引用本文:

许刚,马良,葛维春,等:光纤复合低压电缆宏弯损耗与高温热致损耗[J]. 光通信技术,2019,43(3):18-22.

光纤复合低压电缆宏弯损耗与高温热致损耗

许 刚1,马 良1,葛维春2,徐 晨3,罗桓桓2,陈晓阳3

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院,北京 102206; 2.国网辽宁省电力有限公司,沈阳 110003;3.上海电缆研究所有限公司,上海 200433)

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摘要:针对光纤复合低压电缆(OPLC)存在机械弯曲与短路故障的问题,研究宏弯与暂态高温对OPLC传输损耗的影响。综合考虑OPLC温度场分布、光纤单元弯曲损耗特性及其在高温下的应力场分布特性,建立多物理场耦合环境下的OPLC宏弯损耗与高温热致损耗数学模型,并采用有限元分析方法对宏弯与热致损耗分别进行仿真。结果表明:在稳定运行状态下,OPLC的传输损耗随弯曲半径的减小而增大,在达到临界半径之后急剧增加;在短路故障状态下,随着OPLC温度的升高,光纤单元由于高温及应力差引起的微小形变使得传输损耗略有增加。

关键词:光纤复合低压电缆;宏弯;高温;传输损耗

中图分类号:TN915.62  文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)04-0018-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.04.004

0 引言
      光纤复合低压电缆(OPLC)是由光纤和束管组成的光纤单元与电力电缆同轴敷设生产,具备能量流、信息流和业务流的同步传输能力,是促进通道资源共享、避免重复建设[1,2]和促进电力光纤到户的有效途径[3,4]。在实际工况下,OPLC在敷设时由于存在穿越电缆沟道、墙体孔洞等情况,必然产生机械弯曲、设备故障、绝缘破损和雷击过电压等情况,造成OPLC发生短路故障与温度骤升,从而导致光纤单元的传输性能下降。文献[5]从结构、材料和运行环境的角度研究了OPLC的温度场分布机理,但缺乏温升及实际工况对OPLC传输损耗影响的进一步研究。文献[6]采用了Comsol软件进行仿真,得到OPLC稳定运行和短路故障下的温度与传输损耗间的关系,但缺乏对OPLC高温热致损耗机理的解释。文献[7]对单模光纤宏弯损耗的影响因素进行了研究,尝试使用耦合模理论解释回音壁效应(whispering-gallery mode, WGM)对光纤传输损耗的影响,但缺乏温度对传输损耗的相关研究与解释。文献[8]建立了温度波动对光纤应力场分布的数学模型,指出温度引起的光纤形变与应力差的关系,但是缺乏形变影响光纤传输损耗的分析。
      因此,本文针对OPLC中光纤单元在稳定运行状态的宏弯损耗与短路故障状态的高温热致损耗影响机理不明的问题,综合考虑OPLC运行时的温度场分布特性、光纤单元弯曲损耗特性和光纤单元在暂态高温下的应力场分布特性,分析弯曲半径及高温引起的光纤单元热膨胀对传输损耗的影响。

5 结束语
      本文阐述了OPLC在稳定运行和短路故障状态下的宏弯损耗和高温热致损耗机理,并结合多物理场耦合及有限元分析方法研究了OPLC温度场分布、光纤单元宏弯损耗和高温引起的热致损耗间的关系,通过仿真得到以下结论:①在稳定运行状态下,OPLC的温度由导体侧向外护套侧逐层降低;在短路故障状态下,OPLC中光纤单元的温度略有升高。②在稳定运行条件下,OPLC的宏弯传输损耗随着弯曲半径的减小而增大,相同弯曲半径下较小的工作波长有利于降低宏弯损耗。③在短路故障状态下,暂态高温引起光纤受热膨胀及应力变化,由于光纤在OPLC故障状态下温升较小,高温引起的热致损耗在工程上可以忽略,但是应避免OPLC长期运行在高温条件下。