地线复合光缆OPGW在高压送电线路中的设计选择

随着电力事业的发展，为了满足电力生产调度、电力系统自动化对通道的需求，同时可为邮电系统提供服务，增加效益，OPGW已广泛地应用在高压架空送电线路中。它不仅可起到架空地线的作用，同时也兼顾了光纤通信的功能。本文着重介绍OPGW在送电线路中的设计及选择。 关键词 OPGW 短路电流分流线1OPGW简介： 光在光纤中传输原理为光的全反射原理。通常电力系统中光纤通信有以下三种方式： ADSS全介质自承式架空光缆。可利用现有电力杆塔和电力线路同杆塔架设，具有耐电痕、耐腐蚀、防雷击等优点。需根据通信要求、线路距离、气象条件进行综合设计，对铁塔强度、受力等重新验算。 GWWP自绕式光缆，这种方式是将光缆缠绕在原有地线上，起到光纤通信的功能。 OPGW是把光纤单元组装进架空地线里,使其具有架空地线 及光纤通信双重功能。OPGW外层是一般的铝包钢线或铝合金线，其承受了OPGW大部分外力，包括拉力、压力、金具握力等，而内层的光纤单元是由直径为510mm的石英制造而成，一般情况下是不能受力的（紧套型光纤除外）。它们中间是由一些填充材料组成，起到散热、隔热、延长光纤寿命等作用。OPGW的一般外型结构如下图： 2OPGW的选择： 21应满足光纤通信的要求： OPGW首先作为光纤通信上来讲，它必须先满足用户及通信系统所需的光纤（根）数量、类型、允许衰耗（db）数值、光端机的类型等。并考虑到光脉冲在OPGW传输过程中的工作波长、色散、带宽、衰减等特性，尽量选用传输效果好的OPGW。一般光纤从传输模式上可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤适合于长距离,大容量的传输, 多模光纤适合短距离、局域网的传输。另外色散也是光纤的一个重要指标，多模光纤存在较严重的模式色散，而单模光纤不存在模式色散。现今来说，复合光缆的发展趋势是单模光纤。 22OPGW作为普通地线的要求： .防雷要求:S0.012L+1 L档距； S档距中央导、地线最小安全距离 按此公式可推算得到: Pd、Pb导、地线在验算条件下的应力（15。C、无风、 无冰时的应力 N/mm2）。 Gd、Gb导、地线的自重比载（N/m.mm2）。 S、h 导、地线在塔上悬挂点的水平距离、垂直距离（m）。 计算出地线的应力，然后解状态方程，可得最大使用应力、年平均应力（为20%瞬时破坏应力电力系统光纤通信工程设计技术规定（讨论稿），就可对照OPGW强度选择其型号，并可确定其安全系数。 .线长方面的考虑： 1).从制造工艺方面来说OPGW过多接头对光的衰耗很大，应尽量减少中间接头。另外，在500千伏高压线路中往往要求耐张段长度较长，而现在的大多数OPGW的生产厂家交货长度（5km左右）达不到耐张段长度的要求，OPGW中间接头一般要在耐张塔上，多增加耐张塔会使整个工程的投资加大，通过计算，一基耐张塔相当于直线塔2.4基以上的造价。这就要求增加一种地线为耐张，导线为直线的塔。在福鸭500千伏线路中，就采用了ZB52地线支架开耐。 2).OPGW接头要引到塔角，且OPGW不能用压接管接续，要在专用的接头盒内接头，一般在离地5米处安装接头盒。假如说地线横担长为7米，上下导线高7.5m，导地线高4米，则OPGW两端引下线长度分别为：杆塔呼称高+7+4+7.5. 从杆塔荷载及OPGW自身受力方面来考虑： 1).OPGW的外部受力（垂直分量、水平分量、纵向分量）应与一般地线一样必需满足杆塔的荷载条件要求。 2).由于OPGW中间有一部分基本上不考虑抗拉强度。与普通地线相比，在相同的拉力下，一般要求OPGW应比与它匹配的另一根地线的直径要略大。另外，OPGW有松套和紧套之分。紧套型OPGW的价格比与它相当型号的松套型OPGW要贵30%40%左右。松套型OPGW为了使光纤单元在70%额定拉断力下不受力电力系统光纤通信工程设计技术规定（讨论稿），必需保证OPGW中光纤有一定的余长（所谓余长是指缆芯内光纤的实际长度应比缆的“皮长”要大，一般余长控制在0.7%较为经济合适），并在光纤单元中填充了油膏，由于油膏在低温和高温下的流动性的差异，使OPGW在不同温度条件下传递应力的能力受到了限制，同时，由于档距和高差很大，易造成松套型光缆的纤芯在弧垂低点的堆积，造成光纤的微弯，从而加大光衰耗。而使用紧套结构的OPGW由于生产厂家通过生产工艺使光纤在一定的应力应变条件下能承受张力，光纤不存在余长，在大高差、大档距条件下不存在光纤的堆积，所以说在山区线路中为了保证OPGW的可靠性、传输质量及寿命可采用紧套型OPGW。总的来说，松套和紧套各有优缺点，松套型OPGW一般用于地形起伏不大，高差不大的平原上，价格较为便宜，而在我省的第一条500KV福鸭OPGW光纤通信线路中，由于该线路在我省的500KV环网中较为重要，加之高差大，档距大，有重冰区，地形比较恶劣，全线均采用的是紧套型OPGW。重冰区采用紧套结构的OPGW与松套结构的OPGW造价从厂家的报价来说差不多，但松套结构的OPGW由于截面变大，从而引起铁塔荷载变化，导致铁塔重量及基础混凝土方量的增加，投资加大。 .从金具方面考虑: OPGW的金具不仅要满足一般电力金具的要求，而且又 区别一般电力金具。OPGW国际规范IEEEP1138一般规定明确规定：“金具的挤压不宜超过OPGW的设计挤压极限，金具一般不宜设计成适合于OPGW一个范围内的直径。”意思就是说，一种规格直径的OPGW必须有一套与之匹配的金具，大小与之一一对应。 1). 悬垂线夹：由于OPGW要求保护光纤不致于过度弯曲而产生较大的弯曲应力导致OPGW表面龟裂而失效，还需采取减轻对OPGW磨损和增大阻尼措施而延长寿命。采用大于10倍的OPGW允许弯曲半径或大于200倍OPGW直径，且具有减轻磨损和增大阻尼功能的大曲率悬垂线夹。一般有大曲率悬垂线夹和预绞丝悬垂线夹两种。大曲率悬垂线夹其曲率（本体线槽和压板）半径必须大于OPGW的直径的200倍，制造工艺上较为复杂，而预绞丝悬垂线夹由于具有制造简单，安装方便，使用效果好，运行经验成熟等特点而深受广大用户青眯，大量地运用在地线复合光缆中。 2). 耐张线夹：应用在OPGW上的耐张线夹主要有预绞丝耐张线夹和有限握力螺栓耐张线夹两大类。预绞丝耐张线夹的握力是由每一个节距集合而成，OPGW受力均匀，安装方便，刚性好，抗震性好，运行经验成熟。而有限握力螺栓耐张线在设计中要求压板对OPGW的压力恰到好处，即保证足够的握力又不损伤光纤，安装过程要求比较高。当然，应用在OPGW中的还有不同结构的耐张线夹，如捆扎式及各种螺栓式，但不宜采用液压式耐张线夹，更不许采用爆压型耐张线夹。 3). 防震锤：实际运行经验已证明“微风振动”出现在OPGW中的最危险的有害性震动。常用在OPGW上的防震锤主要有：F型、DF型、防振环、FR型、YFR等型式。F型防振锤结构简单应用广泛，但其频率覆盖不全，只有两个谐频，而在两个谐频以外的频率则其防振功率不足，其已面临淘汰。DF型防振锤简称狗骨头扭转防振锤，该种防振锤有较多的共振频率和较宽的频带。FR型防振环在日本广泛采用，它是将常规防振锤锤头改为钢制U形环，压缩在钢绞线两端，两环与垂直的OPGW的偏角为30，以便振动时产生扭矩，消耗振动能量，提高消振效果。FD型防振锤的优点为两锤头重量不等，钢吊索两侧长度不等，可获四个谐振频率；由于锤头中间开槽，可观测到钢吊索疲劳损坏情况。YFR型防振锤不仅具有FR型防振锤的优点，还消除用螺栓固定的过松过紧的状态，同时能防止振动波节在固定线夹的死点和增加OPGW自身的阻尼性能，安装方便，是OPGW中当前较好的一种防振锤。以上防振锤与OPGW连接时采用优质的钢绞线能很大程度地提高防振锤的功率特性。以上防振锤性能最好的是YFR、FR型，最差的是F型防振锤。 4). 接地金具、接续盒：OPGW的接地引下线、并沟线夹与常规地线没有大的区别。不同的是楔块与本体在装置好OPGW后，应在楔块与本体之间用平头柳钉钉住，以防防微风震动振动和OPGW蠕变导致线夹失效而产生事故。接续盒安装在塔上，须能防水，防风，OPGW的每一盘长应与施工图中耐张段长度相对应，防止浪费。 总的来说，为了保持OPGW与金具运行的协调性和整个OPGW系统运行的可靠性，OPGW的金具应和OPGW一一配套，应由供货厂家配套供货。 23OPGW最大允许短路电流及热稳定方面的要求： 作为设计人员，应依据OPGW的制造厂家提供的最高允许短路电流（I许）或最高允许温度（T许），结合电网的实际情况，计算出实际最大短路电流（I实）或实际温度（T实），要求I许（T许）I实（T实）。否则，由于光纤的衰减将发生不可逆的劣化，使通信质量严重下降。必须更换产品或采取其它措施（更换良导体地线、增设分流线）。在线路设计中，就本人经验来说，关于此方面的设计思路大致如下： 231确定系统总入地短路电流值I总： 根据电力系统510年规划（更远景年）的系统接线图进行短路电流计算，求得510年后（更远景年）系统的短路电流值。在整个线路上任何一点的短路电流必须小于I总。232确定系统短路电流的等效时间Te： 可根据系统保护动作时间、通道延时时间、断路器动作时间、重合闸动作时间和短路电流非周期分量时间等来确定短路电流的等效时间。短路电流持续时间越短，允许的短路电流就越大。一般常规上500千伏交流系统短路电流的等效时间取0.3秒，500千伏直流系统短路电流的等效时间取0.1秒，220千伏系统短路电流的等效时间取0.5秒。 233确定各种型号的分流线在系统中的最大允许短路电流： 1）. 根据热稳定要求，各种待选型号的分流线允许短路电流应按规程DL/T 6211997 “交流电气装置的接地”来计算。其最小截面 必须满足下式要求: Sg分流线最小截面(mm2) ; Te短路的等效持续时间(s) ; Ig流过分流线的最大允许短路电流稳定值(A)(根据系统510年的发展规划,按系统最大运行方式确定)。 C热稳定系数(初始温度按40计算)。 以上公式可转换为： Ig2Sg2 C2/Te； 按此计算出的Ig即为待选型号的分流线的最大允许短路电流Ig。如果它与OPGW匹配时的实际短路电流大于Ig，则必须更换型号。 2）. OPGW的短路电流一般是由厂家提供的。在无资料的情况 下，可用下式计算其允许短路电流： IOPGW2=C Ln(1+T许)/ ( R0Te) IOPGWOPGW允许短路电流(A)； C、Te同前； 电阻温度系数（1/）； R0起始温度下导线交流电阻（/km）； T许OPGW允许温升（）; 该公式是同温法计算公式，就是未考虑OPGW外护层中金属的温差，实际上温差可达100以上。所以计算结果偏大，在没有试验为依据时，按此公式计算出的允许短路电流还应降低23KA。 234确定实际流过OPGW及分流线的短路电流： 1）. 作出等值电阻网络图并计算出各杆塔上的总入地电流： 当送电线路一相导线对塔头闪络发生接地故障时，由地线、杆塔接地电阻、变电所接地网络构成的型等值网络如下图所示。 Zg各档地线综合阻抗； Rt各档接地电阻； Rs变电所等效电阻； Zc型网络另一端等值电阻； 用该网络可计算出组合地线上不同点的入地总电流分布。 2）. 确定OPGW及分流线的短路电流： 送电线路的短路电流通常在线路出口处（两端变电所及发电厂两端）最大，随着线路的延伸将急剧下降。在长线路工程中，为了节约投资，一般考虑在线路出口处采用大截面、低阻抗、载流容量大的OPGW，而在中间的大部分区间则可采用截面较小的OPGW，同时另一根分流线的选择上也可采用不同的地线与之匹配（截面出口大，中间小），这样可节约大量工程投资。在系统短路时，OPGW与另一根地线中各自流过的短路电流分布可按下式确定。 IOPGW/ I地线 =(Z地线Z互阻)/(ZOPGWZ互阻) IOPGW：短路时流过OPGW线的电流； I地线：与OPGW配合的另一根地线中的电流； Z地线：地线自阻抗； Z互阻：两根平行地线(OPGW与分流线)间的互阻抗； ZOPGW：OPGW线的阻抗； 用1）中所计算出的入地总电流，结合上式所计算得到的分流比例，则可计算出OPGW和分流线上的实际短路电流I实。如果I实I许 ，则满足热稳定方面的要求。 一般来说，为了减低OPGW的短路电流，可采取以下几种措施： a).出口处采用截面大、载流量大、OPGW及相应的较大截面分流线。 b).敷设降阻剂，尽量降低杆塔接地电阻。 C).靠近出口处的几档，杆塔接地体相互连接起来，并与变电所接地网相连。 d).在出口处的几档定位中，尽量不要出现大当距，一般档距控制在200300米为宜。 3小结： OPGW用作架空地线，具有地线和光缆的双重功能，由于它的结构和性能不同于单独的地线，也不同于单独的光缆，因此，在进行OPGW的线路设计时必须充分考虑其结构和性能的特殊性，通过技术经济比较，再结合设计规程进行设计选型。总的来说，OPGW光纤通信具有技术先进、性能可靠、运行安全、寿命长等优点，在我国的电力系统中已得到广泛而迅速的采用，它是电力通讯网中一种崭新的发展趋势。