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2017-09-23 15:38:58

不锈钢管式OPGW在500KV线路中的应用

摘要以达永线为例，本文介绍了钢管式OPGW在500KV线路中包括大跨越的典型应用，讨论了相关的应用问题。

关键词 输电线路不锈钢管式OPGW 大跨越

0 前言

相对于220KV及以下线路，在500KV输电线路中应用的OPGW，其短路电流要求、使用档距均较大，故对热稳定要求、机械强度要求等也较高。更由于500KV线路作为骨干网通常不能停电，大量的继电保护、远动等信号由OPGW中的光纤所承载和传递，所以在500KV系统中应用OPGW一般都很慎重。
本文介绍的“达永线OPGW光纤通信工程”是不锈钢管型OPGW应用于500KV线路的典型工程，含黄河大跨越一处，己成功投运至今。

1． OPGW的代表结构
1.1 三种代表结构

自OPGW问世至今，各种类型的结构被开发。通过实践的检验，目前主要流行三种主要的代表结构。它们分别是铝骨架型（图1）、铝管型（图2）和不锈钢管型（图3）。

图1 铝骨架型

图2 铝管型

图3 不锈钢管型

不能简单地把这三种结构相提并论。从纯技术的角度来看，每种结构都有相应的长处和某些不足。但不管是何种结构，都必须满足系统的要求。
在输电系统中，OPGW被当作一条架空地线应用，它必须满足架空地线的一切机械和电气特性；当然， OPGW同时是一条光缆，必须同时满足所有的传输特性。
OPGW结构须容纳和保护相对脆弱的光纤。光纤的允许抗拉伸形变量比金属线材小得多，因而要求光纤的长度相对缆长有适当的“余长” ，以克服OPGW在初伸长、较大气象负荷时和蠕变等各种原因的缆体伸长时对光纤造成的过度应变。OPGW中的光纤在伸长时其“余长” 释放至“零” 时的缆体伸长量称为“光纤应变窗”，对应的拉力称为“较大允许（工作）拉力”—MAT。该拉力是在预期的较恶劣运行条件下的较大水平拉力，即在设计气象条件下，计算OPGW弧垂、档距的较大拉力。OPGW中的光纤必须要有余长，但过大的余长不但无必要甚至是有害的。
OPGW要承载故障时的短路电流并承受引起的温升。300℃（或更高一点）的瞬时高温对结构合理的、受到缓冲和保护的光纤并不构成严重威胁。但若结构中含有铝材，在超过200℃以后，首先是铝材产生不可逆塑性形变，在结构受到破坏的同时，OPGW的弧垂将降低到与导线相碰的程度。若是不含铝材的全钢结构（或铝不承力仅作为保护层），则完全能应用到300℃。

1.2 不锈钢管结构的特点
以图3所示的不锈钢管型标准结构为例。光纤以一定的余长置于填充油膏的密封不锈钢管内，该钢管取代一根或多根（目前较多为3根）金属单线放入内绞线层，光纤余长由管内余长和绞合余长两部分组成，可以轻易地得到所需要的光纤综合余长。含光纤的不锈钢管也可以放在中心部位，但此时光纤余长仅取决于管内余长，与标准结构相比，在相同的不锈钢管管径条件下可容纳的光纤芯数将减少。
不锈钢材料的电阻较大且钢管截面积小到几乎可以忽略，基本上不参与电流承载，因而当短路电流通过时，其本身并不发热，仅受到相邻线材的热量传导而滞后温度上升，所以温度相对是较低的，对保护光纤非常有利。
由于该结构与传统架空地线的相似，容易与对侧地线匹配，所以一问世就得到电力部门的青睐。

2. 500KV达永线 OPGW工程的技术要求
2.1 线路概况
在达拉特电厂～永圣域变II回OPGW光纤通信工程中，OPGW光缆是架设在达拉特电厂～永圣域变II500kv送电线上。起于达拉特电厂，止于永圣域变电所，线路全长约127.24km。
其中包括黄河大跨越一处。采用通光集团生产的钢管型结构OPGW光缆。
2.2 气象条件
表1是达永线的设计气象条件。

表1：　　　　　　　　达永线设计气象条件
气温（℃）	较高气温	40
	较低气温	-35
	年平均气温	5
	较大风速	-5
	覆冰情况	-5
	大气过电压	15
	操作过电压	5
	安装情况	15
风-速（m/s）	较大风速	36
	覆冰情况	10
	大气过电压	10
	操作过电压	15
	安装情况	10
覆冰厚度		10
年雷暴日（天/年）		40

2.3 达永线对OPGW的主要技术要求
根据线路的实际状况，表2是达永线对OPGW提出的主要技术要求。

表2：　　　　　　　　　达永线对OPGW的主要技术要求
项目		OPGW-1	OPGW-2	OPGW-3
起始温度为40℃的短路电流(0.3s)	KA	≥15.7	≥21.2	≥17.0
额定破断强度（RTS）	kN	≥81.	≥85.1	≥134.5
弹性模量	KN/mm²	119.1	103.2	129.9
温度膨胀系数	1 /℃	15.4×10^-6	16.8×10^-6	14.7×10^-6
年平均较大张力	RTS%	≤25％	≤25％	≤25％
线径	mm	≤14.0	≤15.5	≤16.5
直流电阻20℃	Ω/km	≤0.505	≤0.341	≤0.387
OPGW自重	kg/km	≤520	≤580	≤810

3. OPGW应用设计
3.1 常规地段OPGW结构设计及参数
根据线路提出的技术要求，对常规地段设计的OPGW--1和OPGW--2的结构和参数分别见图4、图5和表4。

图4 OPGW—1结构图

图5 OPGW--2结构图

表4：　　　　　　　　　　达永线常规地段OPGW参数表
项目	单位	OPGW-1（图4）	OPGW-2（图5）
结构		1×2.85ACS+(1×2.75TU+5×2.75ACS) +(9×2.75ACS+3×2.75AA)	1×3.5ACS+(1×3.25TU+5× 3.25ACS)+ 14×2.75 AA
外径	mm	13.85	15.5
承载截面积	mm²	107.4	134.3
计算破断强度	kN	89.6	94.5
弹性模量	kN/mm²	113.7	101.9
线膨胀系数	1/℃	15.8×10^-6	17.0×10^-6
直流电阻（20℃）	Ω/km	0.447	0.322
短路热容量（起始温度40℃）	kA².S	88.9	149.1
允许较高温度	℃	200	200
较大运行应力限定值	N/mm²	306.4	260.8
年平均运行应力限定值	N/mm²	191.5	163.0
安装较小弯曲半径	m	0.27	0.34
运行较小弯曲半径	m	0.42	0.47
光纤设计余长	%	≥0.7	≥0.7
正常工作寿命	Year	30	30
单位重量	kg/km	520	580

3.2 金具配置
（1）线夹
采用的耐张线夹和悬垂线夹分别见图6和图7。

图6 耐张线夹

图7 悬垂线夹

（2）接头盒及附件
采用的导引线夹和金属帽式接头盒分别见图8和图9。

图8 导引线夹

图9 接头盒

3.3 大跨越
3.3.1 大跨越地形
跨越黄河两侧，跨河档距为950m，无高差，平地。
3.3.2 大跨越主要气象要素
较大设计风速36m/s；覆冰10mm（校验15mm）；平均温度+5℃。
3.3.3 大跨越布置方式
过黄河大跨越平面布置见图10。

图10 大跨越布置示意图

3.3.4 大跨越杆塔
（1）直线塔两基（ZKD，双回路塔），耐张塔4基（JKG，单回路塔）；
（2）杆塔高度
JKG转角塔全高：39.5m
ZKD直线塔全高：108.5m
高差：JKG塔与ZKD塔OPGW悬挂点高差：68.66mm
（3）档距：
#91 ～ #92 ～ #93 ～ #94
471m 950m 522m
3.3.5 大跨越张力控制
（1）年平均运行张力（+5℃）：27522N；
（2）较大使用张力：36114N。
3.3.6大跨越OPGW—3设计
（1）结构
图11是黄河大跨越段OPGW--3的截面图。

图11 大跨越OPGW--3结构图

（2）主要参数
OPGW--3的主要技术参数见表5。

表5：　　　　　　　　　　大跨越OPGW--3的主要参数
项目	单位	OPGW-1（图4）
结构		1×3.5ACS+(1×3.2TU+5×3.25ACS) +(6×3.25ACS+6×3.25AA)
外径	mm	16.5
承力截面	mm²	150.6
标称抗拉强度（RTS）	kN	139.1
弹性模量	kN/mm²	130.0
线膨胀系数	1/℃	14.7×10^-6
直流电阻（20℃）	Ω/km	0.374
短路电流热容量（起始温度40℃）	kA².S	155.9
允许较高温度	℃	200
较大运行应力限定值	N/mm²	369.2（55.6KN）
年平均运行应力限定值	N/mm²	230.8（34.76KN）
安装较小弯曲半径	m	0.33
运行较小弯曲半径	m	0.50
光纤设计余长	%	≥0.7
正常工作寿命	Year	30
单位重量	kg/km	810

3.3.7 大跨越金具
大跨越金具由PLP公司提供，图12和图13分别是用于大跨越的耐张和悬垂线夹。

图12 大跨越耐张线夹

图13 大跨越双悬垂线夹

3.3.8 防振方案
防振锤及防振方案由PLP公司提供。
（1）防振锤型号：4D-30-27（图14），护线条型号：SA-0172。

图14 防振锤

（3）各档防振锤安装数量：
在大跨越段内，各档的防振锤安装数量见表6，按装在经严格设计的位置上。

表6：　　　　　　　大跨越段各档防振锤安装数量
档距（米）	该档距内防振锤数量（只）	每一边安装数量（只
471	5	耐张侧2只；悬垂侧3只
950	10	两侧5只
522	5	耐张侧2只；悬垂一侧3只

3.4 配盘设计
本工程配盘原则上服从原有线路的耐张段长度。为减少光纤接头，把有些较小的耐张段合并，配盘长度公式见（1）式。
DL：＝LxA+2（H+h）+2B （m）（1）
式中：
DL：配盘长度（m）
L：线路长度(m)
A：长度预留系数平原：1.02～1.03；丘陵：1.03～1.04；山区：1.04～1.05
H：光缆输入端施工滑轮离地高度
h：光缆输出端施工滑轮离地高度
B：牵引预留长度：通常取6－10m
根据上述公式，共计配成29盘光缆，较大盘长5910m，较小盘长3080m。
3.5 导引光缆
导引光缆为无金属结构。敷设方式为穿保护管和沿电气缆沟敷设。具有阻燃(或不延燃)、防潮、防水、防鼠咬和抗拉、抗压等性能。
（1）较大张力：工作时>1600N；敷设时>2000N。
（2）侧压力：工作时>1500N/10cm；敷设时>2500N/10cm。
（3）允许弯曲半径：工作时为光缆外径的10倍；敷设时为光缆外径的20倍。
（4）环境温度：工作时-30℃～+70℃；敷设时-20℃～+60℃；储藏时-40℃～+60℃。
（5）光缆外护层PE的绝缘电阻不小于2kMΩ.km。
（6）光缆内光纤的技术要求同OPGW。

4 分析和讨论
4.1 各电压等级OPGW的典型工况
通过近几年OPGW在500KV和各种电压等级的工程实践，按下述条件进行简单计算后列于表7。
（1）各电压等级线路取常用的典型钢管式OPGW。
（2）所有的缆型以安全系数2.5和年平均张（应）力为25%RTS计算值作为对照，另按实际工况取相应的系数进行计算。
（3）所有的拉力值按承载截面积换算成应力值。

表7：　　　　　　　典型的OPGW在各电压等级线路的工况汇总表
电压等级	500KV				330KV		220KV				110KV
直径	16.5		15.5		12.6		12.6		12.1		10.2		9.6		9.0
重量	650		580		404		386		366		389		348		309
承载截面积	150.6		134.3		88.8		88.8		81.5		54.5		48.3		42.4
标称抗拉力	94.9		94.5		72.8		55.7		53.3		67.2		59.5		52.7
工作安全系数	3.5	2.5	3.4	2.5	2.9	2.5	2.8	2.5	2.8	2.5	2.7	2.5	2.6	2.5	2.5
较大工作张力	27.1	38.0	27.8	37.8	25.1	29.1	19.9	22.3	19.0	21.3	24.9	26.9	22.9	23.8	21.1
较大工作应力	180	252	207	281	283	328	224	251	233	261	457	494	474	493	498
EDS/RTS	18%	25%	18%	25%	20%	25%	20%	25%	20%	25%	20%	25%	20%	25%	25%
年平均张力	17.1	23.8	17.0	23.6	14.6	18.2	11.1	13.9	10.7	13.4	13.4	16.8	11.9	14.9	13.2
年平均应力	114	158	127	176	164	205	125	156	131	164	246	308	246	307	311
短路时间	0.3	0.25	0.3	0.25	0.35	0.3	0.4	0.35	0.45	0.4	0.5	0.45	0.5	0.45	0.5
热容量	208.6		149.1		69.0		72.5		60.4		22.3		17.5		13.5

4.2 讨论
根据表7的汇总和初步计算结果，讨论如下。
（1）用于500KV线路的OPGW，其热容量要求大约是220KV线路的3至4倍，大约是110KV线路的10至20倍。鉴于此要求，用于500KV的OPGW，其直径和重量比220KV线路增加约50%，比110KV线路增加约1倍；其承载截面比220KV线路增加约1倍，是110KV线路的3倍。
（2）用于500KV线路的OPGW，其抗拉强度要求比220KV和110KV线路要高1倍；在相同的安全系数（K=2.5）和EDS（25%RTS）时，其较大工作张力和年平均张力约比220KV线路高约50%，是110KV线路的1倍但由于横截面积大，其较大工作应力和年平均运行应力与220KV线路相当，反而是110KV线路的大约1/2。
（3）若按各电压等级线路常用的安全系数（K）控制值，即500KV线路取3.5左右，220KV线路取2.8左右，110KV线路2.7左右。用于500KV线路的OPGW，其较大工作张力比220和110KV线路增加约30%；而较大工作应力反而比220KV线路小了大约30%，甚至只是110KV线路的1/3。
（4）若按各电压等级常用的年平均张力（EDS）控制参数，即500KV线路取18%RTS，220和110KV线路取20%RTS。用于500KV线路的OPGW，其年平均张力比220和110KV线路增加约20%；而年平均应力反而比220KV线路减小约20%，甚至只是110KV线路的1/3。
（5）将以上讨论内容以110KV线路常用的OPGW主要参数均作为1，各电压等级常用OPGW的主要参数与之的大致关系列于表8。

表8：　　　　　　各电压等级的主要参数和工况对比
电压等级	500KV	330KV	220KV	110KV
热容量	10～20	3～5	3～5	1
直径	1.5～2	1～1.3	1～1.2	1
重量	1.8～2	1～1.3	1～1.2	1
截面积	2.5～3.5	1.5～2	1.5～2	1
标称抗拉强度	1.5～2.5	1.5～1.5	～1.1	1
较大工作张力（K=2.5）	1.5～2.5	1.5～1.2	～1.1	1
较大工作张力（实际）	～1.3	～1.2	～1.1	1
较大工作应力（K=2.5）	～0.5	～0.6	～0.6	1
较大工作应力（实际）	～0.35	～0.5	～0.5	1
年平均张力（25%RTS）	1.5～2.0	～1.5	～1	1
年平均张力（实际）	～1.5	～1.2	～1	1
年平均应力（25%RTS）	～0.4	～0.5	～0.5	1
年平均应力（实际）	～0.35	～0.6	～0.5	1

5. 结束语
（1）通过精心设计、生产和施工，通光集团的不锈钢管型OPGW己在500KV达永线包括黄河大跨越成功运行。
（2）用于500KV线路的OPGW截面积、外直径、抗拉强度和承载的短路电流都较大，但较大工作应力和年平均应力比较小。随着国际先进生产装备的引进和投产，国产OPGW完全有把握应用在500KV或更高的电压等级线路上。