电力系统通信是进行生产管理、确保电网安全经 济运行不可缺少的手段,必须具备迅速性、清晰性、可 靠性。在经历了架空明线、线载波通信、微波中继通 信等通信方式后,光纤通信已成为系统内主要的通信 方式。光纤通信是根据光电子学原理,以激光作载 波、用超纯石英拉制而成的光导纤维做传输路径的通 信方式,具有通信容量大、不受电磁干扰、多路成本低 等优点。 通道就是资源,电力部门建设独立的光纤线路必 然要涉及到市政规划、设计施工、征地赔偿、运行维护 等一系列的问题,不但工期长而且成本高。光纤通信 不受电磁干扰的特性使电力部门利用输电线路通道 来解决光纤线路通道具有独特的优势,使通信线路的 建设免去了麻烦的通道审批、征地赔偿等程序,而且 设计施工相对简单、建设工期缩短、运行维护量减小, 能有效降低电力部门的综合成本,有些地方局甚至还 将10 kV线路通道出租给电信部门使用,取得不错的 经济效益。
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1 OPGW在线路上使用现状
OPGW光纤复合地线架空光缆和普通地线一样 架设在线路杆塔的顶部,具有架空地线和通信线的双 重功能。OPGW是由通信光缆、导体和加强的线材组 合绞制而成,其机械性能接近钢绞线,电气性能优于 钢绞线,在通信方面同样具有传输信息容量大、衰减 小、工作频带宽、不受电磁干扰等优点,能够实现电力 系统的遥测、遥调、遥控等大容量信息传输。
中国电力系统中,只有在全线架设双根地线的 110 kV及以上的线路才具备使用OPGW的基本条 件。大约从1998年起中国开始大规模使用OPGW, 现在全国架设OPGW的数量约达到70 000 km,而对 OPGW的使用和研究基本上都集中在220 kV及以上 电压等级线路上。很少有文献涉及到110 kV线路, 即使提到也是不赞成在110 kV线路上使用OPGW,究 其原因主要应该是对110 kV线路的研究不及220 kV 线路深入,简单对比两者使用的钢筋混凝土电杆的直 径分别为300 mm和400 mm,而且220 kV线路电杆顶 部采用的是预加工成型的地线支架,只在必要时将其 材质加强或者将型号加大即可放心使用,杆塔结构上 的优势使OPGW在220 kV线路上使用受到肯定。
由于OPGW能使通信线路和电力线路的建设同 步进行,很多地方局要求在新建110 kV线路上推广 使用OPGW,但在OPGW必然导致荷载增大的现实和 缺乏足够的设计资料及运行经验的情况下,能否在 110 kV线路上使用OPGW,线路工作者必须充分考虑 OPGW的选型和杆塔结构两方面的问题。
OPGW的选型 在当前制造水平下,OPGW的机械强度完全可以 得到保证,只需要满足DL/T620- 1997《交流电气装 置的过电压保护和绝缘配合》中为防止雷击架空地线 在档距中央引起反击导线,在气温15℃、无风条件 下,档距中央导线和地线间的距离满足公式:S≥ 0. 012 L(L为档距)+ 1 m即可。在线路工作者看来, OPGW的选型最需要重视的是防腐、抗雷和热稳定性 三方面。
2.1 防腐
OPGW在大气环境中受水分、化学气体、盐类物 质等作用会发生化学腐蚀和电化腐蚀,腐蚀程度和线 条的材质成分有密切关系。金属线条表面会在空气 中发生氧化形成氧化膜,当空气湿度较大时,线条外 表面的水分会凝结成水膜,大气中的CO2、SO2、NO2、 HCI等气体和盐类物质溶解于水膜,形成薄层电解 液,电解液会和金属氧化膜发生反应产生孔蚀;接触 腐蚀是电化腐蚀的一种形式,不同材质单丝制成的绞 线存在接触层,由于金属电极电位差异,它们的接触 层会产生白色粉末并布满麻点,同时导致线条明显变 脆,抗拉强度下降,甚至断股,OPGW装设光纤的不锈 钢管更易产生孔蚀。早期的OPGW多是用铝合金单 丝、铝包钢单丝和不锈钢管等不同性质的材料共同绞 制而成,抗腐蚀能力比不上现在全用铝包钢单丝和铝 包不锈钢管绞制而成的OPGW。
2.2 抗雷
作为保护输电线路整体安全的地线,其功能有 三,首先可降低线路绝缘所承受的过电压幅度;其次 遮断先导电场的一部分电力线,降低纵电场强度,使 导线上被感应的电荷数量减少,降低感应雷幅值;再 有就是由于架空地线的存在,改变了线路耦合系数, 增大了导线对大地的电容,从而使线路绝缘所承受电 压幅值有所降低。运行经验证明,架空地线能有效减 少输电线路的雷击跳闸次数,OPGW作为一种特殊地 线也必须具备这样的功能,但OPGW的耐雷能力低 于钢绞线已是不争事实。管理、运行部门在110 kV 线路上推广使用OPGW前应当充分作好准备,应对 OPGW可能带来的雷击断股导致停电检修次数的增 加。OPGW和钢绞线受雷击的机率是相同的,但 OPGW(尤其是外层是铝合金单丝的)受雷击断股的 情况比钢绞线要严重很多,雷击考验的是地线外层每 一根单丝的瞬间耐高温能力,雷电流引起线条的瞬间 发热甚至断股。
有良好运行经验的钢绞线的单丝熔 点很高,雷电击中地线时,钢绞线可能没什么问题,若 OPGW的外层单丝熔点较低,产生的瞬间高温可能就 会熔蚀外层单丝甚至熔断。雷击时通过OPGW的雷 电流虽然不对热稳定起控制作用(见下节),但加大 OPGW的外层单丝直径,提升外层单丝的耐温能力, 将减少雷击断股的发生,高导电率的铝包钢线的效果 就好于铝合金线。根据有丰富运行经验的国家和地 区对OPGW的使用情况看,铝包钢绞线外层单丝直 径在2.5 mm以上效果较好。
2.3 热稳定性
根据《110～ 500 kV架空送电线路设计技术规程》 (DL/T5092- 1999),如地线采用镀锌钢绞线可按表1 选用。 表1 地线采用钢绞线时与导线配合表 导线型号LGJ- 185/30及以下LGJ- 185/45～LGJ- 400/50LGJ- 400/65及以上 镀锌钢绞线 最小标称截面(mm)35 50 70 OPGW的出现使线路设计工作者在选择地线时 无法再依赖表1,必须针对正常运行时地线上的感应 电流、雷击时通过地线上的雷电流以及单相接地短路 时地线上的返回电流三种情况进行热稳定校验。 在正常运行时候,架空地线上的感应电流不过数 十安培,即使作用时间再长对任何材质制造的地线也 没有什么影响;地线遭受雷击时,通过地线上的雷电 流非常之大,通常在120～ 300 kA之间,但作用的时 间非常短,仅有几到几十微秒。还是根据《交流电气 装置的过电压保护和绝缘配合》,以四川地区为例,年 雷暴日数约40 d,雷电冲击电压波按波头1.2μs,波 尾50μs考虑,雷电流幅值取200 kA,即使按雷电流全 从OPGW中通过,雷电流产生的热容量也仅为2.0 kA2T,流经OPGW的雷电流热容量远小于OPGW的 允许值,不会对OPGW的热稳定造成影响。
OPGW热容量值主要取决于故障电流。单相接 地短路时,大容量电力系统的架空地线返回电流可高 达数千安培,而且短路电流的大小与短路点位置、架 空地线的材质、截面以及是否绝缘、杆塔接地电阻、档 距长度等因数均有很大关系。各档的架空地线电流 实际分布可用架空地线返回电流的计算机程序准确 计算得到(现使用较多的是清华大学基于相参数模型 开发的架空线路-电缆系统故障电流分布计算工程 软件)。 在靠近大电源的输电线路终端塔上发生单相接 地短路时(这是热容量参数中短路电流的控制点,离 开这一档短路电流就迅速衰减),近端变电站供短路 电流IK1,远端变电站供短路电流IK2,RS为近端变电 站的接地电阻,R为故障铁塔接地电阻,R′为全线杆 塔接地电阻的平均值,Zs为进线档大地-回路自阻 抗,Zm为互阻抗,Zs′为全线各档自阻抗的平均值, Zm′为互阻抗的平均值。
关于杆塔结构
输电线路使用的杆塔按使用材料分类,有钢筋混 凝土电杆和铁塔(近年来出现的钢管杆应是特殊铁 塔)。《铁塔通用设计型录》中77、78系列提供了大量 现成的铁塔,可根据线路条件选用,即使无现成的铁 塔型式,在铁塔结构计算类软件(线路设计使用较多 的道亨公司的线路系列软件)已比较成熟和普及的条 件下,线路工作者只需要输入已知线路条件,系统就 可以计算出各种工况下的荷载及基础作用力,并生成 计算书和相关图形,自动设计出经济、适用的铁塔。
所以无论单、双回线路的新建铁塔,只要相关软件配 置齐全,线路设计工作者都可以轻易解决在110 kV 线路中由OPGW引起的地线荷载增大的问题。这 样,OPGW能否在新建110 kV线路上使用的问题就 可简化为能否在新建110 kV线路的钢筋混凝土电杆 上使用的问题了。之所以强调新建线路,是因为现在 的设计人员无法很好了解到原设计人员意图,对线路 杆塔结构上的富余量和老化情况也不能掌握,在没找 到技术特性和原设计地线完全相匹配的OPGW前, 将OPGW使用到已建110 kV线路上绝对是冒险。
在 新建110 kV线路上全采用铁塔或者采用220 kV线路 的杆塔结构,的确很容易解决OPGW导致的荷载增 大问题,但这将使工程造价增大到不能被接受的程 度。四川地区的110 kV线路中,一般铁塔的比例在 25%左右,既要保证线路安全,又要在不明显加大 110 kV线路工程造价的基础上使用OPGW,对线路上 占绝大多数的钢筋混凝土杆型进行校验是关键。线 路各类杆塔型都是按一定的气象条件、使用范围、导 地线型号等来设计的,而在电力线路中能将设计条件 使用充分的杆塔实在是很少,绝大部分杆塔在结构上 存在相当的裕度(比如:设计使用档距500 m的杆型 可能只用400 m;设计转角400可能只用300),并根据 需要适当加大铁塔在线路中的使用比例,这使OPGW 在新建110 kV线路上的使用成为可能。 表2给出了各类杆塔型需要进行计算的荷载组 合。杆塔的所有验算项目都是控制在一定的条件组 合范围内,任何杆型都不是按断线、最大覆冰、最低气 温、最大风速等极端不利情况同时发生来设计的。
110 kV电压等级使用的OPGW和常用钢绞线的 计算拉断力十分接近,通过调整OPGW的安全系数, 可以将OPGW的最大使用张力控制到与现有杆型结 构匹配或者更小,而且OPGW的使用只涉及到地线 荷载的变化,这样对110 kV电杆结构的校验变得非 常简单,任何杆型都不需验算断线情况下的各类项目 了,对于在四川零级气象区的无覆冰线路,地线只是 在最低温时或在最大风时出现最大使用张力,耐张转 角杆甚至连运行情况下最低温、无冰、无风、未断线的 项目都也不必验算了,所有的杆塔型都只需要验算运 行情况下:最大风速、无冰、未断线项目即可。
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