OPGW在城網(wǎng)中的設(shè)計應(yīng)用
【摘 要】 光纖復(fù)合架空地線（OPGW）是一種新型地線材料，既有光纖通信容量大、損耗低、頻帶寬、抗強(qiáng)電磁干擾等優(yōu)點，又有常規(guī)架空地線所必需的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能，文中結(jié)合工程設(shè)計實踐，從電氣性能和機(jī)械性能兩方面闡述了在城網(wǎng)線路上架設(shè)OPGW需考慮的一些問題；對OPGW的選型、熱穩(wěn)定校驗等通用性問題進(jìn)行了探討，也對OPGW工程設(shè)計中地線的配合，桿塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗及幾種電力光纜在城網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。
【關(guān)鍵詞】 OPGW光纖 城市電網(wǎng) 地線 設(shè)計
1 引言
光纖復(fù)合架空地線（OPGW）是集通信光纖和架空送電線路避雷線于一體的地線。它既具有光纖通信主高寬帶能力、通信容量大、傳輸損耗小、無電磁干擾的特點，也具有作為架空送電線路避雷線的基本性能，如機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能等。OPGW充分利用了電力系統(tǒng)豐富的線路資源，不僅可以用于電力系統(tǒng)內(nèi)部的通信，還用于繼電保護(hù)的高頻通道、遠(yuǎn)動信號及通信頻道等用途，目前正在公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)開拓新的用途。
以往OPGW主要架設(shè)在500kV網(wǎng)絡(luò)線路上，配合通信主干網(wǎng)的建設(shè)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市電網(wǎng)的逐步完善，220kV及以下城市電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)得到很大的加強(qiáng)，為電力通信的進(jìn)一步發(fā)展提供了豐富的通道資源和優(yōu)越的條件。OPGW的設(shè)計涉及到架空線路和電力通信兩個專業(yè)，其工作的側(cè)重點不同，考慮問題的角度也不同，目前國家尚未出臺相關(guān)的OPGW設(shè)計規(guī)范，當(dāng)OPGW架設(shè)在城市電網(wǎng)線路上時，其設(shè)計應(yīng)用出現(xiàn)出一些新的特點。
2 OPGW的選型
OPGW一方面作為避雷線防止線路遭受雷擊，同時通過復(fù)合在地線中的光纖作為傳送光信號的介質(zhì)，傳送音頻、視頻和各種數(shù)據(jù)控制信號。其選型主要考慮以下幾個方面：
（1）根據(jù)通信部門的要求，確定光單元的結(jié)構(gòu)。緊套結(jié)構(gòu)和松套結(jié)構(gòu)各有利弊，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)其側(cè)重點不同選擇合適的光單元結(jié)構(gòu)。如工程條件惡劣，外荷載大，公路運輸條件差等，就應(yīng)該首先考慮安全問題，側(cè)重于OPGW的抗外力破壞強(qiáng)度；當(dāng)工程條件良好，線路長度長，就應(yīng)該盡量采用光衰耗小的結(jié)構(gòu)。
（2）考慮OPGW和原設(shè)計避雷線的兼容性。即要求OPGW的外徑、重量及最大使用張力等參數(shù)與桿塔原設(shè)計避雷線相近，使OPGW在大風(fēng)、覆冰等惡劣氣候條件下的荷載與原設(shè)計荷載變化不大、盡量減小桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和基礎(chǔ)荷載的校核工作量。
（3）OPGW應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，使其在允許的張力范圍內(nèi)，光纖不會因OPGW的伸長而受到應(yīng)力影響，增大光的傳輸損耗。
（4）提高OPGW的電氣性能，增大短路電流的容量。
3 OPGW設(shè)計中需考慮的一些特殊問題
3.1 使用張力的選擇
OPGW除了具有光通信的功能外，其實質(zhì)仍然是架空避雷線。應(yīng)遵照《110~500千伏架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T5092-1999）中的有關(guān)規(guī)定：導(dǎo)線和避雷線的設(shè)計安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，避雷線的設(shè)計安全系數(shù)，宜大于導(dǎo)線的設(shè)計安全系數(shù)。根據(jù)有關(guān)廠家的技術(shù)資料，當(dāng)OPGW的運行應(yīng)力達(dá)到極限張力的25%時，光纖不會受到外加的橫向和縱向壓力，工程設(shè)計中一般將平均運行應(yīng)力控制的極限張力的20%以內(nèi)。
3.2 導(dǎo)地線的配合
在一般檔距的檔距中央，導(dǎo)線和地線間的距離，應(yīng)按下式校驗（計算條件為：氣溫+15℃，無風(fēng)）。
S≥0.012L+1
式中 S——導(dǎo)線和地線間的距離，m；
L——檔距，m。
一般情況下，只要檔距中央的導(dǎo)地線距離能夠滿足要求，就應(yīng)該盡量降低使用應(yīng)力。
3.3 桿塔和基礎(chǔ)的補(bǔ)強(qiáng)計算
隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，OPGW的芯數(shù)增多，外徑越來越大，使得OPGW的部分機(jī)械參數(shù)大于原設(shè)計普通地線。以16芯OPGW為例，其機(jī)械參數(shù)如表1所示：
表1 16芯OPGW部分機(jī)械參數(shù)
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在220kV及以下電力線路中，避雷線選用的GJ-35或GJ-50鍍鋅鋼絞線。耐張塔主要承受角荷載，受最大使用張力的限制；直線塔主要承受風(fēng)荷載，受外徑和纜重的限制。由上表可知，OPGW的機(jī)械參數(shù)可能超過原設(shè)計避雷線，使得桿塔荷載超過原設(shè)計條件。若降低OPGW的最大使用張力，則在現(xiàn)有塔頭結(jié)構(gòu)情況下，導(dǎo)地線配合很難滿足要求。只有將導(dǎo)地線松馳施放，這將直接導(dǎo)致導(dǎo)地線弧垂增大，桿塔高度增加，工程造價升高，違背了使用OPGW的本意。根據(jù)在220kV及以下電力線路上使用OPGW后出現(xiàn)的新問題，在實際工程應(yīng)用中宜對相應(yīng)的桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，特別是桿塔頭部的構(gòu)件，使之滿足采用OPGW后荷載增加的要求。考慮到補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件增加的重量有限，在提供荷載要求用于桿塔結(jié)構(gòu)校驗時，可適當(dāng)增加荷載值，即增大OPGW的機(jī)械參數(shù)值，使之滿足電力系統(tǒng)通信未來發(fā)展的需要。
3.4 OPGW弧垂的施放
在OPGW電力線路工程中，大多采用一根OPGW和一根分流地線的結(jié)構(gòu)。由于兩者的金屬材質(zhì)和機(jī)械特性均不盡相同，需特別注意OPGW和分流地線的弧垂施放問題。盡量使兩者的弧垂保持一致，不要相差過分懸殊，以免給以后的線路運行帶來不便。在工程設(shè)計中可根據(jù)分流地線的年平均工況下的弧垂，反推確定OPGW的年平均使用應(yīng)力，然后再計算其它工況下的使用張力和架線弧垂。用這種方法能夠保證在年平均工況下，OPGW和分流地線的弧垂保持一致。但若反推得出的年平均運行張力大于20%，則需要重新調(diào)整分流地線的使用張力，以滿足各種工況的弧垂要求。
OPGW架設(shè)后的塑性伸長對弧垂的影響宜采用降溫法補(bǔ)償。由于OPGW目前在國內(nèi)實際運行的線路公里數(shù)有限，投運時間較短，缺乏成熟的設(shè)計、運行經(jīng)驗，可根據(jù)OPGW的鋁鋼比，參照數(shù)值相近的導(dǎo)地線降溫值。當(dāng)兩者的降溫補(bǔ)償值相差較大時，應(yīng)綜合考慮其施工弧垂和最終弧垂的差別，取得一個最佳數(shù)值。
3.5 OPGW熱穩(wěn)定的校驗
當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路故障時，有很大的短路電流將通過架空地線流入接地網(wǎng)，故障電流在短路持續(xù)時間內(nèi)使OPGW升溫發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量可使OPGW超過允許的溫度，從而使光纖受損，其光學(xué)特性發(fā)生變化。
OPGW溫度升高的程度與流經(jīng)光纜電流的平方及電流流過的時間成正比。即△T∝I2t。由于短路電流持續(xù)時間很短，OPGW中的熱量來不及向外界擴(kuò)散，可將OPGW視為與外界絕熱的封閉區(qū)域內(nèi)的電熱轉(zhuǎn)換問題。OPGW的瞬時允許溫度為定值，要想提高OPGW的耐熱性能，可以增大OPGW的金屬截面，或者對短路電流的大小及持續(xù)時間給予限制，確保OPGW的溫升小于允許值。
短路電流的持續(xù)時間T的長短是導(dǎo)致OPGW溫升的主要因素，其數(shù)值取決于線路故障時的保護(hù)動作時間，根據(jù)保護(hù)設(shè)備的不同，分主保護(hù)動作時間和后備保護(hù)動作時間。根據(jù)現(xiàn)有主保護(hù)的情況，主保護(hù)動作時間與斷路器全開斷時間共計0.2s，當(dāng)主保護(hù)停用時，起用后備保護(hù)，后備保護(hù)動作時間與斷路器全開斷時間共計0.5s。
單相接地短路電流隨著故障點遠(yuǎn)離變電站而逐漸減小，靠近變電站的幾檔線短路電流最大，可采取下列方法減少OPGW中短路電流數(shù)值：
（1）變電站進(jìn)出線段的分流地線選用大截面的良導(dǎo)體地線，如鋁包鋼線或鋁合金線等，降低直流電阻，增大分流比例。
（2）在滿足對地要求的情況下，變電站進(jìn)出線段在導(dǎo)線之下架設(shè)一條良導(dǎo)體分流線。
（3）靠近變電站的幾基桿塔，采取措施降低其接地電阻，將接地體相互連接起來，使OPGW在進(jìn)出線段通過的短路電流減少。
4 OPGW在城網(wǎng)中的應(yīng)用前景
隨著城市電網(wǎng)的發(fā)展和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，原先主要架設(shè)在500kV線路上的OPGW工程，在220kV及以下的城網(wǎng)線路上的運用逐步增加，在其工程設(shè)計方面呈現(xiàn)出一些新的特點值得我們思考，主要包括以下幾個方面：
4.1 桿塔形式的選取
根據(jù)《110~500千伏架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5092—1999）的有關(guān)規(guī)定，地線選擇鍍鋅鋼絞線時與導(dǎo)線的配合不宜小于表2的規(guī)定：
表2 關(guān)于地線選擇鍍鋅鋼絞線的規(guī)定
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由先前敘述可知，當(dāng)光纖芯數(shù)較多時，OPGW和GJ-50鍍鋅鋼絞線的計算拉斷力已有較大差距。若原設(shè)計地線為GJ-35鍍鋅鋼絞線時，OPGW的計算拉斷力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計條件，這時會給桿塔強(qiáng)度和基礎(chǔ)校驗帶來很大難度。
根據(jù)《35~220千伏送電線路鐵塔通用設(shè)計型錄》中的鐵塔單線結(jié)構(gòu)圖，35kV及部分110kV鐵塔為單根避雷線結(jié)構(gòu)。當(dāng)線路需要架設(shè)OPGW時，無法設(shè)置分流地線，這就使得OPGW的熱容量大幅度增加，選型非常困難，導(dǎo)體截面、重量和計算拉斷力等機(jī)械特性數(shù)值超過桿塔原設(shè)計條件。筆者認(rèn)為：在新建220kV線路上，配合通信主干網(wǎng)的建設(shè)，宜考慮選用相應(yīng)型號的OPGW；在110kV線路上應(yīng)選用雙地線結(jié)構(gòu)鐵塔架設(shè)OPGW，并根據(jù)光纜參數(shù)對桿塔強(qiáng)度進(jìn)行校驗。在35kV線路上，由于短路熱容量及桿塔荷載無法滿足要求，不宜選用OPGW。
4.2 短路電流的準(zhǔn)確選取
短路電流的計算是依據(jù)電力系統(tǒng)設(shè)計提供的5~10年遠(yuǎn)景電力系統(tǒng)阻抗圖，通過網(wǎng)絡(luò)簡化，計算零序電流，繪制成接地短路電流曲線?，F(xiàn)在城市電網(wǎng)的發(fā)展日新月異，電網(wǎng)規(guī)模日益龐大，電力接線非常復(fù)雜。而在實際操作中，城網(wǎng)工程設(shè)計大多是由地市級設(shè)計單位完成，由于其自身技術(shù)力量及資料來源限制，很難建立一個準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。這樣就可能使得短路電流值的計算出現(xiàn)較大的誤差，給以后的光纜安全運行帶來隱患。
4.3 與其它幾種光纜形式的比較
為滿足網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展所需通道的要求，利用電力系統(tǒng)豐富的路徑資源架設(shè)光纜，是一種十分行之有效的發(fā)展方向，目前依托電力線路架設(shè)光纜的結(jié)構(gòu)類型主要有以下幾種：
（1）集光纖和電力地線于一體的光纜復(fù)合架空地線（OPGW）；
（2）完全依賴光纜自身的強(qiáng)度將光纜架設(shè)在兩個鐵塔之間的全介質(zhì)自承式光纜（ADSS）；
（3）纏繞在高壓送電線路相線上的纏繞式光纜（GWWOP）；
（4）通過捆扎帶將光纜捆扎在地線的捆綁式光纜（GWBOP）。
上述光纜形式各有優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)不同的場合和線路情況，選用合適的光纜形式。對于新建或已建的220kV及上的高壓送電線路，并作為通信干線走廊的，為保證通信線路與送電線路運行壽命的匹配型和光纖通信的可靠性，從施工和維護(hù)等方面考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇OPGW。對于220kV以下的送電線路，應(yīng)首先考慮在電力線路上架設(shè)ADSS光纜的可行性，對包括電力線路已運行時間，桿塔的老化程度，原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等條件進(jìn)行評估，在不影響電力線路安全運行，不降低可靠性的前提下，方可架設(shè)ADSS光纜。纏繞式光纜由于容納光纜數(shù)量的限制和接頭數(shù)量過多，在國內(nèi)缺乏必要的運行經(jīng)驗，尚未廣泛使用。
