OPGW线路设计浅谈

2022-09-10

光纤复合架空地线Optical fiber composite overhead ground wires (OPGW) 具有传统架空地线和通信光纤光缆的双重功能。用于电力系统内部的通信极输电线路维护保养信息的传送, 也可用于一般的公共服务网络, 作为电力系统继电保护的高频通道、运动信号及通信频道等使用, 同时能起到良好导体屏蔽地线的作用。因此, 在进行O P G W这种特种光缆的线路设计时必须充分考虑各种因素的影响, 并通过技术经济比较, 再结合设计规程进行设计。

1 OPGW的机械特性设计

O P G W机械特性设计主要需考虑安全系数、年平均运行张力、防振措施及塑性伸长处理等因素。O P G W的设计安全系数不应小于2.5, 且宜大于导线的设计安全系数。O P G W在弧垂最低点的最大张力, 应按下式计算

式中:Tmax为OPGW在弧垂最低点的最大张力, N;

TP为OPGW的额定拉断力, N;

KC为OPGW的设计安全系数。

悬挂点的设计安全系数不应小于2.25。架设在滑轮上的OPGW, 还应计算悬挂点局部弯曲引起的附加张力。在稀有风速或稀有覆冰气象条件时, 弧垂最低点的最大张力, 不应超过拉断力的60%。悬挂点的最大张力, 不应超过拉断力的66%。在同一线路上, 计算条件为+15℃、无风时, OPGW与普通地线的弧垂值宜取一致。

OPGW的年平均运行张力上限不得大于额定拉断力的25%, 并应根据平均运行张力的上限, 采取相应的防振措施。OPGW的年平均运行张力上限和相应的防振措施, 应由OPGW和配套金具的供应商提供并负责。

OPGW架设后的塑性伸长应按制造厂提供的数据或通过试验确定。如无可靠资料, 可根据线路规程按照铝钢截面比确定。塑性伸长对弧垂的影响宜采用降温法补偿。

2 OPGW的电气特性设计

由于OPGW使用的特殊性, 它不仅需承受与普通光缆同样的恶劣条件下的环境温度, 而且在大电流高电压的感应下, 会使OPGW产生感应电流, 从而使光纤的温度升高。因此其电气性能需要考虑OPGW的短路电流容量、OPGW线路和分流线的配置等方面的问题。

计算送电线路的短路电流, 按10～15年电力系统发展的规划或远景规划, 按系统最大运行方式确定。短路电流持续时间根据系统电压等级、保护配置等情况确定。对于220kV线路, 短路电流持续时间建议取值为0.3s;对于110kV线路建议按两端变电站提供的短路电流和对应的短路电流切除时间, 对OPGW进行校验。具有双地线的架空线路, 必须同时校验地线组合的热稳定。OPGW线路和分流线应有效分担返回地线的短路电流, 各段OPGW和分流线的结构型式、长度, 结合地线热稳定校验, 通过技术经济比较确定。

在OPGW的防雷方面, 应考虑增大外层股线的直径, 制造外层股线和内层股线之间的空气间隙, 防止热量从外层股线传导到内层和光纤, 加厚外层铝包钢的铝包厚度, 以便铝吸收更多的热量, 保护内部铝包钢线和光单元, 维持OPGW所需的抗拉强度。在相同的材料下, 采用直径更粗的外层股线是一种很有效的办法, 但应顾及到整个OPGW的外径符合要求。另外, OPGW的弧垂宜稍小于另一地线, 以保证对导线的安全距离和防雷保护角要求。

3 OPGW结构选择

选择合理的OPGW结构型式非常重要, 不同的结构型式有不同的特点。选择OPGW时, 应针对具体的工程项目, 结合各种结构型式的特点综合考虑。

一般而言, 对于新架线路, 宜采用松套结构偏心钢管式或中心钢管式OPGW。新建线路的杆塔承载结构可以适当调整以适应OPGW的要求。在各种松套结构的OPGW中, 以钢管层绞式结构最为紧凑, 其有效承载面积与总截面的比值最大, 在相同张力情况下, 它的总截面最小, OPGW的风压负荷最小, 对杆塔的负荷影响最小。不锈钢管式OPGW的尺寸小, 重量轻, 可以与传统的地线尺寸接近, 其单位重量和机械性能都与传统的地线接近。在承受短路电流冲击时, 热量对光单元的影响, 钢管型的影响远小于铝管型和铝骨架型, 钢管型能有效地保护光纤可靠性和传输性能的稳定。另外, 松套结构在余长方面的优势很适合于大档距、大高差等条件较为恶劣的线路。

对于已建线路更换原有地线架设OPGW, 经过参数配选, 一般情况下松套结构和紧套结构均能满足杆塔负荷要求, 此时, 选用松套结构为宜。但在某些特殊情况下 (如光纤芯数多、在平原地区运行较长时间的线路、覆冰严重等) , 如果光缆外径大, 需重新组立杆塔或大量更换塔材时, 也可考虑采用紧套结构。

总之, OPGW的结构选择要综合考虑地形、档距、气象条件、杆塔结构、造价等诸多因素, 经参数校核满足要求后才最终确定。

4 OPGW金具及附件设计

OPGW的金具不仅要满足一般电力金具的要求, 而且又区别一般电力金具。《OPGW国际规范IEEEP1138一般规定》明确规定:“金具的挤压不宜超过OPGW的设计挤压极限, 金具一般不宜设计成适合于OPGW一个范围内的直径。”意思就是说, 一种规格直径的OPGW必须有一套与之匹配的金具, 大小与之一一对应。

4.1 金具的设计安全系数

金具的安全系数应符合送电线路相应设计规程的要求。对于一般线路, 金具强度的安全系数不应小于下列数值。

最大使用荷载情况2.5

断线、断联情况1.5

对于大跨越线路, 金具强度的安全系数不应小下列数值:

运行情况3.0

断线情况2.0

验算情况1.5

4.2 悬垂线夹

由于OPGW要求保护光纤不致于过度弯曲而产生较大的弯曲应力导致OPGW表面龟裂而失效, 还需采取减轻对OPGW磨损和增大阻尼措施而延长寿命。采用大于10倍的OPGW允许弯曲半径或大于200倍OPGW直径, 且具有减轻磨损和增大阻尼功能的悬垂线夹。一般采用预绞丝悬垂线夹, 它具有制造简单, 安装方便, 使用效果好, 运行经验成熟等特点而大量地运用在地线复合光缆中。

4.3 耐张线夹

应用在OPGW上的耐张线夹主要有预绞丝耐张线夹和有限握力螺栓耐张线夹两大类。预绞丝耐张线夹的握力是由每一个节距集合而成, OPGW受力均匀, 安装方便, 刚性好, 抗震性好, 运行经验成熟。而有限握力螺栓耐张线在设计中要求压板对OPGW的压力恰到好处, 即保证足够的握力又不损伤光纤, 安装过程要求比较高。当然, 应用在OPGW中的还有不同结构的耐张线夹, 如捆扎式及各种螺栓式, 但不宜采用液压式耐张线夹, 更不许采用爆压型耐张线夹。

4.4 防震锤

防振锤用来控制由风引起的OPGW的微风振动。常用在OPGW上的防震锤主要有:F型、DF型、防振环、FR型、YFR型等, 一般选用FR或YFR型。FR型防振环在日本广泛采用, 它是将常规防振锤锤头改为钢制U形环, 压缩在钢绞线两端, 两环与垂直的OPGW的偏角为30°, 以便振动时产生扭矩, 消耗振动能量, 提高消振效果。YFR型防振锤不仅具有FR型防振锤的优点, 还消除用螺栓固定的过松过紧的状态, 同时能防止振动波节在固定线夹的死点和增加OPGW自身的阻尼性能, 安装方便, 是OPGW中当前较好的一种防振锤。以上防振锤与OPGW连接时采用优质的钢绞线能很大程度地提高防振锤的功率特性。

4.5 接地金具、接续盒

OPGW的接地引下线、并沟线夹与常规地线没有大的区别。不同的是楔块与本体在装置好OPGW后, 应在楔块与本体之间用平头柳钉钉住, 以防防微风震动振动和OPGW蠕变导致线夹失效而产生事故。接续盒安装在塔上, 须能防水, 防风, OPGW的每一盘长应与施工图中耐张段长度相对应, 防止浪费。总的来说, 为了保持OPGW与金具运行的协调性和整个OPGW系统运行的可靠性, OPGW的金具应和OPGW一一配套。