選擇光纖復(fù)合架空地線和良導(dǎo)體地線應(yīng)注意的問題

鮑星輝

(遼寧省電力有限公司建設(shè)管理中心，遼寧 沈陽 110005)

隨著電網(wǎng)建設(shè)的迅猛發(fā)展，OPGW在輸電線路中的應(yīng)用愈來愈普及，大量光纖通信工程投入運行，OPGW已成為電力系統(tǒng)通信主干網(wǎng)絡(luò)的重要通道。

OPGW是架設(shè)在輸電線路桿塔頂端，具有普通架空地線和光纖通信能力雙重功能的特種光纜，既要滿足通信專業(yè)對光纖芯數(shù)、光纖類型和工作波長等方面的技術(shù)要求，同時還要具有普通架空地線的電氣性能、機械性能等一切特性要求。由于受OPGW短路電流容量的限制，一般有2根架空地線的輸電線路，另1根地線可以選用良導(dǎo)體，分擔(dān)流經(jīng)OPGW的短路電流。

OPGW的架設(shè)依附于電力線路，必須遵照架空輸電線路設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計。同時，由于OPGW是一種特種光纜，在設(shè)計時還應(yīng)考慮其特殊性。由于OPGW目前還沒有統(tǒng)一的制造標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的規(guī)格型號，因此，在選擇OPGW和良導(dǎo)體地線時應(yīng)特別注意以下問題。

1 應(yīng)同時校驗OPGW和另1根地線組合時短路電流熱穩(wěn)定性

當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，流經(jīng)地線的短路電流距離線路兩端出口愈近，短路電流愈大，隨著線路遠離出口，短路電流急劇下降。出口短路電流愈大、線路愈短，短路電流下降愈快。當(dāng)距離線路出口10 km左右，短路電流一般可下降20%～50%。通常，線路出口的短路電流較大，僅靠OPGW自身的泄流能力往往無法滿足要求，一般情況，線路出口的另1根地線采用良導(dǎo)體，以降低流經(jīng)OPGW的短路電流，達到分流的目的，這根良導(dǎo)體地線一般稱作分流線。校驗OPGW和分流線的短路電流熱穩(wěn)定，主要指這段線路。

流經(jīng)OPGW和分流線的短路電流與2根地線各自的阻抗成反比，其短路電流分布為

式中 IOPGW——流經(jīng)OPGW的短路電流;

If——流經(jīng)分流線的短路電流;

ZOPGW——OPGW自阻抗;

Zf——分流線自阻抗;

Z12——OPGW與分流線之間的互阻抗。由式 (1)可以看出，OPGW與分流線的自阻抗愈接近，流經(jīng)二者的短路電流愈趨于相同，分流的效果愈好。當(dāng)OPGW與分流線的自阻抗相差較大時，有可能出現(xiàn)OPGW和良導(dǎo)體地線各自允許的短路電流之和大于計算的短路電流，但短路電流在2根地線上重新分配后，流過自阻抗小的地線的短路電流可能超過熱穩(wěn)定極限，另1根地線的短路電流容量還遠沒有達到熱穩(wěn)定極限。因此，在進行地線熱穩(wěn)定計算時，應(yīng)同時校驗OPGW和另1根地線組合時短路電流熱穩(wěn)定性，使其同時滿足要求。在OPGW結(jié)構(gòu)很難進行調(diào)整時，應(yīng)重新選擇分流線，使之滿足要求。

當(dāng)短路電流較大時，應(yīng)采取降低出口段桿塔接地電阻的方法，增加桿塔接地的泄流，達到降低短路電流的目的。

OPGW截面選擇時，一般依據(jù)短路電流的大小選擇不同截面，分段配置。如在線路出口，配置的截面大一些，在中間段，配置的截面小一些。在建設(shè)OPGW初期，由于OPGW的價格較貴，具有一定的經(jīng)濟性。目前OPGW價格并不是很高的情況下，采用同一截面配置更為合理，為后期線路的π接和改造創(chuàng)造條件。

在經(jīng)濟發(fā)展的中心地帶，輸電線路的長度通常不會很長，由于電力負荷發(fā)展很快，電網(wǎng)的遠期規(guī)劃存在不確定性，在選擇OPGW短路電流熱容量時，按照變電站一次設(shè)備的短路電流水平來確定，是一種新的設(shè)計思路。由于OPGW所占工程造價的比例很小，在增加線路建設(shè)投資較小的前提下，OPGW短路電流熱容量可以達到終期水平。

2OPGW耐受雷擊的能力

鋁的熔點660℃，鋼的熔點1 535℃。當(dāng)發(fā)生雷擊時，鋁的抗溶蝕能力遠低于鋼。試驗和運行經(jīng)驗證明，抗雷擊性能與股線直徑成正比，與其電導(dǎo)率成反比。早期OPGW多采用鋁合金線且直徑較小，發(fā)生的雷擊斷股事故較多。為此，在《電力系統(tǒng)同步數(shù)字系列 (SDH)光纜通信工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定 (DL/T 5404—2007)》規(guī)定:對超高壓及以上線路，應(yīng)采用直徑3.0 mm及以上、20%(IACS)或相對低導(dǎo)電率鋁包鋼線。

在選擇OPGW結(jié)構(gòu)時，短路電流容量和耐雷擊性能是相互矛盾的。一方面，為滿足短路電流容量，股線的導(dǎo)電率愈大愈好;另一方面，為防止雷擊斷股，股線的導(dǎo)電率愈小愈好。短路電流容量在OPGW設(shè)計時是硬指標(biāo)，抗雷擊能力的指標(biāo)并不是很具體，廠家在設(shè)計OPGW結(jié)構(gòu)時，往往對抗雷擊能力重視不夠，為達到短路電流容量，多采用40%IACS鋁包鋼線，這對防止雷擊斷股是不利的。

發(fā)生這種情況與設(shè)計方要求的直徑偏小有關(guān)。在要求的直徑范圍內(nèi)低導(dǎo)電率鋁包鋼線無法滿足短路電流容量要求，只能采用高導(dǎo)電率鋁包鋼線，這也是不得以而為之。

在OPGW結(jié)構(gòu)選擇時，這一點應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視。當(dāng)采用20%IACS鋁包鋼線無法滿足短路電流容量要求時，生產(chǎn)廠家與設(shè)計單位應(yīng)及時溝通，設(shè)計應(yīng)允許適當(dāng)加大OPGW直徑。實際上在鐵塔設(shè)計時地線支架強度應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑６取?/p>

3 OPGW和良導(dǎo)體地線的機械強度

3.1 OPGW平均運行張力的選取

架空地線平均運行張力的取值，依據(jù)《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范 (GB50545—2010)》的規(guī)定，平均運行張力 (EDS)取額定拉斷力 (RTS)的25%。這對于采用鋁鋼截面比不小于4.29的鋼芯鋁絞線或鍍鋅鋼絞線作為地線是滿足規(guī)范要求的，但OPGW一般采用鋁包鋼線，鋁鋼截面比最大只有1.67(40%IACS鋁包鋼線)，股線的耐振性能差，為有效防止微風(fēng)振動引起疲勞斷股，同時考慮到OPGW的重要性，DL/T5404—2007規(guī)定:OPGW的平均運行張力不宜大于額定拉斷力的20%。在設(shè)計時應(yīng)注意兩個標(biāo)準(zhǔn)的不同要求。

3.2 最大使用張力的選取

DL/T5404—2007規(guī)定:OPGW的設(shè)計安全系數(shù)應(yīng)大于2.5，且不得小于導(dǎo)線的設(shè)計安全系數(shù)。

《光纖復(fù)合架空地線 (GB/T7424.4—2003)》中，對OPGW的機械性能要求是:當(dāng)OPGW承受的拉力不大于RTS的95%時應(yīng)無任何單線破斷。OPGW所能保證的拉斷力是額定拉斷力的95%。因此，OPGW的最大使用張力應(yīng)是RTS×95%/K(安全系數(shù))。如果OPGW的設(shè)計安全系數(shù)遠大于2.5，OPGW的最大拉斷力取RTS還是RTS×95%并不重要，但當(dāng)OPGW的設(shè)計安全系數(shù)與2.5相接近時，就可能出現(xiàn)實際安全系數(shù)小于2.5的情況。

一般情況，地線的最大使用張力是按導(dǎo)、地線防雷間距要求求得的。依據(jù)GB50545—2010的規(guī)定，在一般檔距的檔距中央，S≥0.012L+1(S為導(dǎo)線與地線間的距離，L為檔距。計算條件:氣溫15℃，無風(fēng)、無冰)。由此反推出來的地線最大使用張力是一個變數(shù)，檔距愈大，最大使用張力愈大，安全系數(shù)愈小。對于較大檔距，應(yīng)注意校核地線的安全系數(shù)是否大于2.5，且大于導(dǎo)線的設(shè)計安全系數(shù)。

應(yīng)當(dāng)注意，采用公式S≥0.012L+1計算出來的導(dǎo)線與地線間的距離，只適用于一般檔距，對于大跨越和大檔距，還應(yīng)滿足《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合 (DL/T620—1997)》中的規(guī)定。DL/T620—1997中6.3.3條規(guī)定，根據(jù)雷擊檔距中央地線時防止反擊的條件，大跨越導(dǎo)線與地線間的距離不得小于表1的要求。

表1 防止反擊要求的大跨越檔導(dǎo)線與地線間的距離

山區(qū)線路高差大、地形復(fù)雜，對于220kV及以上線路，常出現(xiàn)1 000 m以上檔距，超過1 000 m檔距，可以認為是大檔距或大跨越。對于1 000 m檔距，0.012L+1=13 m，對于220kV線路，滿足表1要求:對于330 kV和500 kV線路，不滿足表1要求，此時，導(dǎo)線與地線間的距離應(yīng)按表1調(diào)整。此時更應(yīng)注意校核地線的安全系數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)小于2.5或小于導(dǎo)線的設(shè)計安全系數(shù)時，應(yīng)重新選擇地線的規(guī)格和型號，使之達到規(guī)定的要求。OPGW作為兼具通信功能的防雷地線，應(yīng)滿足此項規(guī)定。

3.3 OPGW和良導(dǎo)體地線的過載能力

3.3.1 良導(dǎo)體地線的過載能力

依據(jù)GB50545—2010的規(guī)定，地線設(shè)計冰厚，除無冰區(qū)段外，應(yīng)較導(dǎo)線冰厚增加5 mm。同時還規(guī)定，500 kV及以上輸電線路，覆冰區(qū)段地線采用鍍鋅鋼絞線時最小標(biāo)稱截面應(yīng)不小于100 mm2。這兩項規(guī)定與《110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定 (DL/T5092—1999)》有較大的改動。對比DL/T5092—1999，地線采用鍍鋅鋼絞線時最小標(biāo)稱截面由不小于70 mm2增加到100 mm2，同時增加了5 mm冰厚。這兩項規(guī)定都是根據(jù)2008年初我國南方地區(qū)發(fā)生大面積冰災(zāi)引起地線拉斷和地線支架折斷所采取的提高線路抗冰能力的措施。

500 kV及以上輸電線路，覆冰區(qū)段的鍍鋅鋼絞線最小標(biāo)稱截面不小于100 mm2，主要是根據(jù)導(dǎo)、地線在稀有風(fēng)速和稀有覆冰氣象條件時，所計算的導(dǎo)、地線過載能力相匹配的原則得出的。

在GB50545—2010的編制說明中，列出了導(dǎo)、地線過載能力計算結(jié)果 (如表2所示)。

表2 導(dǎo)、地線的過載能力

表2所列數(shù)據(jù)是在氣溫－5℃、風(fēng)速15 m/s、導(dǎo)地線弧垂最低點的最大張力達到其拉斷力的70%時所能承載的覆冰厚度。

根據(jù)以上驗算條件，增加幾種常用的鋁包鋼絞線規(guī)格，計算結(jié)果如表3所示。

表3 鋁包鋼絞線的過載能力 (t=－5℃，V=15 m/s)

由表3可以看出，與GJ－100鍍鋅鋼絞線過載能力基本相同的鋁包鋼絞線有LBGJ－120－27AC、LBGJ－150－30AC、LBGJ－180－40AC，與 GJ－80鍍鋅鋼絞線過載能力基本相同的鋁包鋼絞線有LBGJ－120－30AC、LBGJ－150－40AC; 過載能力與RTS成正比，RTS愈大，過載能力愈強。220kV線路，一般導(dǎo)線不大于LGJ－400/35鋼芯鋁絞線，與之相配的地線是GJ－80鍍鋅鋼絞線，可以采用LBGJ－120－30AC或LBGJ－150－40AC鋁包鋼絞線作為良導(dǎo)體分流地線。在設(shè)計鐵塔時，可以采用LBGJ－150－40AC鋁包鋼絞線作為主要地線型號，通用性好。500 kV線路，與之相配的地線是GJ－100鍍鋅鋼絞線，可以采用LBGJ－150－30AC或LBGJ－180－40AC鋁包鋼絞線作為良導(dǎo)體分流地線。LBGJ－180－40AC與 LBGJ－150－30AC在荷載上比較，風(fēng)荷載增加11%，重量增加2%，張力可以取其相同。因此，在設(shè)計鐵塔時，如果采用LBGJ－180－40AC鋁包鋼絞線作為主要地線型號，荷載比LBGJ－150－30AC增加很小，但應(yīng)用范圍更廣，通用性更好，可以避免不必要的驗算工作。由于地線荷載僅占導(dǎo)、地線荷載的1%～2%，由此引起的鐵塔增重很小。

3.3.2 OPGW的過載能力

過載能力匹配原則同樣適用于OPGW。對OPGW進行過載能力計算，計算結(jié)果如表4所示。

表4 OPGW的過載能力 (t=－5℃，V=15 m/s)

由表4可以看出，截面同是110 mm2的OPGW，由于RTS不同，過載能力相差很大。當(dāng)RTS為76.9 kN，過載能力僅相當(dāng)于GJ－60鍍鋅鋼絞線的水平，其過載能力偏小。因此，在選擇OPGW時，不僅短路電流容量應(yīng)滿足要求，RTS也應(yīng)盡量選擇大些，使之與GJ－100鍍鋅鋼絞線的強度相一致。由表4還可以看出，加大OPGW截面積，對提高過載能力關(guān)系不大。

DL/T5404—2007規(guī)定，在稀有風(fēng)速或稀有覆冰驗算氣象條件下，OPGW在懸掛點的最大張力不宜超過 RTS的 66%。這一規(guī)定，比 GB50545—2010中所要求的最大張力低10%。OPGW做為一種特殊地線，其過載能力的要求更嚴格。因此，要求OPGW的機械強度與GJ－100相一致，是選擇OPGW的基本要求。

3.4 OPGW和良導(dǎo)體地線的弧垂特性

在OPGW和良導(dǎo)體地線的選擇時，應(yīng)注意弧垂特性的匹配。在EDS狀態(tài)下，二者的弧垂應(yīng)盡可能一致。

4 結(jié)束語

OPGW作為一種特殊地線，在選型時不僅應(yīng)重視短路電流容量，還應(yīng)注重與普通地線在防雷擊斷股和抗疲勞斷股方面的差異，特別是對OPGW和良導(dǎo)體地線的機械強度應(yīng)給予足夠的重視，機械強度的大小關(guān)系到OPGW和良導(dǎo)體地線抵御自然災(zāi)害的能力，對線路的安全運行尤為重要，這就要求在鐵塔地線支架設(shè)計時應(yīng)合理考慮使用大截面、大RTS地線的可能性，給OPGW和良導(dǎo)體地線的選擇提供更大的范圍，優(yōu)選出與線路需求匹配的OPGW和良導(dǎo)體地線。

［1］DL/T 5404—2007，電力系統(tǒng)同步數(shù)字系列 (SDH)光纜通信工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定 ［S］.

［2］GB50545—2010，110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］DL/T 620—1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.

［4］DL/T 5092—1999，110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定 ［S］.

［5］YB/T 124—1997，鋁包鋼絞線 ［S］.

［6］GB/T 7424.4—2003，光纜第4部分:分規(guī)范 光纖復(fù)合架空地線 ［S］.