光纤复合架空地线(OPGW)应用中若干问题的讨论

1、光纤复合架空地线(OPG W 应用中若干问题的讨论张新林(徐州电力勘察设计院,江苏徐州221005摘要:光纤复合架空地线(OPG W 已经应用很长时间了,从国内外的运行情况来看,大多数的光缆运行情况是比较好的,目前已经不存在大的争论焦点,但在具体应用中还存在一些问题,并有不同的看法,本文从线路使用的角度出发,对这些问题进行了分析和讨论。关键词:光纤复合架空地线(OPG W ;应用;若干问题;分析和讨论中图分类号:T N818;T M244.2文献标识码:A文章编号:167226901(20080520033205D iscussi on on So m e Proble m s i n the

2、 Appli ca ti onof O pti c F i ber Ground W i res (O PG W Z HANG Xin 2lin(Xuzhou I nstitute of Electric Power Survey and Design,Xuzhou 221005,China Abstract:It has been a l ong ti m e since op tic fiber gr ound wires (OPG W was put int o app licati on .Seen fr om the operati on of OPG W cable lines a

3、t home and abr oad,mostOPG W cables are operating well and there are no great con 2tr oversies .But s ome p r oble m s do exist in the p ractical app licati on and s o do different vie ws .This paper analyzed and discussed these p r oble m s fr om the vie w point of line app licati on .Key words:op

4、tic fiber gr ound wires (OPG W ;app licati on;s ome p r oble m s;analysis and discussi on收稿日期:2008203225作者简介:张新林(1974-,男,工程师.作者地址:江苏徐州市解放北路20号221005.0引言光纤复合架空地线(OPG W 自上世纪70年代末至今已应用了很长时间,从国内外运行情况来看,大多数OPG W 线路运行良好,已不存在大的争论,而且目前已有了一些产品标准及线路施工规程和规范。但是,在实际应用中仍遇到了一些问题,笔者作为一个线路设计人员提出了一些个人的见解,供有关人员参考和讨论。1

5、分流地线的选取问题1.1地线的作用输电线路使用地线的主要原因是考虑地线对导线的防雷保护,同时还兼有减少潜供电流、降低工频过电压、改善对通信设施的干扰影响和作为高频载波通道。由于目前国内的通信设施已经基本实现光纤化,因此,改善对通信设施的干扰影响已经不再是重要的了;而OPG W 、ADSS (全介质架空光缆的使用,也将地线的高频载波通道的作用基本解决。因此,目前的地线主要作用就是对导线的防雷保护、减少潜供电流和降低工频过电压。1.2O PG W 与另一根地线的分流原则由于OPG W 在电网的调度、运行及二次保护中起到的作用是无可比拟的,因此,在设计地线时,应该将OPG W 摆在重要的核心位置。O

6、PG W 设计中的最关键指标之一是其短路电流热容量,因此,这决定了不应该由OPG W 来主要承担分流短路电流的任务,而另一根分流地线除了可以作为一根避雷线使用能够满足防雷要求和足够的强度外,还要在系统短路时能够分流一半或更多的短路电流,以保证光纤的安全。因此选择合适的分流地线对于系统的安全运行是至关重要的。在目前系统短路电流的分配设计中,一般应考虑分流地线的直流电阻应等于或小于OPG W 的直流电阻,即至少能分流一半或更多的短路电流,因此,通常分流导线与OPG W 分流比至少为11。也可以粗略认为OPG W 和分流地线之间分流比与两者的直流电阻成反比。OPG W 的热容量大小,将直接影响到OP

7、G W 的结构和选型。在常规的OPG W 结构中,热容量大小将决定OPG W 中的铝(或铝合金截面的大小,甚至影响到光缆结构设计。而OPG W 应能承受的热容量大小,主要取决于其所处系统运行的状况,包括今后510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OPG W 和相邻地线之间的电流分配;而且线路故障发生点不同,所产生的短路电流大小也是不一样的,最严重的是故障点发生在变电所的进(出线档,因此,这就成为热容量(I 2t 参数中短路电流的选取值。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35k m 后会大幅度地衰减。另一个关键

8、的参数就是承受短路电流的时间t ,目前在华东地区的500k V 、220k V系统中通常采用0.25s 。图1为江苏省内500k V 扬东变(现名泰兴变与220k V 生祠变之间的220kV 输电线路单相接地时短路电流曲线图,从图1中不难看出,短路电流最大点在500k V 扬东变(现名泰兴变220kV 母线处,该处的短路电流已经超过48kA ,但离开500k V 扬东变(现名泰兴变220kV 母线2km 处,短路电流即已经降至30kA 左右。 图1220k V 扬生双回输电线路的单相接地时短路电流曲线图I k 1、I f 1分别为扬东变至生祠变之间220k V 线路单相接地故障的短路电流和零序

9、电流,I k 2、I f 2分别为徐庄变至生祠变之间220k V 线路单相接地故障的短路电流和零序电流。国内有许多电力设计院,对OPG W 的认识各不相同;在线路设计中有些设计人员对OPG W 的设计使用要求也不够清晰,尤其是分流地线的选取上,普遍存在着误配的问题,以至于设计要求由OPG W 来承担短路电流的泄流(即由OPG W 中导电及受力构件的钢绞线、铝包钢绞线等来承受绝大部分的短路电流,但同时又要求OPG W 光缆的弧垂与其钢绞线、铝包钢绞线相匹配,这对OPG W 而言难以两全了。有的工程提出的OPG W 短路电流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,使OPG

10、 W 的选型遇到了困难,有些工程的招标就遭遇到所有投标商的OPG W 产品均无法满足标书的要求。1.3分流地线的选用目前,国内使用的分流地线种类繁多,主要有镀锌钢绞线、铝包钢绞线、铝包钢芯铝合金绞线和钢芯铝绞线。表1为镀锌钢绞线的结构及参数,表2为部分铝包钢绞线的结构及参数。另一部分的铝包钢绞线及其他产品的结构及参数,可参阅相关的产品标准,本文不作详述。表1常用的镀锌钢绞线的结构及参数(1×10-6/°C /(kA 2s 10.819.736.350.7短路电流热容量I 2t 的温度范围为35400°C很明显,OPG W 一方面是作为地线,要能够承受较大的短路电流

11、,但另一方面又是作为220kV 及以上电网系统中最重要的光通信网络,为了使电网系统的安全、可靠运行,就必须对OPG W 提出高43表2部分铝包钢绞线的结构及参数型号JLB27250JLB30270JLB40270JLB40295结构7/3.07/3.67/3.67/4.6单位重量/(kg/km295403.7334446短路电流热容量/(kA2s短路电流热容量I2t的温度范围为40300°C的要求。因此,在选择分流地线时,应以OPG W为核心,以保护OPG W作为主要目的。因此对分流地线的选取应采用低直流电阻率的分流地线,以期一旦电网发生故障,可以由分流地线主要承担短路电流的泄流,尽

12、可能地保护OPG W。因此,镀锌钢绞线、低电阻率的铝包钢绞线如JLB23235、JLB20240、JLB27250、JLB30270等已不适宜作为分流地线使用。2O PG W结构选型及技术参数设定2.1O PG W结构的选型由于不同设计院,甚至同一设计院内不同的设计人员的设计理念、方法的不同,同一批招标,会提出多种型式的OPG W,甚至于相近似的情况会产生多种结构型式。这直接导致同一电网中的OPG W 结构型式选取过多,这一方面不利于简化招标过程;另一方面,也对备品、备件的储存产生了极大的不利影响。由于目前的器材体制已经转化到集中配送的方式,一旦遇到各种原因导致线路断裂或损坏的状况时,复杂、型

13、式多样的OPG W将不利于系统的快速修复。表3为笔者审查我省的三次标书时,对各个设计院上报的部分工程采用的OPG W有关技术要求的统计。表3江苏省近期220kV线路部分工程采用O PG W有关技术要求的统计序号截面/mm2直径/mm单位重量/(kg/km拉断力/kN20°C直流电阻/(/km短路电流热容量/kA2s弹性模量/GPa热膨胀系数/(1×10-6/°C光缆芯数1136.415.672593.10.322249110.815.336 213.6650.48636 316.7572189.30.29156.324 415.8638900.328168110.

14、815.336 516639800.3281501001720 616621850.317199.717.220 713816.5810.3318524 815.8638900.328168110.820 922.613901700.1560010015.336 1013.6460650.48648 1116.6594780.255207110.818.224 1216605900.297152.499.717.260 1313.6484.369.20.3661599416.436 1416722900.2917610915.536 1514016660800.314010915.530 16

15、13615.6680880.322170.310915.536 17118.914.5578.476.80.36910710915.536 186811.440757.50.85639.413213.824 1912014.658677.50.36613310915.536 2015.8638900.32812036 2115.8638900.32822536 22151.1216.372297.60.29156.33653从表3中不难看出,在同等级220k V输电线路中即选择如此多不同技术要求及型式的OPG W,而且有相当一部分要求存在这样或者那样的问题。2.2O PG W技术参数的设定目前

16、的OPG W基本都是要求全铝包钢设计,但在招标文件中提出的一些相关的技术参数,如:短路电流热容量、光缆直径、重量的要求,是明显互相矛盾的。例如1:表中序号为9的工程中短路电流热容量为600k A2s。按照目前江苏省电力系统的开关动作短路电流时间0.25s来计算,短路电流折合为48.99k A,而220kV系统的常规开关容量仅为50kA,尽量目前有一些变电站的220k V部分短路电流值已经超过50kA,但采取各种措施,目前已经基本降到了50k A以下。220kV系统原则上是双地线防雷保护,就算是采用镀锌钢绞线这样的直流电阻很大、分流能力很差的地线配合,也不应该出现这么大的短路电流要求。例如2:表

17、中序号为21的工程中,短路热容量的要求值为225k A2s,折合成短路电流为30 k A,全铝包钢结构、15.8mm的外径,可以说是基本无法设计出来的,这明显表示技术参数是互相矛盾的。例如3:在评标过程中,出现同样的结构型式的OPG W,却有不同的生产厂家提出了不同的短路电流热容量。综合考虑到以上因素,笔者认为,是否可以像导线规格系列一样,从光单元、金属绞线种类出发,根据短路电流热容量分档,制定出常规的OPG W系列产品型式;而对于非常规的OPG W型式,完全可以通过在招标文件中具体要求的方式来实现,这对于OPG W市场的规范化将起到极大的促进作用。对于另一根地线,也完全可以采用推荐的方式进行

18、匹配的选择。这样无论对OPG W的制造、应用均是有利的。3O PG W的修补OPG W在施工、运行过程中,在特定情况下可能发生断股现象。目前,造成运行中的OPG W断股的主要原因是雷击。当发生OPG W断股时,一般有两种解决途径:修补和更换。从我国目前所采取的解决方式来看,主要是采用了更换的方式。事实上, OPG W作为特殊的地线,应该允许其发生断股的,而决定采用何种方法的一个重要原则就是断股后OPG W的残余抗拉强度与断股前OPG W额定抗拉强度相比还剩多少。修补时应采用预绞丝补修,该预绞丝是事先预成型并沾好导电砂和导电胶的铝包钢线,预绞丝补修线一般长度为1.2m左右。以下以型号为OPG W

19、224B129081,50.3下锈钢管式双层结构OPG W(见图2为例,说明如何通过计算判断OPG W是否需要更换或修补 。图2不锈钢管式双层OPG W结构由于铝合金线能承受最高温度为200°C,铝包钢线为300°C,因此,通常前者比后者先损坏并断裂。如果按最坏考虑,OPG W外层的铝合金和铝包钢线各断裂一根情况进行计算。已知该型号OPG W 总拉断力P1=81.3kN,单根铝合金线直径d1= 2.52mm、抗拉强度f1=315kN/mm2,单根铝包钢线直径d2=2.52mm,抗拉强度f2=1340kN/mm2,则可通过下式计算铝合金线和铝包钢线各断裂一根后OPG W的抗拉

20、断力P2:P2=P1-f1×d214+f2×d22=81.3-(315×4.99+1340×4.99×0.9=73.87(kN式中,为绞合系数,即因铝合金线和铝包钢线因绞合引起的修正系数。因为75%RTS=75%P1=60.98kN,所以P2= 73.87>75%RTS,由此可认为OPG W在铝合金线和铝包钢线各断裂一根情况下可采用上述方法进行修补,而不必重新更换。(下转第38页图3电缆敷设及受损情况的分布本身发热产生的,不需要借助于其他媒质来传递。涡流是一种电磁感应现象,即块状的金属放在变化的磁场中,金属块中将产生感应电流,这种电流在金

21、属块内自成闭合回路,形成涡电流,由于整块金属的电阻很小,所以涡流常常很强,这将使金属块大量发热。产生涡流的前提是必须要有交变磁场,我们知道当导体中通过交变电流,在其周围就会产生交变磁场。对该电缆而言,属于钢带铠装(简称钢铠的三相四线制电缆,因三相四线制电缆通过电流时,三根相线流经的电流由于绞合的三相绝缘线芯的交叉换位,因此相互作用后的矢量总和为零,相互平衡,即不产生交变磁场。因此,钢管和钢铠中均无交变磁通通过,所以不会有涡流效应。因此可以断定,只有当电缆发生故障,绝缘损坏后,钢铠上流经故障电流,也就是说电缆对外表现的电流矢量和不等于零,并且在钢管中必有交变磁通通过,并产生涡流,而钢管是铁磁性物质,因此涡流损耗异常严重,从而使钢管产生高温,对电缆进行由外向内的热力作用,先烧焦外护套,进一步造成绝缘的粘结;而由于电缆在拐弯处时,流经钢铠上的电流形成的磁力线方向发生了改变,磁力线在此处的分布不是很密集,而是比较疏散,造成磁通的变化率很小,因此,钢管在此处产生的涡流及其损耗均很小,散发的热能对电缆的损伤比较轻微,造成钢管内部电缆烧毁的程度不同。4故障现象的实际排查与验证经过现场进一步的排查分析,在离配电箱10m 处的草坪下面,果然发现电缆存在一相绝缘的接地故障,接地电阻为1k,故障点附近有明显的外力的挖伤痕迹,而配电箱的保护装置设定有误,保护装置没有动作,造