环境因素对电力系统OPGW 光缆传输特性的影响及对策

　　杜玉霞　杨红叶

　　【摘 要】为了满足电力系统对通信稳定、传输带宽的需求， 光纤复合架空地线（Optical fiber composite overheadground wire，OPGW）作为一种新型的光缆已被广泛使用，即一种新型的基于地线的通信光缆。但OPGW 光缆在实际应用中会受到各种环境因素的干扰，从而造成信号衰减和误码率的升高，降低通信质量，影响电力系统的工作效率。本文通过对环境因子（温湿度、风速等）进行分析，并在此基础上，针对 OPGW 光缆的特点，从光缆选材、安装方式、实时监测等方面，提出了改善OPGW 光缆传输性能的措施。本文研究成果将为我国电力系统安全稳定运行提供重要的理论支撑与技术指导。

　　【关键词】 OPGW 光缆；电力系统；环境因素；传输特性；对策

　　引言

　　随着我国电力系统的逐步发展和现代化，光纤复合地线（Optical fiber composite overhead ground wire，OPGW） 在高压输电线、变电所中得到了越来越多的应用。OPGW 光缆除了具有常规的防雷接地功能外，还具有高带宽、低延时等通讯优点，在电力系统实时监测、数据传输、遥控等方面得到了广泛的应用。但是，诸如温、湿、风等因素，会对OPGW 光缆的传输性能产生一定程度的影响，从而对电力系统的高效、安全、稳定运行产生不利作用。因此，深入研究环境对OPGW 光缆运行产生的作用，并提出相应的解决措施，是保证电力系统安全、可靠运行的关键。本文就OPGW 光缆在不同环境条件下传输性能受到的影响进行了分析，并提出了相应的对策。

　　一、OPGW光缆在电力系统中的应用现状

　　OPGW 光缆是一种将光纤通信和电能传输结合在一起的新型复合地线，是近几年来在电力系统中大量使用的一种新型电缆。它的特殊构造，使得其既可以担负起常规的防雷、接地等功能，又可以实现高速、高效率的通讯，是电力通信与监测系统中不可缺少的一部分。OPGW 光缆在高压输电线路、变电站和电力调度中心等各个节点上都有广泛的应用，为电力系统的安全稳定运行和信息传递提供了保障。OPGW光缆在高压输电线上得到了越来越多的应用。传统的电力系统以有线及无线通讯为主要手段，但随着电力系统规模的增大，其对通讯带宽及稳定度的要求也越来越高。采用 OPGW光缆可以实现大容量的数据传输，为电力系统的实时数据交互与远程监测提供了有力的保障。OPGW 光缆因其带宽大、抗干扰能力强、信号损耗低等特点，成为高压输电线的主要通信介质，可有效提升其数据传输率与稳定性，为电力系统调度与管理提供保障。

　　二、环境因素对OPGW光缆传输特性的影响分析

　　（一）温度变化的影响

　　1. 温度对光纤材料的影响

　　目前，提出了一种新型的基于温度场的新型光纤传感系统。由于纤维的组成成分主要是石英和塑料，它们具有不同的热膨胀特性，所以随着温度的改变，纤维的形状也会随之改变。特别地，当温度上升或下降时，会引起纤维的长度发生改变，从而引起纤维的挠曲。虽然石英纤维的体积小，但其在低温环境中仍会出现细微的尺度改变，从而对其传播速度、光束模式等性能造成一定的影响。此外，在较高的温度下，由于温度的升高，其内部物质也有可能发生热退化，使其损失增大。长时间的温差变化，尤其是极冷或极热的情况下，将严重影响到其工作寿命。

　　2. 温度引起的信号衰减与误码率

　　在OPGW 光纤中，由于气温的改变，其信号的损耗和误比特率都会受到很大的影响。在实际应用中，随着温度的增加，其传播损失也随之增加。这主要是因为随着温度的上升，纤维的物质损失会增大，这种情况在高频率传输时更为突出。另外，由于温度的急剧变化，会引起接头处的细微接触或介质的物理损坏，使系统的误码率大大提高。尤其是长期工作在较高温度条件下，会使连接件及连接件的老化速度加快，从而造成信号品质恶化。为此，在光纤传输系统的设计和运营过程中，必须要考虑到温度的波动，以确保其稳定可靠。

　　（二）湿度的影响

　　1. 湿度对光纤连接与包层的腐蚀影响

　　湿度对光纤的长期工作性能有很大的影响，尤其是对连接器、连接器及包层的侵蚀。湿度大时，光纤接头、包层及防护膜等易受湿气侵蚀，导致光纤接头、光纤包层等金属及非金属物质（光纤包层等）的氧化侵蚀，从而降低光纤传输特性。并且，不同的材料在不同的环境中会产生不同程度的损伤。在此基础上，提出了一种新的解决方案，即：为降低水分对纤维性能的不利影响，一般在纤维表面增加防水涂层或采用抗潮湿纤维，特别是在潮湿的地方，对光纤进行定期检查和维修是必要的[1]。

　　2. 湿度导致的传输损耗变化

　　当环境中的湿度改变时，其传输损耗将发生改变，尤其是在高湿度条件下，会对其传输特性产生严重的影响。当湿度增大时，其包覆层及护套将会吸收水分，使其光学性质改变，使其信号损耗增大。另外，湿气侵入纤维中的细微缝隙或接头，也会对传输通道造成干扰，造成不均衡的传输，严重时还会造成信号畸变。在长时间的湿度作用下，会使光纤的损耗逐步增加，从而影响信号的传送品质及可靠性。

　　（三）风速与机械应力的影响

　　在 OPGW 光缆中，风速是决定其力学性能的重要因素。特别是在大风条件下，光纤会承受很大的侧向作用力，使光纤的外护层、包层乃至光纤自身产生变形。在恶劣的风力作用下，光缆外皮有可能发生磨耗，从而使光缆的防护作用降低，使光纤易遭受物理破坏。另外，当风速太大时，光纤会发生振荡，加大对光纤的机械冲击。这些振动会造成光纤的受力不均匀，进而造成信号的衰减或错误。所以，在进行 OPGW 光缆设计时，应充分考虑风力对光缆的影响，并对其进行合理的加固，保证了在恶劣的气候条件下光缆的可靠性[2]。

　　（四）电磁干扰的影响

　　1. 外部电磁场对光纤信号的干扰

　　虽然OPGW 光缆作为一种光纤通讯方式，可以避免电磁波对OPGW 的直接干扰，但是外界的电磁场的改变还是会对OPGW 的信号传递特性产生间接的影响。在光纤通信中，由于各种因素的影响，往往会引起器件的工作状态不稳，甚至失效。特别是在强磁场条件下，通过信号线、接头或光纤接头等途径，会对光纤信号的传播造成严重的危害。另外，虽然光纤自身对 EMI 没有任何的干扰，但是它的接口及发射装置都会遭受到电磁波的冲击，从而使器件工作状况不稳或者信号品质降低。所以在设计、配线时，必须充分考虑到 EMI的来源，并对其进行相应的保护。

　　2. 电磁干扰对光纤系统的可靠性影响

　　电磁干扰不但会影响到器件的工作特性，而且会危及到光纤通讯的长远的可靠性。当光缆被保护的不完善或接地不好时，会产生较强的电磁干扰，造成系统错误，数据丢失，甚至造成通讯中断。在某些强 EMI 环境下，外加电磁场会使器件的老化速度加快，同时也会引起额外的噪音，从而降低信号品质与稳定度。所以，要保证在各种复杂情况下，光纤的可靠运行，不仅要考虑到光纤自身的因素，还要考虑周围的情况。为使该装置能在较长的时间内正常工作，必须对其进行有效的电磁屏蔽和接地等保护。

　　三、应对环境因素对OPGW光缆传输特性影响的对策

　　（一）光缆设计优化

　　1. 选择合适的光纤材料与结构设计

　　面对温度、湿度、风速等多种环境因子的影响，选用高稳定度、高抗干扰性的光纤材料是关键。当前，使用的传输光纤有单模和多模两种，而单模光纤由于具有低损耗、低误码率等优点，在远距离通信方面具有明显的优越性。另外，在纤维的构造上，还应同时满足拉伸、压缩和弯曲等多种性能指标。通过对纤维的结构进行合理的设计，如选用耐拉伸、耐水性好的包覆层等，降低外部环境对光纤的影响，确保其在各种恶劣的环境中工作稳定可靠。此外，通过对光纤布局的优化，增强光纤与外套之间的粘结，提高电缆在高速、强电磁干扰等环境下的适应能力[3]。

　　2. 强化光缆外护层的抗干扰能力

　　OPGW 电缆的外套既能防止外界的机械压力，又能对其进行有效的电磁屏蔽。加强外护套管的抗噪声性能是提高电缆质量的关键。利用高品质的金属铠装，例如：铝、铜等，可以有效地屏蔽电磁辐射，降低外界的电磁干扰。另外，光纤电缆护套的材质还要具有优良的防腐性能和防紫外性能，尤其是在潮湿、寒冷的条件下，可以有效地提高电缆的使用年限，保证电缆的长时间、稳定工作。近年来，由于光纤电缆绝缘材料的广泛使用，使得光纤电缆的绝缘性能得到了很大程度的提高。

　　（二）安装与维护技术对策

　　1. 合理布放与安装光缆

　　光纤电缆的敷设方法对其受外界条件的影响有很大的影响。首先，在铺设光纤时，要充分考虑周围的地形、气候、风速等条件。比如在强风地区，对光纤电缆要进行适当的支撑与拉力设计，以防止其承受大风。另外，在光纤的敷设过程中，还应注意不能发生过分的挠曲，以免由于曲率半径太小而造成的光信号衰减增加。另外，在恶劣气候下，例如严寒等恶劣气候下，通过适当的设置与保护，可以降低光纤电缆受到的破坏。同时，在电缆的长期运行中，还要采取防潮、防水及防腐蚀的方法[4]。

　　2. 加强定期巡检与维护

　　要保证 OPGW 光纤的长周期、稳定可靠地使用，必须进行经常性的巡视与维修。对光纤电缆的保护层、接头和连接器等部位进行定期检测，并对因风沙、湿度等环境原因造成的损伤进行及时检测，防止其对通信造成的损害。另外，通过对光纤信号进行实时监控，能够在较短的时间内，准确地检测出光纤在传输过程中出现的诸如损耗超标、错误率增加等不正常现象。利用专门的测试设备对光纤进行仔细的检修，使光纤在故障扩大前就能得到及时的修复和替换，降低了由于外部因素影响造成的经济损失。在对光纤电缆进行维修的过程中，要注意对光纤接口处的粉尘、腐蚀性材料进行及时的清除，使光纤处于良好的输送条件。

　　（三）提高对电力系统的环境监测与实时控制

　　1. 环境监测技术的应用

　　在 OPGW 光缆中采用环境监控技术是保证其安全可靠的关键。在光纤中加装风速计、温度传感器和湿度传感器等气象测量装置，能够对光纤电缆工作的工作状态进行实时监控，并能够准确地把握各种环境因子对光纤传输特性的影响。比如当遇到大风时，该装置能及时发出警报，并进行适当的保护，比如调节光纤的拉力或者采用其它辅助手段；防止光纤受力过度，造成光纤的折断、损伤。通过温度和湿度的测量，可以防止由于外界因素造成的光纤腐蚀和信号衰减。通过对光纤传输过程中的各种参数进行分析，提出了一种基于光纤传输特性的光纤传输测量方法。

　　2. 光缆运行状态的实时监控

　　对光纤电缆的工作状况进行监测，对保证供电的安全性具有重要意义。在光纤传输过程中，采用智能化监测技术，实现了对光纤信号质量、传输速率和衰减速率的监测，并对光纤传输过程中存在的问题进行检测，避免了信号的损失和失效。现代化的监测设备不但可以监测到光缆的运行状况，而且可以利用遥控的方式来调整光纤的传送参数。另外，该网络还可以实现与其它用电装置的互联，当光纤线路发生异常时，该装置可以及时发出报警信号，为保证电力系统安全可靠，应及早做好应对，防范突发事件[5]。

　　（四）技术创新与研发方向

　　1. 新型抗环境干扰材料的研发

　　在此背景下， OPGW 光缆的工作特性受到了越来越多的关注，研制具有良好耐外界干扰能力的新一代OPGW 光缆是提高其综合性能的重要途径。这种新的电磁屏蔽材料必须具有良好的电磁屏蔽性能、耐腐蚀、耐高温等性能。其中，以纳米科技为基础之纤维材质，可提高其抗干扰性能，并可有效减少传输信号的损耗。在此基础上，提出了一种适用于各种恶劣条件下的新型OPGW 光纤，并提出了一种新的解决方案。另外，利用这种新型材料，可以大大减少光纤电缆的制造费用，从而使光纤通讯的推广更加广泛[6] 。

　　2. 智能化光缆传输技术的创新

　　开发光纤电缆的智能化传输是提高电力系统通讯效能的一个主要趋势。通过融合人工智能、物联网、大数据等前沿科技，可对光纤的传输进行精确调控。比如，利用 AI 算法实现对光纤的在线监测，可以对光纤的运行状况进行在线监测，从而实现对传输过程中的各种参量的动态调节，保证稳定的信号品质。另外，该技术还可以对光纤进行远程故障检测和维护，提高运行的效率和可靠性。在今后的工作中，将会伴随着OPGW 光缆传输智能水平的提高，使其在复杂的工作条件下更好地适应各种恶劣的环境。

　　结语

　　总之，OPGW 光缆在外界条件下的传播性能会受到环境很大的影响。大气中的气温、湿度、风力和闪电等自然条件变化都会使传输质量降低，信号衰减增大，严重时会引起电缆的物理损伤。所以，在对OPGW 光缆进行设计与使用时，要综合分析各种影响，制定相关的对策；例如：增强光缆的耐候性、防雷设计、增强抗电磁干扰等。另外，由于全球变暖及极端气象灾害的增多，供电公司必须加强对光纤电缆的环境效应的重视，并对其进行周期性的监控与维修，保证光纤电缆在不同的工作条件下工作稳定可靠，确保供电的安全性。

　　参考文献：

　　[1] 张建国,刘强,王志明.环境因素对电力系统OPGW光缆传输特性的影响分析[J].电力技术,2023(06):88-91.

　　[2] 李洪涛,赵鹏飞.OPGW光缆在电力系统中的应用及其传输特性研究[J].电力系统自动化,2022(09):112-116.

　　[3] 王瑞,周辉.环境条件对OPWG光缆性能的影响及优化对策[J].电力工程技术,2021(05):65-68.

　　[4] 刘永健,朱建伟.电力系统OPGW光缆传输特性与环境因素关系研究[J].电力设备,2022(07):48-51.

　　[5] 孙明,王磊.高温、湿度对OPGW光缆信号传输影响的实验研究[J].电气工程与自动化,2023(02):102-106.

　　[6] 陈勇,高鹏,李俊.电力系统OPGW光缆传输性能的影响因素与防护对策[J].电力通信技术,2021(08):35-39.