OPGW光缆覆冰成因浅析

OPGW光缆覆冰成因浅析

汤玮

（贵州电网有限责任公司电力调度控制中心贵州贵阳550002）

摘要：OPGW光缆覆冰是受微地形、微气象和温湿度、冷暖空气对流、环流以及风速等因素共同影响而产生的综合物理现象。文章从电力系统和气象学角度的角度分析了OPGW光缆覆冰的成因及相关影响因素。

关键词：OPGW光缆；覆冰；气象条件

一、引言

通信系统已成为现代电网的重要组成部分，随着电网的不断发展，电力系统对电力通信提出了更高的要求。OPGW光缆既有光纤通信的功能又有架空地线的作用，因此在输电线路上得到了广泛的应用。但随着OPGW光缆运行时间的增加和应用范围扩大，也逐步暴露一些问题，如覆冰断线。由于OPGW光缆尚不具备导线较为成熟的融冰技术，OPGW光缆重覆冰的后果极为严重：①因覆冰导致光缆承受的拉力远超过设计值而被直接拉断，引起线路跳闸或杆塔受到不平衡张力引起塔头折断或倒塔等；②因覆冰导致光缆被拉伸过度而造成内部纤芯有断点，影响传输质量；③因覆冰光缆发生严重舞动，导致OPGW光缆与导线间的距离小于安全距离，产生多次放电并产生高温电弧，使得OPGW光缆外层单丝熔断，其余股线不足以承受张力，最终断线[1]。因此，对于OPGW光缆覆冰成因的研究非常重要。

二、OPGW光缆覆冰分类

OPGW光缆覆冰是受多种因素影响而产生的综合物理现象，包括微地形、微气象及冷暖空气对流、环流、温度、湿度以及风等因素。按OPGW光缆覆冰的表观特性分类，可分为雨凇、粒状雾凇、晶状雾凇、湿雪、混合凇，其具体特点及成因如下：

1.雨凇

雨凇外观呈透明玻璃体，密度约为0.6-0.9g•cm-3，其坚硬、不易脱落。在雪花或冻雨与OPGW光缆相碰或接触时在其表面形成水层，水层冻结后形成雨凇。

2.粒状雾凇

粒状雾凇呈乳白色不透明体，密度约为0.1-0.3g•cm-3，其含有气隙，疏松较脆，无定形状。过冷却雾滴碰到冷的OPGW光缆表面后迅速冻结成粒状的小冰块而形成粒状雾凇。

3.晶状雾凇

晶状雾凇呈白色结晶状，密度约为0.01-0.08g•cm-3，其空气泡较多，疏松且软，容易脱落。雾滴蒸发时产生的水汽在OPGW光缆表面凝华而形成的晶状雾凇

4.湿雪

湿雪呈乳白色或灰白色状，密度约为0.1-0.7g•cm-3，其质地较软。冻结的雪片，在降落过程中，通过一段温暖层后，雪片趋于潮湿、融化，然后冻结较冷的OPGW光缆表面，当气温进一步降低时将变成坚硬的冰冻体。

5.混合淞

混合淞呈乳白色，密度约为0.2-0.7g•cm-3，其体大、气隙较多，是雨凇和雾凇交替冻结在OPGW光缆上而成的。

三、OPGW光缆覆冰的必要气象条件

OPGW光缆表面形成覆冰，有以下几个必要的气象条件需要同时满足[2]：（1）气温及OPGW光缆表面温度同时达到0℃以下；（2）空气湿度大于85%；（3）大于1m/s的风速。

风使得空气中过冷却的水滴发生运动，并与OPGW光缆碰撞后被捕获于光缆表面，低温使得水滴冻结，从而在OPGW光缆表面形成覆冰。相关研究表明，当空气的相对湿度教小，且无风或风速很小时，即使空气温度在0℃以下，OPGW光缆上也基本不会覆冰。但在贵州大部分地区都有覆冰气象必要条件，且覆冰厚度可达3mm以上，因而OPGW光缆都有可能产生覆冰从而导致故障产生。

四、OPGW光缆覆冰的形成过程及影响因素

通常情况下，OPGW光缆覆冰的过程通常为：当温度为-5℃～0℃，风速为3～15m/s时，（1）若遇毛毛雨或雾，雨凇将首先在OPGW光缆上形成；（2）若天气继续变冷，气温骤然下降，且出现雨雪天气，冻雨和雪则会在黏结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，形成密度大于0.6g/cm3的较厚冰层；（3）若温度持续下降至-15℃～-8℃，则会在原有的冰层外侧积覆雾凇。这种过程将会使OPGW光缆表面形成雨凇、混合凇、雾凇的复合冰层。在以上（1）-（3）的过程中，如天气发生变化，多次出现晴转冷天气，那么覆冰的密度会因部分融化而加强，如此往复发展，将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。若（1）-（3）过程中气温持续升高，则覆冰过程终止。

OPGW光缆覆冰的形状各不相同，如椭圆形、圆形、松针状等。OPGW光缆覆冰首先生长在迎风面上，若风向未发生急剧变化，则在迎风面上覆冰的厚度就会继续增加。当迎风面覆冰达到一定厚度时，覆冰重量足以使OPGW光缆扭转时，OPGW光缆将发生扭转；OPGW光缆再扭转时，覆冰就会持续生长，最终在OPGW光缆上形成椭圆形或圆形覆冰。

OPGW光缆覆冰影响因素可以概况为以下四个方面：

1.高度的影响

（1）海拔高度的影响。就同一地区来说，一般海拔高度越高，越易覆冰，覆冰也越厚，且多为雾凇；海拔高度较低处，冰层厚度较薄，多为雨凇或混合淞。

（2）覆冰发生的凝结高度。每个地区都有一个起始结冰的海拔高度，即凝结高度。每个地区都有凝结高度，凝结高度是随着不同的地面温度和露点而变化的，常用海宁公式计算，即：

（4-1）

其中，H为凝结高度，是以地面为基准的起始高度，单位为米（m）；T为地面温度，单位为摄氏度（℃）；为地面露点，是空气达到饱和时的温度，单位为摄氏度（℃）。

在我国，OPGW光缆的覆冰分布特点可以描述为：西高东低，北高南低。在凝结高度以上，随着高度的增加，覆冰厚度也随之增加。

（3）OPGW光缆悬挂高度对覆冰的影响。OPGW光缆悬挂高度越高，则覆冰越严重，因为空气中液水含量随高度的增加而升高。风速越大、液水含量越高，单位时间内向OPGW光缆输送的水滴越多，覆冰也越严重。

2.地理环境的影响

在受风条件较好的突出地形或空气中水分较充足的地区，如迎风坡、湖泊、山顶、云雾环绕的山腰等处，其覆冰程度也比较严重。

3.OPGW光缆的走向影响

OPGW光缆覆冰与线路走向有关[3]，在冬季覆冰天气风向多为北风或西北风，OPGW光缆为南北走向时，导线轴线与风向基本平行，这就使得在单位时间、单位面积内，输送到OPGW光缆上的水滴及雾粒比东西走向的导线少得多。OPGW光缆为东西走向时，OPGW光缆与风约成90°的夹角，从而使OPGW光缆覆冰最为严重。因此，在严重覆冰地区选择线路走廊时[4]，应尽量避免线路东西走向。东西走向的OPGW光缆不仅覆冰严重，而且东西走向的OPGW光缆容易产生不均匀覆冰，不均匀覆冰可能会诱发覆冰舞动。

4.OPGW光缆本身影响

（1）OPGW光缆刚度[5]。OPGW光缆覆冰时总是在迎风面上首先出现新月形或扇形积冰，产生偏心荷重，对OPGW光缆施以扭矩，迫使光缆出现扭转，让未覆冰或覆冰较少的表面对准风向，继续覆冰。OPGW光缆的刚度大小决定其抗扭转的性能。OPGW光缆刚度越小，OPGW光缆的扭转越大，覆冰进一步增加。由于OPGW光缆在扭矩作用下的扭转角度与成比例，其中为档距长度，为OPGW光缆直径，故档距较长，直径较细的OPGW光缆容易扭转，便于覆冰分布于导线的各个侧面上，形成圆形或椭圆形覆冰。

（2）OPGW光缆直径。OPGW光缆的直径除了影响刚度外，还影响着过冷却水滴能够达到OPGW光缆表面的有效空气层的厚度。在常见风速（8m/s）以下，对直径不太大的导OPGW光缆（40mm直径以下），实验数据表明，较粗的OPGW光缆覆冰量重于较细的OPGW光缆。当导线直径超过40mm时，随着直径的增加，覆冰量反而减小。当风速大于8m/s时，OPGW光缆越粗则覆冰量越大。

参考文献

[1]冀晋川，高义斌.OPGW覆冰断线原因分析[J].华北电力技术，2008(7):15-17．

[2]谭冠日.电线结冰的若干小气候特征的探讨[J].气象学报，1982.

[3]全介质自承式光缆（ADSS）风摆的研究[C].北京：中国电力科学研究院，2002.

[4]蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社，2002.

[5]刘和云.架空导线覆冰防冰的理论与应用[M].北京:中国铁道出版社，2001.金迦勒.