OPGW光缆在220千伏系统中应用的几点思考

发布日期:2017-06-10 10:18

最近几年,复合光纤架空地线在我国电力建设中获得了飞速发展,几乎所有的新建500千伏和220千伏输电线路,都选择了复合光缆作为架空地线,其光纤芯数也从早期的六~八芯,迅速攀升到16~24芯及以上,高的已达到72芯,还包括G655光纤。同时出现了一批千公里以上的长距离主干光纤线路。复合光纤架空地线正面临一个前所未有的朝阳时代,这也是技术发展和进步的必然。

  undefined在我国超高压电力网结构中,截止到2000年底,220千伏以上的线路共有约16万3千公里,其中500千伏、330千伏和220千伏线路大约分别为27300、8600和127000多公里,由于我国大规模采用复合光纤架空地线的时间(大约从1998年起)比发达国家约推迟了10年,(有资料表明,发达国家大约在80年代未和90年代初就大量架设OPGW光缆),致使我国早期建设的超高压网架和光纤复合架空地线擦肩而过。在已建的500千伏网架中,架设OPGW光缆的比例约为20%,而对发达的220千伏网络,则是瘳瘳无几。(但有一部分采用了ADSS光缆)。

  在当前众多的工程项目中,凡是新建的,无论是220千伏还是500千伏输电线路工程,架设OPGW光缆时选型问题均比较容易解决,如今的OPGW光缆生产技术,已经发展得相当成熟,可以为各种条件的工程提供完备的解决方案,问题是不少220千伏线路在改造中,或通信光缆的升级中,需架设OPGW光缆。由于原线路建设时,未考虑到OPGW光缆的技术特点,在原线路地线支架不改变(或不作大的改造)的前提下,要能接纳OPGW光缆,由此引伸出不少问题,本文就此展开讨论,提出几点思考,以达到抛砖引玉的目的。

  在这一类工程中,往往具有以下一些特点,线路运行已达10年以上,有的甚至达到20年,有铁塔也有水泥杆,或兼而有之。地线则普遍采用GJ-50钢绞线(这和我国的设计规程有关),在这种条件下,不少建设单位(含一些设计院)就提出,所配的光缆必须和GJ-50相配,相应直径不能大于9mm(因为GJ-50钢绞线的直径是9mm),并且需承受相当数量的短路电流。

 undefined OPGW光缆的选择,主要着眼于以下几点:光纤芯数及光纤技术要求,光缆的热容量,光缆的力学性能(即弧垂特性)包括其外径和重量。其中每一项要求,都折射出原工程的影子,恰当地处理好这些参数之间的关系,综合兼顾,使所选择的OPGW光缆能为这些“老工程”所接受,这是一个技术决策者必须妥善解决的问题。

  对光纤的技术要求,目前都有认可的技术标准,如ITU-T G.652等,这些标准大约每四年会再版一次,其技术水准也在不断提高,再要提高某些技术要求,如衰减指标等,必须放在整个通信系统的大环境中考虑,如光缆的总长度,系统对总的衰减指标的要求等。简单地认为光纤指标总归越先进越好的观点是不全面的。这样做,会导致光缆的投资增加,而整个系统却未必得益。所以对光纤的技术参数应慎重决策。而对光纤的芯数,则应对未来的发展有一个充分的估计,这里还涉及到对路径价值的认识问题。像早期选用六芯~八芯OPGW光缆的现象现在已很难看到了。笔者认为,对光纤芯数的预测出现不定时,宜向大芯数方案倾斜,这样比较主动,也为OPGW光缆的工程经验所证实。

  对光缆的热容量,将直接影响到光缆的结构和选型,应予充分重视。在常规的OPGW光缆结构中,热容量大小的本质,将决定光缆铝(或铝合金)截面的大小。直至影响到光缆结构。而光缆所应承受的热容量,主要取决于光缆所处系统的状况,包括5-10年的发展规划,系统最大的短路电流(严格来讲是带有最大零序分量的短路电流),故障的切除时间,以及光缆和相邻地线之间的电流分配。一般说来,短路电流的取值应将系统放在一个5-10年的规划中考虑,同时附以最大运行方式和最高气温月的最高平均气温。其次是线路各点发生故障时,短路电流是不一样的,最严重的是故障点发生在变电所的进(出)线档,这成为热容量参数中短路电流的控制点。而离开这一档或这一耐张段,短路电流就迅速衰减。通常在离开门型架3-5公里以后,会有20%-30%的衰减量(有时和线路的长短有关系),但理论上,线路各点的故障率是呈等值分布的,另一个关键的参数就是承受短路电流的时间,在华东地区的500千伏系统中,目前已普遍采用0.25秒。解剖一下,这主要由快速纵差保护和开关失灵保护这两部分时间所组成。目前还没有看到少于0.25秒的时间选择(直流系统除外)。对220千伏线路的保护,通常也能在0.1-0.15秒时间内完成,但其后各级保护或失灵保护的情况比较复杂,有时和母线主结线的方式有关系。统计资料表明,220千伏系统的保护动作正确率在98%以上,而线路保护的正确率也有相同的水平,眼下大部分220千伏的光缆工程其短路时间取0.35-0.5秒,并以0.5秒为多。现在的问题是,将上述这些“小概率”事件连续迭加(数学上为小概率事件相乘)后得出的短路电流容量要光缆承受(通常OPGW光缆和钢绞线配合时,要承受绝大部分的短路电流),而同时又要求光缆的弧垂和钢绞线相配。这对光缆就难以两全了。有的工程提出的热容量已接近开关的短路容量。这就更显不妥,在这些多重要求的夹击下,就使光缆的选型遇到了困难,有些工程就遭遇到所有投标商的光缆产品均不能满足标书要求的情况。这就促使我们必须从产生这些原则的“源头”去思考。

  undefined仔细分析影响光缆热容量参数的各种原因,不外乎“运行方式、环境气温、短路点位置和保护动作时限”这几大因素。而我们都自觉和不自觉地将这几种因素的最不利情况撮合在一起,这是不科学的。其结果正如前面所提到的,220千伏改建线路找不到合适的光缆。笔者认为,以下的组合是可以考虑的:“一般运行方式+年平均气温十非进(出)线档故障+主保护二阶段动作时限”或“最大运行方式+最高气温月平均气温+最危险点故障(一般也就是进出线档)+主保护一次动作时限”,在这两者中,可以取严重者考虑。这正如线路电气设计中在最大风的条件下不考虑系统过电压,以及系统通常只能考虑n-1的安全储备的道理是一样的。也有不少工程设计人员注意到,对线路比较长短路电流又较大的OPGW光缆线路,可以分段选型,也是比较有效的做法,这里不作赘述。

  值得补充的是,OPGW光缆在我国已有十几年的运作经验,粗略地估计,大约已有了约300~400公里·年的运行记录,没有发生一起因短路电流过载而损坏光纤的事件,这一方面说明,小机率事件连续发生是非常稀罕的,也说明在目前的光缆选型中,热容量参数具有较高的安全储备。对其进行适当的反思是可取的。

  为光缆选择合适的分流线,特别是在220千伏线路改造工程中,往往会成为OPGW光缆能否成功上马的关键性辅助措施。针对原先采用GJ-50钢绞线的220千伏线路,在线路两端采用合适的分流线是非常明智的做法。下面的一些线型值得考虑,可酌情采用。注:用户还可以找到其他结构的分流线,之所以这样选,主要是围绕GJ-50的直径和强度要求来选,因为不少用户不希望直径太大。

  需要特别指出的是,对分流线而言,在故障时其实际所分得的电流,取决于它和OPGW光缆阻抗(包括它们之间的互阻)之间的关系。但对于其热容量中时间的考虑,完全可以区别对待,可以取0.1-0.15秒(前者针对钢绞线,后者适用于其他导线)。这是一个很重要的技术原则和设计思想。我们可以将OPGW光缆作为一种“设备”,而将分流线作为“地线”,从性质上将它们区分,对同样热容量的分流线,只考虑其通过短路电流时间为0.1-0.15秒,实际上就是大幅度地提高了其抗衡短路电流的能力,对分流线而言,即使在非常难得的情况下偶尔“过热”一下,也没什么影响,它根本不同于光缆,有烧毁光纤、中断通信之忧。对靠长期累积效应才能发生强度下降的影响而言,这实在算不上什么,但我们采用这一特殊“技术政策”,却为220千伏改建线路(包括新建)接纳OPGW光缆打开了坦途。即原先采用GJ-50或GJ-70地线的杆塔,基地线顶架可基本不作加强(或改动)而直接架设OPGW光缆和相应的分流线。考虑到这些分流线均比较轻,和GJ-50钢绞线相比,只为其重量的75%左右。即重量为1吨的分流线可以施放3公里,一个工程用10公里左右的分流线,架设在两端,投资不超过8万元(连所需的配套金具在内),却解决了光缆的匹配问题,确实是个值得采纳的技术措施。

  关于地线的直径,影响到杆塔的水平荷重,但也不必过于绝对,直径稍大一些就认为不行,从更深层次考虑,顶架的水平荷重还和顶架本身,地线的平均高度,杆塔的水平档距等有关,简单地拿原地线的直径来要求光缆和分流线,有失偏颇。需要引起注意的是有些线路运行时间长久,地线顶架承受不平衡张力的能力会有所降低,架设光缆和分流线,应控制好最大张力,不降低原线路的安全运行水平。

  对于两层结构的OPGW光缆,由于上下扭绞得以平衡,而颇受用户欢迎,从而出现即使是在小直径的情况下,也要求OPGW光缆具有两层结构,并拒绝中心束管式光缆,其实大可不必。一则因为在小直径要求的(通常指直径小于12mm时)约束下,要结合大芯数光纤单元的二层层绞是很困难的,另则因为生产光缆的绞机一般均具有退扭功能。在该工艺条件下生产的光缆不足以在松驰状态下形成扭曲变形;再由于光缆都是定长生产,中间不得随意开断,接头均在耐张线夹的后面,这些特点决定了即使光缆单层绞也不会出现松股情况(制造质量不佳另当别论),单层绞结构已经为几乎所有光缆制造商所采用,并以此来满足对小直径光缆的要求,注意到这一点,无论对用户和制造商都是有利的。对于小直径的中心束管式光缆,不能借助于绞制产生两次余长,但在大多数情况下,包括某些山区工程和复冰15mm地区,光纤单元的一次余长已能够满足工程要求,以余长过小而拒绝小直径的中心束管式光缆,理由并不充分。

  总之,在220千伏网络工程中,尤其是老线路改建或增挂光缆工程中的选型问题,不外乎是上述这些问题的交叉组合,只要抓住关键要求,综合平衡,全面完整地理解复合光缆,重视分流线的采用,在技术原则上区别对待,特别是分流线的短路时间,就不难为工程找到一个完美的解决方案,这些技术观点对500千伏系统网络中的光缆工程也同样可引以为鉴。

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