OPGW光缆勘测设计教学PPT.ppt

opgw光缆勘测 设计 湖北省武汉2012年10月 内容一 opgw光缆结构型式二 光缆在输电线路上的架设三 光缆的勘测和设计四 设计需要收集的资料 计算 出图 一 opgw光缆结构型式 1 1opgw结构型式opgw光缆又称架空复合地线 在输电线路上有两个功能 一是避雷线的功能 起到防雷的作用 二是通信的功能 电力系统的调度 通信 保护 监测 监护等信号和数据都是由opgw光缆进行传输的 目前 世界上流行的主要几种opgw的光缆结构 有紧套结构 松套中心加强件层绞式结构 骨架式结构 骨架结构中有塑料开槽结构 铝质开槽结构 中心束管式 有机合成材料管 钢管或铝管 松套绞合管钢绞线绞合式 opgw各种结构性能的比较见表1 1 1 在实际工作中 上述各种型式都得到了应用 按光纤在运行时是否受力 可将opgw的结构分为紧套结构和松套结构两种 紧套结构由于结构紧密 光纤的活动空间较小 余长也较小 opgw受到拉伸负荷时 光纤承受的张力也较大 对于紧套结构 有一种观点认为 由于紧套结构中的光纤承受张力较大 所以很难保证光纤的低衰减性 相反的观点则认为 光纤并不怕拉伸 其抗拉强度是很高的 光纤主要不能受挤压弯曲 有关紧套光纤的拉力衰耗实验表明 在断裂前无衰耗 仅有点杂音 对于松套结构 有一种观点认为 由于松套结构中的光纤有较长的余长 所以在opgw受到拉伸负荷时光纤承受的张力较小 因此光纤的衰耗较小 相反的观点则认为 光纤的余长过大 低温时光纤过弯挤 衰耗会增大 从opgw的生产和使用上看 紧套结构的opgw主要是日本厂家生产 而欧美厂家生产的opgw绝大多数采用松套结构 这两种结家生产都有长期可靠运行的记录 因此这两种结构的opgw均可在本工程中使用 铠装层是opgw屏蔽 防雷功能的元件 也是短路电流的直接承受者 同时它为opgw缆芯提供了保护 铠装是根据地线要求和机械特性由铝合金及镀锌钢丝或高强度的铝包钢和铝合金组成 铝 或铝合金 提供导电性能 钢提供所需的机械强度 目前opgw光缆用的比较多的是层绞式 中心束管式 中心束管式opgw 11 70 2结构示意图 层绞式opgw 110结构示意图 二 光缆在输电线路上的架设 电力系统opgw光缆的架设是利用输电线路的铁塔 将原起单一防雷作用避雷线 改为架空复合地线即opgw光缆 可不再另辟架空通信走廊 可节约土地资源 opgw架设可在已经运行的输电线路和新建设的输电线路上架设两种情况 这两种架设情况在opgw光缆的勘测设计中情况考虑的问题基本相同 但在两种情况的opgw光缆的勘测设计中遇到的困难不同 opgw在新建设的输电线路上架设 由于是新建线路 因此设计气象条件 导地线的选型 导地线之间的配合 绝缘配合 对侧分流地线 铁塔和基础荷载和铁塔和基础的设计都是统筹考虑进行勘测设计 因此遇到的问题和困难也是一般通常在设计中遇到的问题和困难 同时由于是新建线路因此opgw光缆的施工也相对在老电力输电线路上施工要单一和容易得多 opgw在已运行的输电线路 老输电线路 上架设 由于是老线路 因此设计气象条件 导地线的选型 导地线之间的配合 绝缘配合 对侧分流地线 铁塔和基础荷载和铁塔和基础的设计都已经确定 此时需考虑的问题和遇到的问题如下 1 opgw光缆的选型 热稳定计算 对侧分流地线 opgw光缆和普通地线的分流情况 对侧分流地线满不满足热稳定要求 需不需要更换对此普通的地线 2 根据设计气象条件 计算opgw和更换后的对侧普通地线的荷载 并校核铁塔和基础的荷载 根据目前已经设计的opgw光缆工程情况 通常情况是opgw和更换后的对侧普通地线的荷载要超过原普通地线的荷载 原线路中所用铁塔有局部杆件的荷载超过了要求 需要更换这部分杆件 3 遇到的困难 通常是由于线路运行多年 原始的设计资料不全或者有的设计资料根本没有 因此使得计算和校核工作根本无法进行 这将给工程设计 施工和今后的输电线路运行带来隐患和风险 同时由于是老电力输电线路上施工 施工时一般都要求停电 由于停电时间运行单位一般都要求尽量的短 因此要求施工单位相应的要增加人力和施工设备 在一定程度上造成施工费用和成本上升 根据上面的叙述 opgw分为在新 老输电线路上架设的两种情况 在opgw建设早期为形成通信环网 有些opgw工程是利用老输电线路进行设计 架设的 随着opgw环网的形成 新建的opgw光缆工程都是在新建电力输电线路上进行设计 施工的 根据省院所接触的业主 是跟通信部门打交道的机会较多 通信部门建设opgw光缆主要是利用电力部门的输电线路进行架设的 因此省院主要还是利用老输电线路进行架设设计的 针对省院的情况 下面介绍一个利用老输电线路架设opgw光缆的实际工程 谈一谈工程设计过程 三 光缆工程在已建输电线路上的设计实例 设计章节目录概述设计依据设计规模设计范围线路概况设计气象条件opgw的选择opgw的选择原则opgw的合理配置opgw选型光缆金具串光缆防振杆塔基础设备材料表电气部分结构部分 1 概述 1 1设计依据中国电力顾问集团中南电力设计院 关于委托东津 韩岗220kv部分线路改造成opgw光缆的设计事宜 1 2设计规模南阳 荆门1000kv输电线路与220kv韩岗 东津输电线路工程交叉点至东津变段将220kv韩岗 东津输电线路工程的两根地线改造为一根opgw光缆 光缆为两个光单元 每个光单元为24芯 g652 光缆对侧的分流地线根据地线热稳定的要求更换为良导体地线 1 3设计范围自东津变龙门架至南阳 荆门1000kv输电线路与220kv韩岗 东津输电线路工程交叉点止25 119km架空光缆本体设计和因架设光缆引起的杆塔补强设计 1 4线路概况南阳 荆门1000kv输电线路与220kv韩岗 东津输电线路工程在刘家后寨附近交叉 交叉点在220kv韩岗 东津输电线路工程的j7大号侧2km左右的69 塔处 离220kv东津变25 119km 并且东津变也处于南阳 荆门1000kv输电线路的中间 因此东津变是一个理想的中继站的站址 东津变作为中继站形成南阳 东津变 东津变 荆门的光缆通道 220kv韩岗 东津输电线路工程导线采用lgj 400 35型钢芯铝绞线 地线采用gj 50型镀锌钢绞线 线路全长54 931km 220kv东津变 69 塔 长约25 119km 杆塔使用情况如下 sj3双回路终端塔1基 gj1单回路耐张塔6基 gj2单回路耐张塔1基 m2单回路自立塔10基 zml拉线塔50基 l t2拉线水泥杆1基 此段共使用杆塔69基 220kv韩岗 东津输电线路工程的路径和与南阳 荆门1000kv输电线路的交叉点位置详见附图 2 气象条件 220kv韩岗 东津输电线路工程是1996年设计 1999年施工 投产 期间运行情况良好 没有因气象原因发生过事故 220kv韩岗 东津输电线路工程的设计用气象条件见下表 设计用气象条件一览表 3 opgw的选择 3 1opgw的选择原则根据设计委托书的要求 本工程是将220kv韩岗 东津输电线路工程东津变 69 塔段的两根普通地线更换为一根opgw架空复合地线 按设计委托书光缆为48芯g652 opgw的型号的确定 必须综合考虑以下各方面的因素 1 在导地线的线间距离满足防雷要求下 安全系数大于导线的安全系数 年平均运行应力不超过破坏应力的25 2 导线断线时 opgw对杆塔有足够的支持力 3 opgw过载能力满足工程要求 4 线路发生单相接地短路时 opgw能承受通过的返回电流 其温升不超过允许值 满足热稳定要求 5 opgw在减少潜供电流 工频过电压上满足系统要求 6 满足通信保护设计的要求 7 线路短路电流按2020年系统规划水平设计 8 线路短路切除时间为0 3s 9 土壤电阻率按实测值计算 3 2opgw的合理配置架空地线是高压送电线路最基本的防雷措施 而目前在国内外电力系统广泛采用的光纤复合架空地线 opgw 则是在地线的金属结构中增加光纤等非金属材料 这种光纤复合地线除继续发挥地线防雷的功效外 还用于通信 光纤通信有信息量大 抗干扰能力强等等优点 高压送电线路发生雷击故障时 架空地线上的雷电流辐值虽然很大 但持续时间短 不超过100 s 产生的热量不大 而输电线路发生单相接地故障时 地线上会通过很大的短路电流 切除故障时间相对较长 将使地线产生急剧的温升 地线过热会危及线路运行安全 而opgw的过热则会损坏纤芯 造成系统通信的中断 因此 在opgw的合理配置以及opgw的选型中 在满足光通信的前提下 除满足力学特性外 最重要的就是对opgw进行热稳定计算 即要根据系统切除故障的时间和短路电流的大小来计算因短路电流而引起的温升 以保证温升不超过允许的最大值 3 2 1地线和opgw的热稳定短路电流计算年限一般考虑5 10年的系统发展与规划 根据系统提供的2020年单相接地短路电流 在东津变最大接地短路电流为8 12ka 韩岗变最大接地短路电流为2 13ka 3 2 2故障切除时间当线路发生故障时 主保护动作时间为0 03s 考虑短路器拒动情况下 失灵保护动作 动作时间为 失灵保护整定时间为0 15 0 30s 通道传输时间0 02s 开关切除时间0 04s 总动作时间0 24 0 35s 参照目前有关规程规定 切除故障时间按0 3s考虑 即短路电流持续时间为0 3s 3 2 3土壤电阻率opgw上短路电流分布 与杆塔接地电阻及土壤电阻率有直接的关系 土壤电阻率越小 杆塔接地电阻就越小 opgw上的返馈电流就越小 反之 opgw上的返馈电流就越大 根据220kv韩岗 东津输电线路工程终勘现场实测的土壤电阻率 土壤电阻率大约在50 1000 m之间 本次初步设计按实测值计算 3 2 4opgw上的短路电流分布输电线路发生单相接地短路时 短路电流将沿地线和大地返回到电源中性点 由于opgw通过杆塔接地 地线不绝缘 所以opgw返回的电流中有一部分通过杆塔的接地电阻而直接入地 opgw中返回的短路电流将随着距故障点的距离增大而衰减 另外当线路发生接地故障时 在opgw上除了有返回的短路电流外 还有因故障电流感应而产生的感应电流 它与导地线间的互感成正比 与地线 大地的自感成反比 与导线上流过的零序电流成正比 3 2 5opgw的热稳定计算电流通过导体时会产生热量 热量与电流的平方成正比 与时间成正比 热量的积蓄会导致导体温度升高 导体的温升可以分为两类 一种是长期的发热 在这种情况下 通过传导 辐射和空气的对流等方式 不断的将热量向外扩散 并达到平衡状态 另一类是短时的发热 在这种情况下 热量向外扩散可以不予考虑 热量将完全储存在导体内 并表现为导体的温度升高 本工程短路电流的持续时间很短只有0 3s 因此按照后一种情况计算比较接近实际情况 根据opgw生产厂商提供的资料 opgw的温度不能超过 200 普通地线校验热稳定时 根据规程规定 允许温度分别为 钢芯铝绞线 钢芯铝合金绞线为 200 钢芯铝包钢绞线为 300 镀锌钢绞线为 400 3 2 6热稳定计算方法目前计算地线和opgw的热稳定电流有同温法 异温法和综合法 同温法是考虑内部瞬时传热时 各种金属同时达到同一温度 这种方法是不符合实际的 但简单易行 所以还是被广泛的采用 异温法是考虑在地线和opgw中 传热比发热慢得多 所以在短路持续时间内 地线和opgw中各种不同金属达到的最高温度是不一样的 发热的各个金属的温度变化也是不同的 电阻比例也是在变化 使金属之间的电流分配比例也是不断变化的 异温法不考虑传热 各金属发的热由自己吸收 这种方法较同温法准确 但计算较复杂 借助计算机可以很好地分析这个过程 综合法是以异温法为基础 补充考虑传热和集肤效应的影响 显然该方法计算结果精确 但计算较复杂 需借助于计算机完成 同温法是考虑内部瞬时传热时 各种金属同时达到同一温度 这样致使计算出来的热稳定电流值偏大 致使选出来的地线和opgw的截面偏小 这是不合理的 也是不安全的 因此本工程采用异温法计算地线和opgw的热稳定电流值是比较切合实际的 同时也能满足设计精度的要求 3 3opgw选型 3 3 1opgw结构选择目前 世界上流行的主要几种opgw的光缆结构 有紧套结构 松套中心加强件层绞式结构 骨架式结构 骨架结构中有塑料开槽结构 铝质开槽结构 中心束管式 有机合成材料管 钢管或铝管 松套绞合管钢绞线绞合式 opgw各种结构性能的比较见表3 3 1 表3 3 1opgw各种结构性能比较 在实际工作中 上述各种型式都得到了应用 按光纤在运行时是否受力 可将opgw的结构分为紧套结构和松套结构两种 紧套结构由于结构紧密 光纤的活动空间较小 余长也较小 opgw受到拉伸负荷时 光纤承受的张力也较大 对于紧套结构 有一种观点认为 由于紧套结构中的光纤承受张力较大 所以很难保证光纤的低衰减性 相反的观点则认为 光纤并不怕拉伸 其抗拉强度是很高的 光纤主要不能受挤压弯曲 有关紧套光纤的拉力衰耗实验表明 在断裂前无衰耗 仅有点杂音 对于松套结构 有一种观点认为 由于松套结构中的光纤有较长的余长 所以在opgw受到拉伸负荷时光纤承受的张力较小 因此光纤的衰耗较小 相反的观点则认为 光纤的余长过大 低温时光纤过弯挤 衰耗会增大 从opgw的生产和使用上看 紧套结构的opgw主要是日本厂家生产 而欧美厂家生产的opgw绝大多数采用松套结构 这两种结家生产都有长期可靠运行的记录 因此这两种结构的opgw均可在本工程中使用 铠装层是opgw屏蔽 防雷功能的元件 也是短路电流的直接承受者 同时它为opgw缆芯提供了保护 铠装是根据地线要求和机械特性由铝合金及镀锌钢丝或高强度的铝包钢和铝合金组成 铝 或铝合金 提供导电性能 钢提供所需的机械强度 3 3 2opgw光缆选择根据有关防雷要求 光缆外层单丝应为铝包钢丝 参照光缆生产厂家提供的参数 选择了一种层绞式型号的opgw和一种中心束管式型号的opgw进行计算 分析 比较和选择 两种光缆的型号分别为opgw 1 opgw 2计算 分析 比较和选择的结果见表3 3 2 表3 3 2opgw光缆比较表 3 3 3opgw光缆选择结论根据表3 3 2opgw光缆比较表可以看出两种型式的光缆的机电强度都可满足本工程的需要 虽然opgw 2 中心束管式 的机电参数与gj 50的机电参数接近 更换opgw光缆后更换杆塔塔头的构件最少 但在东津变出口处opgw 2 中心束管式 不能满足热稳定的要求 因此本工程推荐使用opgw 1 层绞式 两个光单元 型光缆 3 3 4分流地线的选择根据地线热稳定的计算以及地线与opgw光缆的分流配置情况 本工程在东津变 j3段的地线需更换为lgj 70 40型钢芯铝绞线 此段长度为4 818km 3 4光缆金具串光缆用金具串由厂家负责提供 但设计要求金具之间不允许有点和线接触 满足规程要求 光缆耐张金具串应可调整长短 3 5光缆防振光缆的防振方案由光缆的生产厂家负责提供 4 杆塔 220kv韩岗 东津输电线路工程 220kv东津变 69 塔 长约25 119km 使用了sj3双回路终端塔1基 gj1单回路耐张塔6基 gj2单回路耐张塔1基 m2单回路自立塔10基 zml拉线塔50基 l t2拉线水泥杆1基 此段共使用杆塔69基 zml拉线塔 m2单回路自立塔的地线均按gj 50型镀锌钢绞线设计的 更换opgw 1型光缆后 opgw光缆的直径 张力和单重都较gj 50型镀锌钢绞线大 因此zml拉线塔 m2单回路自立塔的塔头部分杆件需更换 l t2拉线水泥杆1基需更换为一基gj1耐张塔 其余塔型满足本次使用条件 不予更换 另外由于南阳 荆门1000kv输电线路与220kv韩岗 东津输电线路工程交叉处69 为m2自立直线塔 为了opgw上到南阳 荆门1000kv输电线路的杆塔上去 需将69 m2自立直线塔改为gj1耐张塔 5 基础 本工程基础经验算均满足本次使用条件 不予更换 6 设备材料表 6 1电气部分 注 本材料表只含线路改造部分和架空部分的opgw光缆的材料 不含普通光缆和变电站内的材料 6 2结构部分 四 设计需要收集的资料 计算 出图 4 1根据系统的短路电流 确定在光缆上的返回电流 根据流过光缆上的返回电流 确定光缆的截面 地线的热稳定电流计算详见 110 500kv送电线路设计规程 光缆的生产厂家在光缆的参数中也会提供光缆的允许短路电流值 选择光缆的允许短路电流值大于系统计算的地线短路电流返回值 opgw光缆的热稳定电流计算见下表 opgw光缆的热稳定电流计算 4 2设计气象资料 导地力学计算和绝缘配合计算 输电线路运行在自然条件下 因此输电线路铁塔要能承受在各种自然条件下导 地线的荷载 而导 地线的荷载与温度 覆冰 风速是密切相关的 因此在opgw光缆设计时要收集到原输电线路的设计气象条件 才能计算出与原线路气象条件条件下的opgw光缆的荷载 根据规程规定地线 opgw光缆在15 无风 时在档距中央导线与光缆的距离须满足s 0 012l 1 l 档距m 即绝缘配合计算 根据绝缘配合计算 确定光缆的安全系数 光缆的安全系数要求大于导线的安全系数2 5 导地线力学计算和绝缘配合计算详见 电力工程高压送电线路设计手册 下面导地线力学计算和绝缘配合计算的过程和结果 lgj 400 35导线规格及设计数据名称符号数值单位导线规格 弹性系数 65000 a线膨胀系数 0000205 单位长度重量 1 349 外径 26 82 计算截面 425 24 2拉断力 p98700 设计参数 设计安全系数 2 5平均运行张力 25 p 重力加速度 9 80665 2气象条件 序号代表情况温度 风速m s冰厚mm 最低气温 2000 平均气温1500 最大风 5250 覆冰 51010 最高气温4000 安装 10100 外过电压 无风 1500 外过电压 有风 15100 内过电压15150 临界档距 初值 终值 控制情况 r趋于零 157 8608由最低气温条件控制157 8608 203 7561由平均气温条件控制203 7561 r充分大由覆冰条件控制lgj 400 35张力 弧垂计算 张力 最低气温平均气温最大风覆冰最高气温 100 003948022379325863497214194150 003948024373340463809317456157 863948024675342843858017913200 003711724675336443941119181203 763690724675335913948019279250 003337324036321623948019894300 003035123546309963948020372350 002820923204301543948020716400 002673822962295473948020970450 002571822786291033948021161500 002499122655287723948021307550 002445922555285203948021421600 002405822478283253948021511 张力 安装外过电压外过电压内过电压 无风 有风 100 0034269223792243422654150 0034733243732446024806157 8634813246752476725131200 0033097246752479425262203 7632949246752479625272250 0030338240362417924746300 0028211235462370724340350 0026727232042337624055400 0025701229622314223851450 0024979227862297123702500 0024457226552284423590550 0024071225552274723505600 0023777224782267123438 弧垂 覆冰最高气温外过电压 无风 100 000 851 170 74150 001 752 131 53157 861 912 301 67200 003 013 452 68203 763 113 562 78250 004 695 204 30300 006 767 316 32350 009 209 798 74400 0012 0212 6311 54450 0015 2115 8514 72500 0018 7919 4418 28550 0022 7423 4122 23600 0027 0827 7526 55 gj 50地线规格及设计数据名称符号数值单位地线规格 弹性系数 181420 a线膨胀系数 0000115 单位长度重量 3849 外径 9 计算截面 48 35 2拉断力 p55260 设计参数 重力加速度 9 80665 2气象条件 序号代表情况温度 风速m s冰厚mm 最低气温 2000 平均气温1500 最大风 5250 覆冰 51010 最高气温4000 安装 10100 外过电压 无风 1500地线荷载 名称符号 数值 自荷载 1 0 0 3 7746冰荷载 2 10 5 2683自荷载加冰荷载 3 10 9 0428无冰时的风荷载 4 10 0 6619无冰时的风荷载 4 25 3 5166覆冰时的风荷载 5 10 10 2 1329无冰时综合荷载 6 10 3 8322无冰时综合荷载 6 25 5 1589覆冰时综合荷载 7 10 10 9 2910 gj 50与lgj 400 35配合张力 弧垂计算控制档距 塔头处导地线间的水平距离 s 1 1 塔头处导地线间的垂直距离 h 9 6 由 0 012 1米配合间距解得 q 1441 461 张力计算过程中实际选用的档距值 x 600 张力 最低气温平均气温最大风覆冰最高气温安装外过电压 无风 100 008826605081209878458479906050150 0088586558872611356537281676558157 8688686635882011574548381996635200 0083926635886812284572978826635203 7683536635887212341574778566635250 0077106473871912785581373826473300 0072266348859313152585770266348350 0069046261850013431588567866261400 0066866199843113646590366226199450 0065356154838013813591665076154500 0064266121834113945592564236121550 0063456095831114051593263606095600 0062846075828714136593763126075 弧垂 外过电压 无风 100 000 78150 001 62157 861 77200 002 85203 762 95250 004 56300 006 69350 009 24400 0012 19450 0015 55500 0019 31550 0023 47600 0028 04 opgw 112地线规格及设计数据名称符号数值单位地线规格 弹性系数 85000 a线膨胀系数 000017 单位长度重量 4405 外径 13 8 计算截面 112 2拉断力 p59850 设计参数 重力加速度 9 80665 2气象条件 序号代表情况温度 风速m s冰厚mm 最低气温 2000 平均气温1500 最大风 5250 覆冰 51010 最高气温4000 安装 10100 外过电压 无风 1500地线荷载 名称符号 数值 自荷载 1 0 0 4 3198冰荷载 2 10 6 5992自荷载加冰荷载 3 10 10 9190无冰时的风荷载 4 10 1 0150无冰时的风荷载 4 25 5 3921覆冰时的风荷载 5 10 10 2 4860无冰时综合荷载 6 10 4 4375无冰时综合荷载 6 25 6 9091覆冰时综合荷载 7 10 10 11 1984 opgw 112与lgj 400 35配合张力 弧垂计算控制档距 塔头处导地线间的水平距离 s 1 1 塔头处导地线间的垂直距离 h 9 6 由 0 012 1米配合间距解得 q 1441 461 张力计算过程中实际选用的档距值 x 600 张力 最低气温平