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1、OPGW光缆与分流地线的匹配设计Matching Design of OPGW Cable & Earth Wire谢书鸿 Xie Shuhong 总工程师 Chief Engineer金海峰 Jin Haifeng 技术部经理 Technology Department Manager中天日立光缆有限公司 ZhongTian Hitachi Optic Fiber Cable Co., Ltd. 邮编200025内容摘要：OPGW光缆和分流地线的配合设计是目前情况下OPGW设计的一种新思路，主要通过“弧垂应力”、“热稳定性能”及“耐雷性能”方面与另侧地线进行配合，以达到向用户推荐满足线路运行
2、要求的OPGW光缆结构的目的。关键词： OPGW、分流地线、弧垂应力、短路电流、雷击Abstract：Matching design of OPGW Cable and earth wire is a new design idea. Through studying “Strain & stress”、” heat stabilization”、”anti-lightning” ability of earth wire in the same power line, we can suggest the best type of OPGW for the users. Key words：
3、OPGW、Earth wire、Strain & stress、short circuit currents、lightning一、序言我国电网建设经过近几年的快速发展，对电力系统通信的要求也越来越高，OPGW电力特种光缆已成为电力光纤通信的主要物理媒介，其应用范围从500kV、330kV及220kV等级的输电线路逐渐向110kV、66kV等电压等级延伸，包括新建线路和旧线路改造的应用。相应地，OPGW光缆的设计单位也从具有甲级设计资质的跨区域国家级电力勘测设计研究院、各省级电力勘测设计研究院扩展到市县局的电力勘测设计单位或部门，线路情况也趋于多样化和复杂化。OPGW光缆集光纤通信与电力架空地
4、线（避雷线）功能于一体，其结构性能参数设计通常需要具备光纤芯数、抗拉强度、故障短路电流容量（或故障短路电流及时间）、外径、重量、截面、直流电阻等具体参数，故而涉及电力设计单位的多个部门、科室（系统室及线路室）的配合。很多时候在设计旧线路改造时，由于线路资料缺乏、市县局的设计单位经验较少，往往需要光缆厂家在有限的线路资料中获取有用的信息，设计出符合实际线路要求的光缆结构。通常在送电线路中，避雷线（地线）对导线有保护范围的要求，避雷线的架设需要形成足够的保护角，以有效防止雷直击于导线。在双避雷线设计的送电线路中，OPGW光缆产品是作为替代其中一根避雷线设计的，因此避雷线设计时所需考虑的问题，OPG
5、W光缆也必须考虑到。即使该线路原先设计只采用单避雷线，光缆也同样是原来地线的替代品。如果OPGW光缆与避雷线的各项特性相匹配，其实也就解决了OPGW与导线的配合距离、光缆对塔头的荷载影响等诸多线路设计问题。笔者认为，在掌握较少线路资料的情况下，通过对避雷线自身技术参数、放线曲线特性及线路的热稳定参数、雷击特性进行分析研究，推荐相匹配的光缆结构，是一种比较实用的设计思路。二、常规分流地线的设计规程OPGW光缆功能之一是通信，其设计要求满足电力行业标准DL/T832-2003“光纤架空地线”、国家标准GB/T 7424.4-2003等相关光缆标准；OPGW光缆功能之二是避雷地线，因此还应该满足电力
6、行业标准DL/T 50921999P“110500kV架空送电线路设计技术规程”（以下简称“设计规程”）中相关规定的要求。设计规程中针对分流地线的要求，主要有以下四个方面需要特别注意：1） 导线与避雷线间最小距离的确定线路档距中央导线和避雷线间的最小距离，按照雷击档距中央避雷线时不致使二者间的间隙击穿来确定。S=0.012L+1式中：S-档距中央导线与避雷线间的最小安全距离，单位：米。2） 导线和地线的设计安全系数。导线的最大工作安全系数不应小于2.5。地线的设计安全系数，宜大于导线的设计安全系数。3） 地线可选用镀锌钢绞线或复合型绞线。验算短路电流热稳定时，地线的允许温度：钢芯铝绞线和钢芯铝
7、合金绞线可采用200,钢芯铝包钢绞线（包括铝包钢绞线）可采用300，镀锌钢绞线可采用400。4） 地线选用镀锌钢绞线时与导线的配合不宜小于下表的规定导线型号LGJ-185/30及以下LGJ-185/45LGJ-400/50LGJ-400/65及以上镀锌钢绞线最小标称截面（mm2）355070三、OPGW光缆与分流地线配合设计方案OPGW光缆与另侧分流地线的配合设计思路是从对侧地线的各项特性中提取关键信息，采用电线力学计算方法确定光缆的机械特性及比载，以此来检验与另侧地线的配合程度，主要可以从以下三个方面考虑：弧垂与应力配合、热稳定性能配合、耐雷性能配合。1） 弧垂与应力配合第一种情况是所推荐的
8、光缆与地线在截面、重量、拉断力等技术指标方面都比较相近。如果光缆与另侧分流地线截面相当，铝钢截面比又相近，在强度及弧垂应力配合方面必定会有很大的相似性。比如配合GJ-50或GJ-70，一般采用截面接近50mm2或70mm2左右的中心钢管式全铝包钢结构的OPGW光缆；配合良导体铝包钢绞线（例如LBJ40-120）或铝包钢芯铝绞线（例如JL/LB1A-95/55），一般采用与地线铝钢截面比接近的层绞式结构的OPGW光缆，这种光缆内层为主要强度元件（一般为铝包钢线），外层为主要载流元件（一般为铝合金线）。第二种情况，因承载故障短路电流的要求，光缆相对于地线截面有了较大偏差。 此时取得另侧地线的“弧垂
9、应力特性”变得尤为重要。设计院一般能提供的是地线“弧垂应力曲线表”或称“地线放线特性表”。根据线路条件及气象条件，计算光缆的“弧垂应力特性”表，对比光缆与地线能否匹配。弧垂计算基准一般为温度15，无风、无冰条件；检验依据为最低气温、最高气温、最大荷载等条件下，光缆与地线弧垂是否匹配。通常认为，在各个计算条件下，光缆与地线弧垂公差在一倍地线直径范围内，是可以接受的。在弧垂匹配的过程中，应同时注意工作应力（安全系数）的控制。光缆“年平均应力”的控制主要在于减轻OPGW光缆微风振动及控制其长期（30年）的蠕变变化量，一般来说，光缆年平均应力小于20标称抗拉强度（以下简称RTS），不同于通常地线设计时
10、所考虑的25RTS；光缆“最大工作应力”是其在最大荷载情况下所受的应力值，应小于40RTS（即安全系数大于2.5），如果安全系数要求大于3，则意味着最大工作应力应控制在小于33RTS。另外在处理这种情况(光缆与地线截面不太匹配)时，还需要注意光缆与地线对塔头的荷载是否相差较大。因为即使光缆与地线各自的安全系数都控制在合理范围内，可能由于光缆与地线的额定破断力的不同而对塔头存在比较大的不平衡负荷。当然，通过对“拉力重量比”的比较，也能大致了解光缆与地线弧垂应力的配合情况。2） 热稳定性能配合当电力线路发生单相接地短路故障时，继电保护（主保护）均会迅速切断故障，以保证电力设备的完好，其动作时间一般
11、为毫秒级，即使考虑系统的失灵保护（或后备保护）等二级保护动作时限，其时间通常不会超过秒级。线路短路电流一般依据电力系统设计提供的510年远景电力系统阻抗图，通过网络简化，计算零序电流，绘制成接地短路电流曲线，通过电力设计部门提供的接地短路电流曲线图，可以很清楚地了解线路短路电流分布情况。这种情况下绝大部分短路电流会流过地线，因此对于双地线线路而言，OPGW光缆与地线将共同承担导流任务，热稳定性能的配合就显得尤为重要。故障短路电流的分配，主要因素取决于地线阻抗的数值。简单地看，两根地线处于并联状态，阻抗越小,分流的电流会越多。分流能力主要与交流电阻有关。交流电阻由直流电阻及其在交流作用下因磁滞和
12、涡流、集肤效应和邻近效应而增大的部分组成，需要根据线路具体情况进行分析，因此相对光缆厂家来说较为复杂。光缆厂家提供的直流电阻指标是光缆或地线的固有的技术参数。3） 耐雷性能配合OPGW光缆与地线的耐雷性能配合也是不可忽视的因素。由于OPGW光缆的广泛使用，雷击断股事件也越来越多的出现，因此，光缆结构的设计思路应该做如下改进： (1) 外层股线材料尽量采用铝包钢线。铝包钢线具有良好的电导性能；而且钢的熔点较高，在电弧高温下不易出现熔断；更兼铝包钢线有较高的机械强度，即使形成一定程度的熔蚀，也不易在常规拉力下拉伸断股。(2) 在不同导电率的铝包钢线选择中，尽量采用高电导率的铝包钢线，以加厚外层铝包
13、钢线的铝层厚度，以使铝熔化时吸收更多的能量，保护内部钢线，维持股线所需的强度。这样可以尽量少采用铝合金，提高整个OPGW的熔点。(3) 在满足整个OPGW外径要求下，尽可能采用更大直径的外层股线，通过增大股线截面来减少断股的概率。通过对雷击断股事故分析，建议在强雷击区考虑采用外径较大的铝合金线和/或铝包钢线单丝，在弱雷击区外层金属单丝的直径也不宜过小。四：配合设计实例介绍某热电公司新建线路，输电线路为同塔双回线路，电压等级220kV，架设双避雷线，最大使用张力为24220N，安全系数2.5倍，架线弧垂不得大于地线特性曲线表，短路电流取值为19.5KA，故障电流时间取0.3秒。根据用户的设计资料
14、，选出推荐光缆结构。由于电厂出口处故障电流较大，所以OPGW光缆截面也比GJ-50线大很多。因此需要验证推荐的OPGW光缆能否满足线路架设要求。1）用户提供的地线（GJ-50）的“弧垂应力”特性参数表如下：档距气象条件最低气温20度年平均气温10度、无风无冰40度-5，有风有冰单位150m应力288.2572233.2821184.0676310.0307N/mm2弧垂0.820/1.284/m200m应力254.2975208.0251169.9818310.0277N/mm2弧垂0.652/2.471/m250m应力221.6500186.7753159.5658310.0267N/mm2
15、弧垂2.961/4.113/m2）推荐的OPGW型号为OPGW - 2S 1/24B1 (71/36 -113.8 )，其技术参数如下：项目OPGW光缆技术参数结构形式松套不锈钢管层绞式结构外径 (mm)13.85截面积（mm2）107.4重量 (kg/km)460额定抗拉强度 (kN)65.5弹性系数 (kN/ mm2)97.8线膨胀系数 (1/10-6)17.4直流电阻 (20，/km)0.389允许短路电流容量 (KA2S)114（0.3秒，短路电流值为19.5 KA）3) OPGW的“弧垂应力”及“比载”根据架空地线的力学计算原则进行，主要计算公式如下a) 光缆应力与弧垂： (m) b) 自重比载： (N/mmm2) c)冰重比载： (N/mmm2) d)自重和冰重比载： (N/mmm2)e)无冰时风
