲劳而断裂，也可表现为衰减的增加。

而在OPGW光缆的使用中一旦地线功能或光纤通信功能丧失，可能会造成巨大的停电损失和影响，还会危及电网的安全稳定运行。

OPGW光缆的应用越来越多，其蠕变问题也是工程设计中不容忽视的重要问题，不过目前深入研究的资料较少，本文将对此进行探讨。

1. OPGW光缆的结构
OPGW光缆的基本结构包括中心光单元（光纤、保护膏）和地线单元（铝合金绞线、铝包钢绞线、钢芯铝合金绞线和铝包钢芯铝合金绞线）。

其中，光纤提供了传输通道，钢成份主要提供了机械强度，铝成份则主要承载短路电流。

常见的OPGW光缆结构如图1所示。

- 1 -
图1 常见的 OPGW结构图
从OPGW光缆的结构来看，其蠕变特性来自于地线单元。

因此本文着重研究金属材料的蠕变性质。

2. OPGW常温蠕变曲线分析
2.1金属材料的蠕变现象
当材料在高于一定温度下受到应力作用时，即使应力小于屈服强度，但随着时间的延长也会缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变，金属材料的蠕变速率一般在10-6-10-4／小时。

对于不同的材料发生蠕变温度不同，高分子材料通常在室温下就存在蠕变现象，金属材料产生蠕变的温度要高一些。

蠕变过程可用蠕变曲线来描述。

蠕变曲线是材料在一定温度和应力作用下，伸长率随时间变化的曲线，典型的金属蠕变曲线见图2。

图中曲线A、B分别表示常温和高温下金属蠕变曲线。

图中ε1为瞬时应变，是由外加载荷引起的一般形变过程。

在应力保持不变的条件下，应变随时间而逐渐增加，一直增加到一个近似稳定的值ε2。

在蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速度。

按照蠕变速度的变化，可将蠕变曲线分成三段。

t1段为第一阶段，是减速蠕变阶段；t2为恒速蠕变阶段。

一般指的蠕变速率就是这一阶段曲线的斜率。

t3是加速蠕变阶段，这一阶段由于试样出现颈缩或材料内部产生空洞、裂纹等，使蠕变速率急剧增加，直至最后断裂。

同一材料蠕变曲线形状与温度高低与应力大小有很大关系，显然，温度高、应力大，蠕变速率增加，蠕变第三阶段提前。

- 2 -
时间t 蠕变应变ε
ε1
ε2
图2 典型的金属蠕变曲线 OPGW 光缆的蠕变是在长期使用中常温状态下发生的，因此本文着重研究图2中曲线A 。

曲线B 的研究请参考高温下金属蠕变属性，这方面的研究比较丰富。

2.2蠕变曲线A
在不同的应力和温度下进行蠕变实验得到的蠕变曲线是不一样的，因此当用适当的公式来描述蠕变曲线的基本形状时，应考虑应力和温度的影响。

在这方面，人们进行了许多努力。

其中一个精确描述许多结果的较早关系式是Andrade 公式 [1] 。

ε＝ε 0（1+β t 1/3）e k t （2-1） 式中ε为时刻t 时试件的延伸率；ε0、β、k 均为常数。

公式（2-1）表示两种变形对试件长度增加的作用。

第一种，K=0时的β变形表示为： ε＝ε 0（1+β t 1/3）e k t （2-2） 这种作用随时间迅速地减弱，它描述第一阶段蠕变。

第二种，β=0时的K 变形表示为： ε＝ε 0 e k t （2-3） 蠕变分量K 表示相应于第二阶段蠕变的一个恒定速率过程。

许多金属的低温蠕变性能说明，用来拟合蠕变曲线的任何方程，都不适用于整个实验范围。

Wyatt 在77～443K 的温度范围里进行了多晶体铜的蠕变实验 [2] 。

他发现，低温时蠕变对数关系式成立，但温度较高时就不再合适，因此，他提出了一个三项式代数式：
ε＝a log （t ） + b t n + c t （2-4） 式中a 、b 、c 都是常数，n ≈1/3。

公式（2-4）有3个不同类项，即对数项、指数项和一次代数项，这意味着用数学方法描述所观察的金属蠕变性能，灵活性很大。

- 3 -
2.3 小结
本文在前面列举了几个蠕变公式，然而，这些公式都是经验公式，而不是由蠕变过程的任何正规模型得到的。

目前业内关于OPGW蠕变习惯使用的公式是
ε＝A t B（2-5）这个公式与实际情况比较吻合，当然不同材质、不同结构的OPGW其系数A、B也不同。

一旦得到A、B值，就可以给定任何一个时间值t，求得其相应应变。

据此可推算10年、20年甚至更多年后OPGW蠕变值，进而求得弧垂值。

这对于OPGW光缆的结构设计具有重要意义。

下面本文将详细论述如何通过试验手段准确求得某一种OPGW的蠕变系数A和B。

3. OPGW光缆蠕变性能的试验
根据国际国内关于OPGW蠕变试验标准的规定[3][4], 我国目前习惯上取OPGW在25％RTS张力下持续1000小时产生的蠕变量作为线路设计计算的标准。

美国、加拿大等国家规定相应于气温15.6℃时的导线运行张力下，持续作用10年时间所产生的蠕变量，以此作为线路设计计算的标准。

值得引起注意的动向是：目前国网公司对于大截面导线要求取得15％RTS、25％RTS、35％RTS 张力下持续1000小时产生的蠕变数据，分别针对放线张力、年平均运行张力、紧线张力状况。

常用的试验方法是将至少10米样品用耐张线夹固定于蠕变机上，实验室温度湿度保持恒定，用感应测试装置测量蠕变伸长，拉力（通常为20～25％RTS张力）保持恒定，测试1000小时，记录有效数据。

试验时，首先测试第一个小时时刻的蠕变应变，记录其数据为ε0。

从公式2-5看出，当t＝1时，A＝ε＝ε0，故得到第一小时的ε0值，即可得到A值。

在公式2-5两边取对数，得：
ln（ε）＝ln（A）+ B ln（t）（3-1）令y＝ln（ε），x＝ln（t），代入A＝ε0，公式3-1可转化为：
y＝B x + ln（ε0）（3-2）可以看出此时y与x成线性关系，即蠕变应变（ε）及张力作用时间（t），两者的对数值成直线关系，如图3所示，而B值为直线的斜率，所以在测量出1000个小时的数据后，可描出该直线，计算直线斜率即可得到B值。

- 4 -
时间ln(t)
图3 OPGW光缆蠕变试验曲线
由此，通过试验，A、B值都可以求出。

本实验室（北京邮电大学华飞研究所）已经据此原理设计制造出OPGW光缆蠕变检定试验机，经过多次测量，可比较准确地得到各种OPGW光缆的蠕变属性。

4. 结束语
本文叙述了外界因素在理想状态下，OPGW光缆蠕变的性质，在实际应用中，蠕变是和其它机械性能相互作用的，综合考虑这些因素，能够更深入地研究蠕变性能。

参考文献
[1] ANDRADE. E.N.DAC，Rroc.R.Soc，1910，A84，1
[2] WYATT/O.H， Proc.Phys.Soc.Lond，1953，B66，495
[3] IEEE std 1138-1994，电力输电线用光纤复合架空地线（OPGW）
[4] IEC 60794-4（第2版），光缆第4部分：分规范-电力输电线用架空光缆
Analysis on Problems in Creep of OPGW
Liu Yong hua
School of Automation，Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing(100876)
Abstract
This paper introduces the basic structure of OPGW. After that it analyses a typical creep curve of OPGW under the normal temperature. At last a constructive formula has been deduced and utilized to evaluate how much the creep rate will become after the OPGW used at a given time such as 10 years, 20 years, etc. It will help the structure design and application of OPGW for more safe.
Keywords: OPGW, Creep, Test
作者简介：刘永花（1977-），女，北邮硕士，主要研究方向为机电一体化及多媒体应用
- 5 -。