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浅谈光纤复合架空地线光缆在110kV架空输电线路中的应用

2024-03-04 7 上传者：管理员

摘要：光纤复合架空地线光缆作为一种兼具通信和地线功能的电力特种光缆在电网工程中大量应用。目前，电网新建110 kV输电线路工程都会优先选用光纤复合架空地线光缆作为通信线路光缆，由于光纤复合架空地线光缆有别于之前广泛应用的全介质自承式光缆，在工程设计时需考虑其电气性能和机械性能及其他方面性能，以保证在施工期间及投运之后安全、可靠。基于此，从光纤复合架空地线光缆的选型原则、热稳定计算、弧垂特性、长度计算、三点接地等方面阐述了光纤复合架空地线光缆在110 kV架空输电线路中的应用，希望对工程设计有一定的借鉴作用。

关键词：
三点接地
光纤复合架空地线光缆
弧垂
电力建设
短路电流容量
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光纤复合架空地线OPGW(optical fiber compos⁃ite overhead ground wire）光缆在电网工程中的大规模应用主要得益于近几年电力建设事业的不断发展。OPGW光缆具有抗电磁干扰、自身轻、可靠性较高、机械性能优越等特点，使得从110kV到750kV电压等级的输电线路都在研究采用OPGW光缆。因此，对于OPGW光缆在输电线路中可靠的应用是设计单位和电网公司共同面临的问题。

1、OPGW光缆结构及主要参数指标

1.1 OPGW光缆的结构

OPGW光缆是将光纤置于架空地线中，防雷和通信功能合二为一的复合地线，是具有传统架空地线和光纤通信能力双重功能的线。OPGW的基本结构由含光纤的缆芯（光单元）和绞合的金属线材（铝包钢线或铝合金线）组成。其中，光纤提供了传输通道，钢成分主要提供了机械强度，铝成分主要承载短路电流。OPGW光缆的最外层为铝包钢或铝合金线，单股直径不小于3 mm，以减少雷击断股。层绞向为右旋（Z）。另外，OPGW光缆根据光单元的结构分有层绞式、中心束管式、单管、双管等。目前，电网工程采用的是绞合的金属线材为铝包钢的层绞式或中心束管式光缆。

1.2 OPGW光缆的主要参数

在工程设计中，对于OPGW光缆的各项分析都基于其出厂时的参数值，因此对于其各个参数值的理解是研究OPGW光缆的基础。OPGW光缆主要参数有计算截面积（mm2）、单位长度质量（kg/km）、额定拉断力（kN）、20℃直流电阻、允许短路电流容量（kA2·s）、弹性模量（GPa）、线膨胀系数（10-6/℃）。其中，计算截面积和单位质量长度是OPGW光缆最基本的2个物理参数，这2个参数主要应用于光缆比载计算。额定拉断力是按OPGW结构计算出的拉断负荷，其值为各承载构件的承载截面积、最小抗拉强度和绞合系数的乘积之和，简单地讲就是光缆的抗拉性能。20℃直流电阻是指OPGW光缆中所有电导元件在20℃时的并联电阻计算值。其值主要应用于OPGW光缆分流计算中。允许短路电流容量（kA2·s）为短路电流平方与时间的乘积，一般OPGW光缆出厂时允许短路电流容量为一个定值，用于分流计算。光缆的弹性系数是指单位截面上作用一单位应力时，光缆单位长度上所产生的伸长值的倒数；光缆的线性膨胀系数是指温度升高1℃时光缆单位长度的伸长值。这2个值对于OPGW光缆的弧垂特性产生影响。

2、OPGW光缆的选型

OPGW光缆作为地线，应满足输电线路有关设计规程对地线的全部要求，主要遵循原则为：地线（包括光纤复合架空地线）应满足电气和机械使用条件；地线的设计安全系数应大于2.5，且不小于导线的设计安全系数[1]；导线与地线在挡距中央的距离不应小于S≥0.012L+1；应满足热稳定校验；OPGW荷载满足铁塔设计要求；当OPGW光缆和普通地线配合使用时，两者的弧垂特性应相匹配。

3、OPGW光缆的热稳定计算

110kV输电线路一般为双架空地线，在实际工程中会遇到2种情形的搭配情况，一种是全线2根地线均采用OPGW光缆，另一种是OPGW光缆和普通地线配合使用。下面就这2种搭配情况下的热稳定计算具体分析。

a）地线为双OPGW光缆。地线为双OPGW光缆时，2根光缆型号一致，其电气特性一致，当输电线路发生短路时，通过OPGW光缆地线返回电流使光缆发热，如果OPGW光缆的温升超过允许值，则会损坏光纤或增加损耗。在确定好光缆的具体型号之后按照厂家提供的允许短路热容量来校验。

假设，已知系统发生短路时返回地线的最大短路电流为I，短路电流持续时间为t，则OPGW光缆产生的短路容量为

短路容量=I2t

I的取值一般为输电线路单相短路电流（应考虑工程投产后5～10 a电力系统发展的规划，并按系统最大运行方式确定）最大值的0.8～0.9倍。

t指短路电流持续时间，应根据系统电压、保护配置等情况确定。具体指故障排除时间，包含了保护动作时间、通道时延、断路器动作时间、重合闸及保护再次动作时间和短路电流的非周期分量的等值时间[2]，综合取值为0.25～0.5 s。目前系统中所采用的设备在系统发生故障时反应较灵敏，计算中短路电流故障时间可取值0.25 s。

确定好上述2个值之后可以算出在系统发生短路时的短路容量，根据计算值校验OPGW光缆的短路容量是否满足。

b)OPGW光缆和普通地线配合使用。这种搭配使用的情况目前在输电线路中应用最广泛，OPGW光缆与普通地线一起架设时可以简单地看成是处于并联状态，阻抗越小分流能力越强。在工程设计中，地线电流的分配比例可近似计算为

其中，IO、ID分别为OPGW光缆和普通地线中流过的电流，kA;ZO、ZD分别为OPGW光缆和普通地线的自阻抗，Ω/km;Zmn为两根平行地线之间的互阻抗，Ω/km。

而自阻抗Zmm=R+0.05+j 0.145lg(D0/re)

互阻抗Zmn=0.05+j 0.145lg(D0/dmn)

其中，D0为地中电流的等价深度，初步计算中可取D0=1 000 m;dmn为两条平行地线间距离，m;R为导、地线的单位电阻，Ω/km;re为导线的有效半径，m，取值参考表1。

表1 re取值参考表

根据公式可知，当确定好具体的光缆型号后可以计算出系统发生单相短路时，返回地线的短路电流在OPGW光缆和地线的分配比，然后可以计算出OPGW光缆和地线上流过的电流，再根据OPGW光缆短路容量参数反推出OPGW允许流过的最大电流值（Imax），两者进行比较后可以确定出具体的光缆型号，若IO<Imax，则选择的光缆型号满足要求，否则需继续换型号再进行验证。

4、OPGW光缆的弧垂计算

OPGW光缆的弧垂计算和线路地线弧垂计算一致，在确定好光缆的具体型号后用专业的线路计算软件计算其弧垂特性，校验和导线的配合情况。具体遵循的原则为：第一，OPGW光缆的设计安全系数宜不小于导线的设计安全系数；第二，导线与地线在档距中央的距离不应小于S≥0.012L+1。

确定好设计安全系数后，根据降温法补偿光缆初伸长得出其弧垂特性，对后期施工进行准确的指导。

5、OPGW光缆长度的确定

OPGW光缆在架设时由于受到光缆弧垂、有无接续、耐张塔预留等各种因素的影响，其设计长度与路径长度不同，根据工程经验和光缆厂家反馈，配盘长度可以按以下公式计算[4]。

其中，DL为光缆配盘长度，m;L为耐张段线路长度，m;A为特种光缆长度预留系数，平原为1.02～1.03，丘陵为1.03～1.04，山丘为1.06～1.08;H为光缆输入段施工轮滑离地高度，m;h为光缆输出段施工轮滑离地高度，m;B为牵引预留长度，通常取20～30 m。

光缆的盘长应控制在5 km以内，以保证一个施工队在一天内可以放完，一般有接续杆塔处考虑增长40～60 m。

6、OPGW光缆的三点接地

OPGW光缆架设在输电线路杆塔顶部，在使用阶段不仅要考虑短路热容量和机械性能的问题，同时还要考虑可能遭受的雷击，且在这方面由于缺乏考虑，经常会发生OPGW光缆进站段被雷击或短路电流损坏的故障，因此在设计阶段必须考虑进站光缆部分的三点接地，即OPGW光缆应在构架顶端、最下端固定点（余缆前）和光缆末端分别通过匹配的专用接地线与构架进行可靠的电气连接。

7、结束语

目前，OPGW光缆在电网工程中广泛应用，本文从OPGW光缆的介绍、选型原则、热稳定计算、弧垂特性、长度计算、OPGW光缆的三点接地6个方面阐述了OPGW光缆在110 kV架空输电线路中的应用。由此可知，110 kV输电线路OPGW光缆的设计基本可以按照以上6部分内容进行合理选型和设计，对工程设计具有一定的指导作用。

参考文献:

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.110 kV~750 kV架空输电线路设计规范:GB 50545—2010[S].北京:中国计划出版社,2010:11-14.

[2]杜天苍,张尧,夏文波.利用短路电流热效应的OPGW分流地线选型[J].高电压技术,2007,33(9):110-114.

[3]云南省电力设计院.电力系统光纤通信线路设计[M].北京:中国电力出版社,2003:145-157.

[4]国网浙江省电力有限公司.电网通信使用技术[M].北京:中国电力出版社,2018:25-32.

文章来源:王小燕,东国忠,东桂花.浅谈光纤复合架空地线光缆在110 kV架空输电线路中的应用[J].山西电力,2024(01):17-19.