OPPC在風(fēng)電場(chǎng)外部通信上的應(yīng)用

張 進(jìn)，張 瑋

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120)

風(fēng)機(jī)通信可分為內(nèi)部通信和外部通信，內(nèi)部通信指的是機(jī)艙控制柜到底部控制柜的通信，這之間的數(shù)據(jù)通過(guò)五類(lèi)屏蔽雙絞線來(lái)傳輸。外部通信指的是風(fēng)力機(jī)到中央監(jiān)控中心的通信，這部分的數(shù)據(jù)通過(guò)光纜來(lái)傳輸。

目前，在華北地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)外部通信中，被大量使用的電力架空光纜主要為ADSS(All-dielectric Self-supporting Optical Cable簡(jiǎn)稱(chēng)ADSS)全介質(zhì)自承式光纜，為有效利用現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路資源，降低通信線路投資成本，OPPC(Optical Phase Conductor簡(jiǎn)稱(chēng)OPPC)光纖復(fù)合架空相線作為更安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的新型特種架空光纜，可使風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路具有傳輸電能和通信的雙重功能。

1 風(fēng)機(jī)外部通信

1.1 風(fēng)機(jī)外部通信系統(tǒng)

近年，隨著國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)政策和可再生能源法的頒布實(shí)施，風(fēng)力發(fā)電作為新能源發(fā)電的主力項(xiàng)目進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量也從600～750MW，發(fā)展到了以1.5～2MW等MW級(jí)主流機(jī)型，并開(kāi)始發(fā)展3～5MW級(jí)大型陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。但單機(jī)容量的增大并未對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的整體布局帶來(lái)本質(zhì)變化，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍需就地升壓后通過(guò)10kV、35kV等電壓等級(jí)的集電線路匯集后送入升壓管理站。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)光纜與風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控中心控制管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信和遠(yuǎn)傳管理，這部分的通信被稱(chēng)為風(fēng)機(jī)外部通信系統(tǒng)。

1.2 集電線路通信現(xiàn)狀

風(fēng)電場(chǎng)集電線路電壓等級(jí)多為35kV等級(jí)，接線方式多為架空線、直埋電纜或架空線與電纜相結(jié)合的方式。內(nèi)陸風(fēng)電場(chǎng)集電線路普通情況多為后者,即風(fēng)力發(fā)電機(jī)與升壓箱變之間、升壓箱變與輸電主干線之間選用電纜方式,輸電主干線多以架空線方式為主。

目前，大多數(shù)的風(fēng)機(jī)外部通信都采用的是ADSS光纜沿架空集電線路桿塔架設(shè)或與地埋電纜同溝敷設(shè)的方式至風(fēng)電場(chǎng)升壓管理站中央監(jiān)控中心。但是在某些情況下，特別是對(duì)于山脊型風(fēng)電場(chǎng)，由于地形起伏多變，很難全程滿(mǎn)足光纜對(duì)地距離要求，會(huì)給線路運(yùn)行帶來(lái)潛在隱患。

此外，由于我國(guó)內(nèi)陸型風(fēng)電場(chǎng)地理位置多為海拔較高，氣候條件惡劣的山脊上，架空集電線路因遭雷擊或大風(fēng)發(fā)生單相接地故障或倒桿的事故時(shí)有發(fā)生。此類(lèi)事故中多伴有通信中斷的現(xiàn)象發(fā)生，為風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速檢修、恢復(fù)生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)障礙。同時(shí)，由于線路地處荒山野嶺，難于實(shí)施全面監(jiān)控和職守，光纜及接頭盒被盜的事件也時(shí)有發(fā)生。

隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)自身自動(dòng)化水平在不斷發(fā)展完善，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控、調(diào)度力度不斷加大，加之風(fēng)電機(jī)組就地的箱式變壓器也需通過(guò)風(fēng)機(jī)通信光纜上傳信號(hào)，電力線路通道日趨緊張。傳統(tǒng)電力特種光纜可能無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)光纜芯數(shù)的需求，需要考慮其他解決方案。

2 OPPC結(jié)構(gòu)

OPPC是將光纖單元復(fù)合在相線中的光纜，它由光纜單元和絞合導(dǎo)線單元組成。其結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)導(dǎo)線的基礎(chǔ)上， 用1 個(gè)或幾個(gè)光單元替換原來(lái)的導(dǎo)線材料，再同心絞合而成，具有相線和通信的雙重功能。導(dǎo)線單元是傳輸電能的關(guān)鍵部件，一般有鋁包鋼芯絞線和鋁線，要求導(dǎo)線截面選擇合理，以保證線路有良好的電壓傳輸質(zhì)量和發(fā)熱條件，還要具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度。OPPC光纖復(fù)合架空相線科技含量較高，將其應(yīng)用于架空送配電線路中，可節(jié)約專(zhuān)用通信走廊，減少對(duì)環(huán)境的破壞。

OPPC 光纜具有中心管式與層絞式2 種，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 OPPC光纜的典型結(jié)構(gòu)

3 OPPC應(yīng)用在風(fēng)電場(chǎng)集電線路中的優(yōu)勢(shì)

在風(fēng)電場(chǎng)集電線路施工中，OPPC光纜的機(jī)械及電氣特性方面與其他相線相似，因此，避免了在使用ADSS光纜需考慮線路桿塔承載負(fù)荷的問(wèn)題。同時(shí)也解決了35kV集電線路不架設(shè)地線，無(wú)法架設(shè)OPGW的問(wèn)題。且OPPC光纜的光單元放于相線內(nèi)，避免了ADSS因場(chǎng)強(qiáng)的作用而導(dǎo)致光纜電腐蝕或引發(fā)的燒毀斷纜事故，解決了在跨越、交叉的情況下無(wú)法滿(mǎn)足光纜對(duì)地距離要求的問(wèn)題。此外，OPCC光纜接頭盒位置較高且?guī)Ц唠妷?，也避免了被盜的可能性。

4 集電線路OPPC選擇

4.1 主干集電線路的敷設(shè)方式

華北地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)多地采用一機(jī)一變的接線形式, 由每臺(tái)風(fēng)機(jī)出口端690V 電壓升壓為35kV后采用“T”接方式接入主干集電線路送至風(fēng)電場(chǎng)升壓站，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的集電線路一般由多個(gè)回路組成。

風(fēng)電場(chǎng)主干集電線路敷設(shè)方式一般有兩種，即：架空方式和電纜敷設(shè)方式。而根據(jù)電力市場(chǎng)的現(xiàn)狀, 一般電力電纜線路的投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于架空線路, 較之能達(dá)到倍數(shù)級(jí)的關(guān)系。同時(shí)電纜線路多采用直埋方式埋設(shè)于地下，容易發(fā)生盜竊事件，且不利于檢修維護(hù)。故除個(gè)別地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng), 由于土地資源和環(huán)境等因素制約下場(chǎng)內(nèi)只能采用直埋敷設(shè)電纜方式外, 大部分的風(fēng)電場(chǎng)由于地處偏遠(yuǎn)地區(qū), 人煙稀少, 同時(shí)對(duì)環(huán)境影響較小的前提下, 較多的形式是場(chǎng)內(nèi)集電線路采用架空線路與電纜相結(jié)合的方式，即：集電線路輸電主干線以架空方式為主，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與升壓箱變之間、升壓箱變與輸電主干線之間選用電纜方式。

4.2 OPPC光纜的應(yīng)用

OPPC光纜在工程中應(yīng)用時(shí)，僅需將三相導(dǎo)線中的一相或1根更換為OPPC光纜即可，其既滿(mǎn)足了線路輸電的要求，又滿(mǎn)足了系統(tǒng)對(duì)通信信號(hào)的要求。OPPC結(jié)構(gòu)選型是按照導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)，用相同尺寸的不銹鋼管光纖單元代替其中1股或幾股的鋁包鋼線，這樣的OPPC結(jié)構(gòu)選型就可能十分接近另外2條導(dǎo)線的電氣特性。由于OPPC外層鋁合金材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線外層硬鋁線的強(qiáng)度，在相同的運(yùn)行溫度下弧垂變化更小，可以更好地與傳統(tǒng)導(dǎo)線進(jìn)行選型配合。

4.3 金具的選擇及安裝

OPPC光纜的安裝金具不能采用傳統(tǒng)的壓接卡式金具，因其雖為全金屬結(jié)構(gòu)，但纜線內(nèi)復(fù)合有松套光單元，傳統(tǒng)金具會(huì)因受力面積小導(dǎo)致光單元受壓變形，影響光纖通信穩(wěn)定性。而應(yīng)參考OPGW光纜選配金具情況，采用雙層預(yù)絞式耐張、懸垂金具，以減輕對(duì)OPPC 光纜的局部壓力，并使OPPC縱向張力可以分散到較長(zhǎng)的區(qū)域。光纜應(yīng)力分布均勻，無(wú)應(yīng)力集中點(diǎn)，這樣不僅能很好地保護(hù)光纖，同時(shí)又有較大的握力及動(dòng)態(tài)承受力。

4.4 OPPC 的接續(xù)與光電隔離

與OPGW不同的是OPPC直接安裝在高壓系統(tǒng)中，其安裝的金具和附件(如耐張線夾，懸垂線夾和終端接頭盒)需絕緣，線夾可用于相應(yīng)的絕緣耐張串或絕緣懸垂串，光電絕緣(分離)和連接則需要特殊的技術(shù)，對(duì)施工的要求也比較高。

4.4.1 OPPC 光纜的中間接續(xù)

OPPC 作為特種自承式光纜，在使用中不可避免的需要進(jìn)行盤(pán)長(zhǎng)配置與中間熔接。在線路中間進(jìn)行光纜接續(xù)時(shí)，因光通信信號(hào)不受電磁干擾，OPPC光纜的中間接續(xù)無(wú)需考慮光電隔離，所以對(duì)中間接頭盒等設(shè)備的要求也相對(duì)較低一些， 中間接頭盒通常采用導(dǎo)電式非絕緣接線盒。除了滿(mǎn)足特種光纜接頭盒需要具備的強(qiáng)度、抗沖擊性能、密封性能等，還需具有不低于與所配套使用的線路絕緣等級(jí)。光纜接續(xù)時(shí)在接頭盒盒體內(nèi)部完成光纖的熔接與存放，在外部利用并溝線夾與同截面的導(dǎo)線或相同的OPPC作為引流線，進(jìn)行跳線接續(xù)。接頭盒盒體部分為鋁合金材料制作，其較大的體積與表面積使得接頭盒內(nèi)部溫度遠(yuǎn)低于導(dǎo)線的運(yùn)行溫度，保證存纖盤(pán)等附件的安全運(yùn)行。

OPPC支柱式中間接頭盒，在桿塔安裝時(shí)要搭設(shè)安裝平臺(tái)，在平臺(tái)上進(jìn)行安裝，安裝時(shí)需注意與塔間的安全距離。懸掛式中間接頭盒安裝在耐張塔的跳線懸垂位置，安裝時(shí)需注意引流跳線對(duì)地(塔間)的安全距離，有時(shí)需考慮懸掛重錘。

圖2 OPPC 光纜的中間接頭盒

4.4.2 OPPC 光纜的終端接續(xù)與光電隔離

OPPC 光纜的終端接續(xù)，因需將OPPC 光纜引入通信機(jī)房，在終端時(shí)需將同纜傳輸?shù)墓庑盘?hào)與高壓電流進(jìn)行分離，這就需要使用OPPC 終端接頭盒，如圖3 所示。OPPC 光纜在進(jìn)行光電分離時(shí)， 一般采用上、下2 次熔接的方式，上、下接頭盒與支柱式復(fù)合絕緣子之間采用預(yù)埋光纖的方式，完成光信號(hào)的貫通，高壓電流采用并溝線夾接跳線的形式引入變電站變壓器內(nèi)。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

5.1 安全性

OPPC光纜作為相線與光纜的復(fù)合體， 在風(fēng)電場(chǎng)集電線路架設(shè)時(shí)被安裝在相線位置，全金屬的纜線結(jié)構(gòu)，完全避免了ADSS 光纜中常見(jiàn)的電腐蝕問(wèn)題和交叉跨越，對(duì)地距離的問(wèn)題，且運(yùn)行應(yīng)力按照導(dǎo)線進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高纜線耐振水平。

圖3 OPPC光纜的終端接頭盒

5.2 經(jīng)濟(jì)性

OPPC光纜作為相線與光纜的復(fù)合體，在線路架設(shè)時(shí)可以一次完成，線路架設(shè)完畢無(wú)需重新架設(shè)通信光纜線路通道，其通信容量完全滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)的通信需要，且較ADSS光纜投資總額將大大減少，綜合經(jīng)濟(jì)性比較明顯。目前，新建ADSS 光纜線路，其材料采購(gòu)費(fèi)用在12000～15000元/km，施工費(fèi)用在8000～10000元/km。而采用OPPC光纜，根據(jù)已有工程實(shí)踐數(shù)據(jù)，約可節(jié)省三分之一的費(fèi)用，可見(jiàn)OPPC光纜用于風(fēng)電場(chǎng)外部通信是一種既經(jīng)濟(jì)又安全可靠的通信方式。

6 結(jié)語(yǔ)

OPPC作為電力特種光纜，近幾年在35kV及以下輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的線路已近7年，最高運(yùn)行電壓110 kV。它的運(yùn)用不但可以充分利用風(fēng)電場(chǎng)自身的集電線路資源，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)外部通信，還可以解決ADSS 光纜在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)外部通信無(wú)法解決的技術(shù)和管理問(wèn)題，并且減少環(huán)境的破壞，符合資源節(jié)約、保護(hù)環(huán)境的要求。

隨著我國(guó)OPPC 光纜制造技術(shù)日趨成熟，以及OPPC光纜的研究與應(yīng)用所取得的良好效果，相信未來(lái)OPPC 光纜在中國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)將有很好的發(fā)展前景。

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