OPGW光纜在220KV線路系統(tǒng)使用中遇到的幾個問題
發(fā)布日期：2019-02-19
發(fā)布人： 原創(chuàng)
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OPGW光纜在220千伏系統(tǒng)中應用的幾點思考：
最近幾年，復合光纖架空地線在我國電力建設中獲得了飛速發(fā)展，幾乎所有的新建500千伏和220千伏輸電線路，都選擇了復合光纜作為架空地線，其光纖芯數(shù)也從早期的六～八芯，迅速攀升到16～24芯及以上，高的已達到72芯，還包括G655光纖。同時出現(xiàn)了一批千公里以上的長距離主干光纖線路。復合光纖架空地線正面臨一個前所未有的朝陽時代，這也是技術(shù)發(fā)展和進步的必然。
在我國超高壓電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，截止到2000年底，220千伏以上的線路共有約16萬3千公里，其中500千伏、330千伏和220千伏線路大約分別為27300、8600和127000多公里，由于我國大規(guī)模采用復合光纖架空地線的時間（大約從1998年起）比發(fā)達國家約推遲了10年，（有資料表明，發(fā)達國家大約在80年代未和90年代初就大量架設OPGW光纜），致使我國早期建設的超高壓網(wǎng)架和光纖復合架空地線擦肩而過。在已建的500千伏網(wǎng)架中，架設OPGW光纜的比例約為20%，而對發(fā)達的220千伏網(wǎng)絡，則是瘳瘳無幾。（但有一部分采用了ADSS光纜）。
在當前眾多的工程項目中，凡是新建的，無論是220千伏還是500千伏輸電線路工程，架設OPGW光纜時選型問題均比較容易解決，如今的OPGW光纜生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，可以為各種條件的工程提供完備的解決方案，問題是不少220千伏線路在改造中，或通信光纜的升級中，需架設OPGW光纜。由于原線路建設時，未考慮到OPGW光纜的技術(shù)特點，在原線路地線支架不改變（或不作大的改造）的前提下，要能接納OPGW光纜，由此引伸出不少問題，本文就此展開討論，提出幾點思考，以達到拋磚引玉的目的。
在這一類工程中，往往具有以下一些特點，線路運行已達10年以上，有的甚至達到20年，有鐵塔也有水泥桿，或兼而有之。地線則普遍采用GJ-50鋼絞線（這和我國的設計規(guī)程有關(guān)），在這種條件下，不少建設單位（含一些設計院）就提出，所配的光纜必須和GJ-50相配，相應直徑不能大于9mm（因為GJ-50鋼絞線的直徑是9mm），并且需承受相當數(shù)量的短路電流。
OPGW光纜的選擇，主要著眼于以下幾點：光纖芯數(shù)及光纖技術(shù)要求，光纜的熱容量，光纜的力學性能（即弧垂特性）包括其外徑和重量。其中每一項要求，都折射出原工程的影子，恰當?shù)靥幚砗眠@些參數(shù)之間的關(guān)系，綜合兼顧，使所選擇的OPGW光纜能為這些“老工程”所接受，這是一個技術(shù)決策者必須妥善解決的問題。
對光纖的技術(shù)要求，目前都有認可的技術(shù)標準，如ITU-T
G.652等，這些標準大約每四年會再版一次，其技術(shù)水準也在不斷提高，再要提高某些技術(shù)要求，如衰減指標等，必須放在整個通信系統(tǒng)的大環(huán)境中考慮，如光纜的總長度，系統(tǒng)對總的衰減指標的要求等。簡單地認為光纖指標總歸越先進越好的觀點是不全面的。這樣做，會導致光纜的投資增加，而整個系統(tǒng)卻未必得益。所以對光纖的技術(shù)參數(shù)應慎重決策。而對光纖的芯數(shù)，則應對未來的發(fā)展有一個充分的估計，這里還涉及到對路徑價值的認識問題。像早期選用六芯～八芯OPGW光纜的現(xiàn)象現(xiàn)在已很難看到了。筆者認為，對光纖芯數(shù)的預測出現(xiàn)不定時，宜向大芯數(shù)方案傾斜，這樣比較主動，也為OPGW光纜的工程經(jīng)驗所證實。
對光纜的熱容量，將直接影響到光纜的結(jié)構(gòu)和選型，應予充分重視。在常規(guī)的OPGW光纜結(jié)構(gòu)中，熱容量大小的本質(zhì)，將決定光纜鋁（或鋁合金）截面的大小。直至影響到光纜結(jié)構(gòu)。而光纜所應承受的熱容量，主要取決于光纜所處系統(tǒng)的狀況，包括5-10年的發(fā)展規(guī)劃，系統(tǒng)最大的短路電流（嚴格來講是帶有最大零序分量的短路電流），故障的切除時間，以及光纜和相鄰地線之間的電流分配。一般說來，短路電流的取值應將系統(tǒng)放在一個5-10年的規(guī)劃中考慮，同時附以最大運行方式和最高氣溫月的最高平均氣溫。其次是線路各點發(fā)生故障時，短路電流是不一樣的，最嚴重的是故障點發(fā)生在變電所的進（出）線檔，這成為熱容量參數(shù)中短路電流的控制點。而離開這一檔或這一耐張段，短路電流就迅速衰減。通常在離開門型架3-5公里以后，會有20%-30%的衰減量（有時和線路的長短有關(guān)系），但理論上，線路各點的故障率是呈等值分布的，另一個關(guān)鍵的參數(shù)就是承受短路電流的時間，在華東地區(qū)的500千伏系統(tǒng)中，目前已普遍采用0.25秒。解剖一下，這主要由快速縱差保護和開關(guān)失靈保護這兩部分時間所組成。目前還沒有看到少于0.25秒的時間選擇（直流系統(tǒng)除外）。對220千伏線路的保護，通常也能在0.1-0.15秒時間內(nèi)完成，但其后各級保護或失靈保護的情況比較復雜，有時和母線主結(jié)線的方式有關(guān)系。統(tǒng)計資料表明，220千伏系統(tǒng)的保護動作正確率在98%以上，而線路保護的正確率也有相同的水平，眼下大部分220千伏的光纜工程其短路時間取0.35-0.5秒，并以0.5秒為多?，F(xiàn)在的問題是，將上述這些“小概率”事件連續(xù)迭加（數(shù)學上為小概率事件相乘）后得出的短路電流容量要光纜承受（通常OPGW光纜和鋼絞線配合時，要承受絕大部分的短路電流），而同時又要求光纜的弧垂和鋼絞線相配。這對光纜就難以兩全了。有的工程提出的熱容量已接近開關(guān)的短路容量。這就更顯不妥，在這些多重要求的夾擊下，就使光纜的選型遇到了困難，有些工程就遭遇到所有投標商的光纜產(chǎn)品均不能滿足標書要求的情況。這就促使我們必須從產(chǎn)生這些原則的“源頭”去思考。
仔細分析影響光纜熱容量參數(shù)的各種原因，不外乎“運行方式、環(huán)境氣溫、短路點位置和保護動作時限”這幾大因素。而我們都自覺和不自覺地將這幾種因素的最不利情況撮合在一起，這是不科學的。其結(jié)果正如前面所提到的，220千伏改建線路找不到合適的光纜。筆者認為，以下的組合是可以考慮的：“一般運行方式+年平均氣溫十非進（出）線檔故障+主保護二階段動作時限”或“最大運行方式+最高氣溫月平均氣溫+最危險點故障（一般也就是進出線檔）+主保護一次動作時限”，在這兩者中，可以取嚴重者考慮。這正如線路電氣設計中在最大風的條件下不考慮系統(tǒng)過電壓，以及系統(tǒng)通常只能考慮n-1的安全儲備的道理是一樣的。也有不少工程設計人員注意到，對線路比較長短路電流又較大的OPGW光纜線路，可以分段選型，也是比較有效的做法，這里不作贅述。
值得補充的是，OPGW光纜在我國已有十幾年的運作經(jīng)驗，粗略地估計，大約已有了約300～400公里·年的運行記錄，沒有發(fā)生一起因短路電流過載而損壞光纖的事件，這一方面說明，小機率事件連續(xù)發(fā)生是非常稀罕的，也說明在目前的光纜選型中，熱容量參數(shù)具有較高的安全儲備。對其進行適當?shù)姆此际强扇〉摹?/span>
為光纜選擇合適的分流線，特別是在220千伏線路改造工程中，往往會成為OPGW光纜能否成功上馬的關(guān)鍵性輔助措施。針對原先采用GJ-50鋼絞線的220千伏線路，在線路兩端采用合適的分流線是非常明智的做法。下面的一些線型值得考慮，可酌情采用。
注：用戶還可以找到其他結(jié)構(gòu)的分流線，之所以這樣選，主要是圍繞GJ-50的直徑和強度要求來選，因為不少用戶不希望直徑太大。
需要特別指出的是，對分流線而言，在故障時其實際所分得的電流，取決于它和OPGW光纜阻抗（包括它們之間的互阻）之間的關(guān)系。但對于其熱容量中時間的考慮，完全可以區(qū)別對待，可以取0.1-0.15秒（前者針對鋼絞線，后者適用于其他導線）。這是一個很重要的技術(shù)原則和設計思想。我們可以將OPGW光纜作為一種“設備”，而將分流線作為“地線”，從性質(zhì)上將它們區(qū)分，對同樣熱容量的分流線，只考慮其通過短路電流時間為0.1-0.15秒，實際上就是大幅度地提高了其抗衡短路電流的能力，對分流線而言，即使在非常難得的情況下偶爾“過熱”一下，也沒什么影響，它根本不同于光纜，有燒毀光纖、中斷通信之憂。對靠長期累積效應才能發(fā)生強度下降的影響而言，這實在算不上什么，但我們采用這一特殊“技術(shù)政策”，卻為220千伏改建線路（包括新建）接納OPGW光纜打開了坦途。即原先采用GJ-50或GJ-70地線的桿塔，基地線頂架可基本不作加強（或改動）而直接架設OPGW光纜和相應的分流線。考慮到這些分流線均比較輕，和GJ-50鋼絞線相比，只為其重量的75%左右。即重量為1噸的分流線可以施放3公里，一個工程用10公里左右的分流線，架設在兩端，投資不超過8萬元（連所需的配套金具在內(nèi)），卻解決了光纜的匹配問題，確實是個值得采納的技術(shù)措施。
關(guān)于地線的直徑，影響到桿塔的水平荷重，但也不必過于絕對，直徑稍大一些就認為不行，從更深層次考慮，頂架的水平荷重還和頂架本身，地線的平均高度，桿塔的水平檔距等有關(guān)，簡單地拿原地線的直徑來要求光纜和分流線，有失偏頗。需要引起注意的是有些線路運行時間長久，地線頂架承受不平衡張力的能力會有所降低，架設光纜和分流線，應控制好最大張力，不降低原線路的安全運行水平。
對于兩層結(jié)構(gòu)的OPGW光纜，由于上下扭絞得以平衡，而頗受用戶歡迎，從而出現(xiàn)即使是在小直徑的情況下，也要求OPGW光纜具有兩層結(jié)構(gòu)，并拒絕中心束管式光纜，其實大可不必。一則因為在小直徑要求的（通常指直徑小于12mm時）約束下，要結(jié)合大芯數(shù)光纖單元的二層層絞是很困難的，另則因為生產(chǎn)光纜的絞機一般均具有退扭功能。在該工藝條件下生產(chǎn)的光纜不足以在松馳狀態(tài)下形成扭曲變形；再由于光纜都是定長生產(chǎn)，中間不得隨意開斷，接頭均在耐張線夾的后面，這些特點決定了即使光纜單層絞也不會出現(xiàn)松股情況（制造質(zhì)量不佳另當別論），單層絞結(jié)構(gòu)已經(jīng)為幾乎所有光纜制造商所采用，并以此來滿足對小直徑光纜的要求，注意到這一點，無論對用戶和制造商都是有利的。對于小直徑的中心束管式光纜，不能借助于絞制產(chǎn)生兩次余長，但在大多數(shù)情況下，包括某些山區(qū)工程和復冰15mm地區(qū)，光纖單元的一次余長已能夠滿足工程要求，以余長過小而拒絕小直徑的中心束管式光纜，理由并不充分。
總之，在220千伏網(wǎng)絡工程中，尤其是老線路改建或增掛光纜工程中的選型問題，不外乎是上述這些問題的交叉組合，只要抓住關(guān)鍵要求，綜合平衡，全面完整地理解復合光纜，重視分流線的采用，在技術(shù)原則上區(qū)別對待，特別是分流線的短路時間，就不難為工程找到一個完美的解決方案，這些技術(shù)觀點對500千伏系統(tǒng)網(wǎng)絡中的光纜工程也同樣可引以為鑒。
