地線複合光纜OPGW在高壓送電線路中的設計選擇

隨著電力事業的發展，為了滿足電力生產調度、電力系統自動化對通道的需求，同時可為郵電系統提供服務，增加效益，OPGW已廣泛地應用在高壓架空送電線路中。它不僅可起到架空地線的作用，同時也兼顧了光纖通信的功能。本文著重介紹OPGW在送電線路中的設計及選擇。

1．OPGW簡介：

光在光纖中傳輸原理為光的全反射原理。通常電力系統中光纖通信有以下三種方式：

ADSS─全介質自承式架空光纜。可利用現有電力杆塔和電力線路同杆塔架設，具有耐電痕、耐腐蝕、防雷擊等優點。需根據通信要求、線路距離、氣象條件進行綜合設計，對鐵塔強度、受力等重新驗算。

GWWP─自繞式光纜，這種方式是將光纜纏繞在原有地線上，起到光纖通信的功能。

OPGW─是把光纖單元組裝進架空地線裡,使其具有架空地線 及光纖通信雙重功能。OPGW外層是一般的鋁包鋼線或鋁合金線，其承受了OPGW大部分外力，包括拉力、壓力、金具握力等，而內層的光纖單元是由直徑為5～10mm的石英制造而成，一般情況下是不能受力的（緊套型光纖除外）。它們中間是由一些填充材料組成，起到散熱、隔熱、延長光纖壽命等作用。

2．OPGW的選擇：

2．1應滿足光纖通信的要求：

OPGW首先作為光纖通信上來講，它必須先滿足用戶及通信系統所需的光纖（根）數量、類型、允許衰耗（db）數值、光端機的類型等。並考慮到光脈衝在OPGW傳輸過程中的工作波長、色散、帶寬、衰減等特性，儘量選用傳輸效果好的OPGW。一般光纖從傳輸模式上可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖適合於長距離,大容量的傳輸, 多模光纖適合短距離、局域網的傳輸。另外色散也是光纖的一個重要指標，多模光纖存在較嚴重的模式色散，而單模光纖不存在模式色散。現今來說，複合光纜的發展趨勢是單模光纖。

2．2．OPGW作為普通地線的要求：

2.2.1.防雷要求:S≥0.012L+1

L—檔距； S—檔距中央導、地線最小安全距離

按此公式可推算得到:

P_d、P_b—導、地線在驗算條件下的應力（15^。C、無風、 無冰時的應力 N/mm²）。

G_d、G_b—導、地線的自重比載（N/m.mm²）。

S、h —導、地線在塔上懸掛點的水平距離、垂直距離（m）。

計算出地線的應力，然後解狀態方程，可得最大使用應力、年平均應力（為20%瞬時破壞應力《電力系統光纖通信工程設計技術規定》（討論稿）），就可對照OPGW強度選擇其型號，並可確定其安全係數。

2.2.2.線長方面的考慮：

1).從製造工藝方面來說OPGW過多接頭對光的衰耗很大，應儘量減少中間接頭。另外，在500千伏高壓線路中往往要求耐張段長度較長，而現在的大多數OPGW的生產廠家交貨長度（5km左右）達不到耐張段長度的要求，OPGW中間接頭一般要在耐張塔上，多增加耐張塔會使整個工程的投資加大，通過計算，一基耐張塔相當於直線塔2.4基以上的造價。這就要求增加一種地線為耐張，導線為直線的塔。在福—鴨500千伏線路中，就採用了ZB

2).OPGW接頭要引到塔角，且OPGW不能用壓接管接續，要在專用的接頭盒內接頭，一般在離地5米處安裝接頭盒。假如說地線橫擔長為7米，上下導線高7.5m，導地線高4米，則OPGW兩端引下線長度分別為：杆塔呼稱高+7+4+7.5

2.2.3. 從杆塔荷載及OPGW自身受力方面來考慮：

1).OPGW的外部受力（垂直分量、水平分量、縱向分量）應與一般地線一樣必需滿足杆塔的荷載條件要求。

2).由於OPGW中間有一部分基本上不考慮抗拉強度。與普通地線相比，在相同的拉力下，一般要求OPGW應比與它匹配的另一根地線的直徑要略大。另外，OPGW有松套和緊套之分。緊套型OPGW的價格比與它相當型號的松套型OPGW要貴30%—40%左右。松套型OPGW為了使光纖單元在70%額定拉斷力下不受力《電力系統光纖通信工程設計技術規定》（討論稿），必需保證OPGW中光纖有一定的餘長（所謂餘長是指纜芯內光纖的實際長度應比纜的“皮長”要大，一般餘長控制在0.7%較為經濟合適），並在光纖單元中填充了油膏，由於油膏在低溫和高溫下的流動性的差異，使OPGW在不同溫度條件下傳遞應力的能力受到了限制，同時，由於檔距和高差很大，易造成松套型光纜的纖芯在弧垂低點的堆積，造成光纖的微彎，從而加大光衰耗。而使用緊套結構的OPGW由於生產廠家通過生產工藝使光纖在一定的應力應變條件下能承受張力，光纖不存在餘長，在大高差、大檔距條件下不存在光纖的堆積，所以說在山區線路中為了保證OPGW的可靠性、傳輸質量及壽命可採用緊套型OPGW。總的來說，松套和緊套各有優缺點，松套型OPGW一般用於地形起伏不大，高差不大的平原上，價格較為便宜，而在我省的第一條500KV福—鴨OPGW光纖通信線路中，由於該線路在我省的500KV環網中較為重要，加之高差大，檔距大，有重冰區，地形比較惡劣，全線均採用的是緊套型OPGW。重冰區採用緊套結構的OPGW與松套結構的OPGW造價從廠家的報價來說差不多，但松套結構的OPGW由於截面變大，從而引起鐵塔荷載變化，導致鐵塔重量及基礎混凝土方量的增加，投資加大。

2.2.4.從金具方面考慮:

OPGW的金具不僅要滿足一般電力金具的要求，而且又 區別一般電力金具。《OPGW國際規範IEEEP1138一般規定》明確規定：“金具的擠壓不宜超過OPGW的設計擠壓極限，金具一般不宜設計成適合於OPGW一個範圍內的直徑。”意思就是說，一種規格直徑的OPGW必須有一套與之匹配的金具，大小與之一一對應。

1). 懸垂線夾：由於OPGW要求保護光纖不致於過度彎曲而產生較大的彎曲應力導致OPGW表面龜裂而失效，還需採取減輕對OPGW磨損和增大阻尼措施而延長壽命。採用大於10倍的OPGW允許彎曲半徑或大於200倍OPGW直徑，且具有減輕磨損和增大阻尼功能的大麴率懸垂線夾。一般有大麴率懸垂線夾和預絞絲懸垂線夾兩種。大麴率懸垂線夾其曲率（本體線槽和壓板）半徑必須大於OPGW的直徑的200倍，製造工藝上較為複雜，而預絞絲懸垂線夾由於具有製造簡單，安裝方便，使用效果好，運行經驗成熟等特點而深受廣大用戶青眯，大量地運用在地線複合光纜中。

2). 耐張線夾：應用在OPGW上的耐張線夾主要有預絞絲耐張線夾和有限握力螺栓耐張線夾兩大類。預絞絲耐張線夾的握力是由每一個節距集合而成，OPGW受力均勻，安裝方便，剛性好，抗震性好，運行經驗成熟。而有限握力螺栓耐張線在設計中要求壓板對OPGW的壓力恰到好處，即保證足夠的握力又不損傷光纖，安裝過程要求比較高。當然，應用在OPGW中的還有不同結構的耐張線夾，如捆紮式及各種螺栓式，但不宜採用液壓式耐張線夾，更不許採用爆壓型耐張線夾。

3). 防震錘：實際運行經驗已證明“微風振動”出現在OPGW中的最危險的有害性震動。常用在OPGW上的防震錘主要有：F型、DF型、防振環、FR型、YFR等型式。F型防振錘結構簡單應用廣泛，但其頻率覆蓋不全，只有兩個諧頻，而在兩個諧頻以外的頻率則其防振功率不足，其已面臨淘汰。DF型防振錘簡稱狗骨頭扭轉防振錘，該種防振錘有較多的共振頻率和較寬的頻帶。FR型防振環在日本廣泛採用，它是將常規防振錘錘頭改為鋼製U形環，壓縮在鋼絞線兩端，兩環與垂直的OPGW的偏角為30°，以便振動時產生扭矩，消耗振動能量，提高消振效果。FD型防振錘的優點為兩錘頭重量不等，鋼吊索兩側長度不等，可獲四個諧振頻率；由於錘頭中間開槽，可觀測到鋼吊索疲勞損壞情況。YFR型防振錘不僅具有FR型防振錘的優點，還消除用螺栓固定的過鬆過緊的狀態，同時能防止振動波節在固定線夾的死點和增加OPGW自身的阻尼性能，安裝方便，是OPGW中當前較好的一種防振錘。以上防振錘與OPGW連接時採用優質的鋼絞線能很大程度地提高防振錘的功率特性。以上防振錘性能最好的是YFR、FR型，最差的是F型防振錘。

4). 接地金具、接續盒：OPGW的接地引下線、並溝線夾與常規地線沒有大的區別。不同的是楔塊與本體在裝置好OPGW後，應在楔塊與本體之間用平頭柳釘釘住，以防防微風震動振動和OPGW蠕變導致線夾失效而產生事故。接續盒安裝在塔上，須能防水，防風，OPGW的每一盤長應與施工圖中耐張段長度相對應，防止浪費。

總的來說，為了保持OPGW與金具運行的協調性和整個OPGW系統運行的可靠性，OPGW的金具應和OPGW一一配套，應由供貨廠家配套供貨。

2．3．OPGW最大允許短路電流及熱穩定方面的要求：

作為設計人員，應依據OPGW的製造廠家提供的最高允許短路電流（I_許）或最高允許溫度（T_許），結合電網的實際情況，計算出實際最大短路電流（I_實）或實際溫度（T_實），要求I_許（T_許）≥I_實（T

2．3．1．確定系統總入地短路電流值I_總：

根據電力系統5—10年規劃（更遠景年）的系統接線圖進行短路電流計算，求得5—10年後（更遠景年）系統的短路電流值。在整個線路上任何一點的短路電流必須小於I_總。

2．3．2．確定系統短路電流的等效時間Te：

可根據系統保護動作時間、通道延時時間、斷路器動作時間、重合閘動作時間和短路電流非週期分量時間等來確定短路電流的等效時間。短路電流持續時間越短，允許的短路電流就越大。一般常規上500千伏交流系統短路電流的等效時間取0.3秒，500千伏直流系統短路電流的等效時間取0.1秒，220千伏系統短路電流的等效時間取0.5秒。

2．3．3．確定各種型號的分流線在系統中的最大允許短路電流：

1）. 根據熱穩定要求，各種待選型號的分流線允許短路電流應按規程DL/T 621—1997 “交流電氣裝置的接地”來計算。其最小截面

必須滿足下式要求:

Sg—分流線最小截面(mm2) ; Te—短路的等效持續時間(s) ;

Ig—流過分流線的最大允許短路電流穩定值(A)(根據系統5—10年的發展規劃,按系統最大運行方式確定)。

C—熱穩定係數(初始溫度按40℃計算)。

以上公式可轉換為：

I_g²≤S_g²

按此計算出的Ig即為待選型號的分流線的最大允許短路電流Ig。如果它與OPGW匹配時的實際短路電流大於Ig，則必須更換型號。

2）. OPGW的短路電流一般是由廠家提供的。在無資料的情況 下，可用下式計算其允許短路電流：

I_OPGW²=[C ¡ Ln(1+α·T_許)]/ (α· R₀ ¡Te)

I

α—電阻溫度係數（1/℃）； R₀—起始溫度下導線交流電阻（Ω/km）；

T_許—OPGW允許溫升（℃）;

該公式是同溫法計算公式，就是未考慮OPGW外護層中金屬的溫差，實際上溫差可達100℃以上。所以計算結果偏大，在沒有試驗為依據時，按此公式計算出的允許短路電流還應降低2—3KA。

2．3．4．確定實際流過OPGW及分流線的短路電流：

1）. 作出等值電阻網絡圖並計算出各杆塔上的總入地電流：

當送電線路一相導線對塔頭閃絡發生接地故障時，由地線、杆塔接地電阻、變電所接地網絡構成的л型等值網絡如下圖所示。

Zg—各檔地線綜合阻抗； Rt—各檔接地電阻；

Rs—變電所等效電阻； Zc—л型網絡另一端等值電阻；

用該網絡可計算出組合地線上不同點的入地總電流分佈。

2）. 確定OPGW及分流線的短路電流：

送電線路的短路電流通常在線路出口處（兩端變電所及發電廠兩端）最大，隨著線路的延伸將急劇下降。在長線路工程中，為了節約投資，一般考慮在線路出口處採用大截面、低阻抗、載流容量大的OPGW，而在中間的大部分區間則可採用截面較小的OPGW，同時另一根分流線的選擇上也可採用不同的地線與之匹配（截面出口大，中間小），這樣可節約大量工程投資。在系統短路時，OPGW與另一根地線中各自流過的短路電流分佈可按下式確定。

I_OPGW/ I_地線 =(Z_地線－Z_互阻

I_OPGW：短路時流過OPGW線的電流；

I_地線：與OPGW配合的另一根地線中的電流；

Z_地線：地線自阻抗；

Z_互阻：兩根平行地線(OPGW與分流線)間的互阻抗；

Z_OPGW：OPGW線的阻抗；

用1）中所計算出的入地總電流，結合上式所計算得到的分流比例，則可計算出OPGW和分流線上的實際短路電流I_實。如果I_實

一般來說，為了減低OPGW的短路電流，可採取以下幾種措施：

a).出口處採用截面大、載流量大、OPGW及相應的較大截面分流線。

b).敷設降阻劑，儘量降低杆塔接地電阻。

C).靠近出口處的幾檔，杆塔接地體相互連接起來，並與變電所接地網相連。

d).在出口處的幾檔定位中，儘量不要出現大當距，一般檔距控制在200—300米為宜。

3．小結：

OPGW用作架空地線，具有地線和光纜的雙重功能，由於它的結構和性能不同於單獨的地線，也不同於單獨的光纜，因此，在進行OPGW的線路設計時必須充分考慮其結構和性能的特殊性，通過技術經濟比較，再結合設計規程進行設計選型。總的來說，OPGW光纖通信具有技術先進、性能可靠、運行安全、壽命長等優點，在我國的電力系統中已得到廣泛而迅速的採用，它是電力通訊網中一種嶄新的發展趨勢。

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