OPGW光纜在220千伏系統(tǒng)中應(yīng)用的幾點(diǎn)思考
最近幾年，復(fù)合光纖架空地線在我國(guó)電力建設(shè)中獲得了飛速發(fā)展，幾乎所有的新建500千伏和220千伏輸電線路，都選擇了復(fù)合光纜作為架空地線，其光纖芯數(shù)也從早期的六～八芯，迅速攀升到16～24芯及以上，高的已達(dá)到72芯，還包括G655光纖。同時(shí)出現(xiàn)了一批千公里以上的長(zhǎng)距離主干光纖線路。復(fù)合光纖架空地線正面臨一個(gè)前所未有的朝陽(yáng)時(shí)代，這也是技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的必然。
在我國(guó)超高壓電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，截止到2000年底，220千伏以上的線路共有約16萬(wàn)3千公里，其中500千伏、330千伏和220千伏線路大約分別為27300、8600和127000多公里，由于我國(guó)大規(guī)模采用復(fù)合光纖架空地線的時(shí)間（大約從1998年起）比發(fā)達(dá)國(guó)家約推遲了10年，（有資料表明，發(fā)達(dá)國(guó)家大約在80年代未和90年代初就大量架設(shè)OPGW光纜），致使我國(guó)早期建設(shè)的超高壓網(wǎng)架和光纖復(fù)合架空地線擦肩而過(guò)。在已建的500千伏網(wǎng)架中，架設(shè)OPGW光纜的比例約為20%，而對(duì)發(fā)達(dá)的220千伏網(wǎng)絡(luò)，則是瘳瘳無(wú)幾。（但有一部分采用了ADSS光纜）。
在當(dāng)前眾多的工程項(xiàng)目中，凡是新建的，無(wú)論是220千伏還是500千伏輸電線路工程，架設(shè)OPGW光纜時(shí)選型問(wèn)題均比較容易解決，如今的OPGW光纜生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，可以為各種條件的工程提供完備的解決方案，問(wèn)題是不少220千伏線路在改造中，或通信光纜的升級(jí)中，需架設(shè)OPGW光纜。由于原線路建設(shè)時(shí)，未考慮到OPGW光纜的技術(shù)特點(diǎn)，在原線路地線支架不改變（或不作大的改造）的前提下，要能接納OPGW光纜，由此引伸出不少問(wèn)題，本文就此展開(kāi)討論，提出幾點(diǎn)思考，以達(dá)到拋磚引玉的目的。
在這一類(lèi)工程中，往往具有以下一些特點(diǎn)，線路運(yùn)行已達(dá)10年以上，有的甚至達(dá)到20年，有鐵塔也有水泥桿，或兼而有之。地線則普遍采用GJ-50鋼絞線（這和我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)程有關(guān)），在這種條件下，不少建設(shè)單位（含一些設(shè)計(jì)院）就提出，所配的光纜必須和GJ-50相配，相應(yīng)直徑不能大于9mm（因?yàn)镚J-50鋼絞線的直徑是9mm），并且需承受相當(dāng)數(shù)量的短路電流。
OPGW光纜的選擇，主要著眼于以下幾點(diǎn)：光纖芯數(shù)及光纖技術(shù)要求，光纜的熱容量，光纜的力學(xué)性能（即弧垂特性）包括其外徑和重量。其中每一項(xiàng)要求，都折射出原工程的影子，恰當(dāng)?shù)靥幚砗眠@些參數(shù)之間的關(guān)系，綜合兼顧，使所選擇的OPGW光纜能為這些“老工程”所接受，這是一個(gè)技術(shù)決策者必須妥善解決的問(wèn)題。
對(duì)光纖的技術(shù)要求，目前都有認(rèn)可的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如ITU-T G.652等，這些標(biāo)準(zhǔn)大約每四年會(huì)再版一次，其技術(shù)水準(zhǔn)也在不斷提高，再要提高某些技術(shù)要求，如衰減指標(biāo)等，必須放在整個(gè)通信系統(tǒng)的大環(huán)境中考慮，如光纜的總長(zhǎng)度，系統(tǒng)對(duì)總的衰減指標(biāo)的要求等。簡(jiǎn)單地認(rèn)為光纖指標(biāo)總歸越先進(jìn)越好的觀點(diǎn)是不全面的。這樣做，會(huì)導(dǎo)致光纜的投資增加，而整個(gè)系統(tǒng)卻未必得益。所以對(duì)光纖的技術(shù)參數(shù)應(yīng)慎重決策。而對(duì)光纖的芯數(shù)，則應(yīng)對(duì)未來(lái)的發(fā)展有一個(gè)充分的估計(jì)，這里還涉及到對(duì)路徑價(jià)值的認(rèn)識(shí)問(wèn)題。像早期選用六芯～八芯OPGW光纜的現(xiàn)象現(xiàn)在已很難看到了。筆者認(rèn)為，對(duì)光纖芯數(shù)的預(yù)測(cè)出現(xiàn)不定時(shí)，宜向大芯數(shù)方案傾斜，這樣比較主動(dòng)，也為OPGW光纜的工程經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。
對(duì)光纜的熱容量，將直接影響到光纜的結(jié)構(gòu)和選型，應(yīng)予充分重視。在常規(guī)的OPGW光纜結(jié)構(gòu)中，熱容量大小的本質(zhì)，將決定光纜鋁（或鋁合金）截面的大小。直至影響到光纜結(jié)構(gòu)。而光纜所應(yīng)承受的熱容量，主要取決于光纜所處系統(tǒng)的狀況，包括5-10年的發(fā)展規(guī)劃，系統(tǒng)最大的短路電流（嚴(yán)格來(lái)講是帶有最大零序分量的短路電流），故障的切除時(shí)間，以及光纜和相鄰地線之間的電流分配。一般說(shuō)來(lái)，短路電流的取值應(yīng)將系統(tǒng)放在一個(gè)5-10年的規(guī)劃中考慮，同時(shí)附以最大運(yùn)行方式和最高氣溫月的最高平均氣溫。其次是線路各點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，短路電流是不一樣的，最嚴(yán)重的是故障點(diǎn)發(fā)生在變電所的進(jìn)（出）線檔，這成為熱容量參數(shù)中短路電流的控制點(diǎn)。而離開(kāi)這一檔或這一耐張段，短路電流就迅速衰減。通常在離開(kāi)門(mén)型架3-5公里以后，會(huì)有20%-30%的衰減量（有時(shí)和線路的長(zhǎng)短有關(guān)系），但理論上，線路各點(diǎn)的故障率是呈等值分布的，另一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)就是承受短路電流的時(shí)間，在華東地區(qū)的500千伏系統(tǒng)中，目前已普遍采用0.25秒。解剖一下，這主要由快速縱差保護(hù)和開(kāi)關(guān)失靈保護(hù)這兩部分時(shí)間所組成。目前還沒(méi)有看到少于0.25秒的時(shí)間選擇（直流系統(tǒng)除外）。對(duì)220千伏線路的保護(hù)，通常也能在0.1-0.15秒時(shí)間內(nèi)完成，但其后各級(jí)保護(hù)或失靈保護(hù)的情況比較復(fù)雜，有時(shí)和母線主結(jié)線的方式有關(guān)系。統(tǒng)計(jì)資料表明，220千伏系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作正確率在98%以上，而線路保護(hù)的正確率也有相同的水平，眼下大部分220千伏的光纜工程其短路時(shí)間取0.35-0.5秒，并以0.5秒為多。現(xiàn)在的問(wèn)題是，將上述這些“小概率”事件連續(xù)迭加（數(shù)學(xué)上為小概率事件相乘）后得出的短路電流容量要光纜承受（通常OPGW光纜和鋼絞線配合時(shí)，要承受絕大部分的短路電流），而同時(shí)又要求光纜的弧垂和鋼絞線相配。這對(duì)光纜就難以兩全了。有的工程提出的熱容量已接近開(kāi)關(guān)的短路容量。這就更顯不妥，在這些多重要求的夾擊下，就使光纜的選型遇到了困難，有些工程就遭遇到所有投標(biāo)商的光纜產(chǎn)品均不能滿足標(biāo)書(shū)要求的情況。這就促使我們必須從產(chǎn)生這些原則的“源頭”去思考。
仔細(xì)分析影響光纜熱容量參數(shù)的各種原因，不外乎“運(yùn)行方式、環(huán)境氣溫、短路點(diǎn)位置和保護(hù)動(dòng)作時(shí)限”這幾大因素。而我們都自覺(jué)和不自覺(jué)地將這幾種因素的最不利情況撮合在一起，這是不科學(xué)的。其結(jié)果正如前面所提到的，220千伏改建線路找不到合適的光纜。筆者認(rèn)為，以下的組合是可以考慮的：“一般運(yùn)行方式 年平均氣溫十非進(jìn)（出）線檔故障 主保護(hù)二階段動(dòng)作時(shí)限”或“最大運(yùn)行方式 最高氣溫月平均氣溫 最危險(xiǎn)點(diǎn)故障（一般也就是進(jìn)出線檔） 主保護(hù)一次動(dòng)作時(shí)限”，在這兩者中，可以取嚴(yán)重者考慮。這正如線路電氣設(shè)計(jì)中在最大風(fēng)的條件下不考慮系統(tǒng)過(guò)電壓，以及系統(tǒng)通常只能考慮n-1的安全儲(chǔ)備的道理是一樣的。也有不少工程設(shè)計(jì)人員注意到，對(duì)線路比較長(zhǎng)短路電流又較大的OPGW光纜線路，可以分段選型，也是比較有效的做法，這里不作贅述。
值得補(bǔ)充的是，OPGW光纜在我國(guó)已有十幾年的運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)，粗略地估計(jì)，大約已有了約300～400公里?年的運(yùn)行記錄，沒(méi)有發(fā)生一起因短路電流過(guò)載而損壞光纖的事件，這一方面說(shuō)明，小機(jī)率事件連續(xù)發(fā)生是非常稀罕的，也說(shuō)明在目前的光纜選型中，熱容量參數(shù)具有較高的安全儲(chǔ)備。對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆此际强扇〉摹?
為光纜選擇合適的分流線，特別是在220千伏線路改造工程中，往往會(huì)成為OPGW光纜能否成功上馬的關(guān)鍵性輔助措施。針對(duì)原先采用GJ-50鋼絞線的220千伏線路，在線路兩端采用合適的分流線是非常明智的做法。下面的一些線型值得考慮，可酌情采用。注：用戶還可以找到其他結(jié)構(gòu)的分流線，之所以這樣選，主要是圍繞GJ-50的直徑和強(qiáng)度要求來(lái)選，因?yàn)椴簧儆脩舨幌Ｍ睆教蟆?
需要特別指出的是，對(duì)分流線而言，在故障時(shí)其實(shí)際所分得的電流，取決于它和OPGW光纜阻抗（包括它們之間的互阻）之間的關(guān)系。但對(duì)于其熱容量中時(shí)間的考慮，完全可以區(qū)別對(duì)待，可以取0.1-0.15秒（前者針對(duì)鋼絞線，后者適用于其他導(dǎo)線）。這是一個(gè)很重要的技術(shù)原則和設(shè)計(jì)思想。我們可以將OPGW光纜作為一種“設(shè)備”，而將分流線作為“地線”，從性質(zhì)上將它們區(qū)分，對(duì)同樣熱容量的分流線，只考慮其通過(guò)短路電流時(shí)間為0.1-0.15秒，實(shí)際上就是大幅度地提高了其抗衡短路電流的能力，對(duì)分流線而言，即使在非常難得的情況下偶爾“過(guò)熱”一下，也沒(méi)什么影響，它根本不同于光纜，有燒毀光纖、中斷通信之憂。對(duì)靠長(zhǎng)期累積效應(yīng)才能發(fā)生強(qiáng)度下降的影響而言，這實(shí)在算不上什么，但我們采用這一特殊“技術(shù)政策”，卻為220千伏改建線路（包括新建）接納OPGW光纜打開(kāi)了坦途。即原先采用GJ-50或GJ-70地線的桿塔，基地線頂架可基本不作加強(qiáng)（或改動(dòng)）而直接架設(shè)OPGW光纜和相應(yīng)的分流線。考慮到這些分流線均比較輕，和GJ-50鋼絞線相比，只為其重量的75%左右。即重量為1噸的分流線可以施放3公里，一個(gè)工程用10公里左右的分流線，架設(shè)在兩端，投資不超過(guò)8萬(wàn)元（連所需的配套金具在內(nèi)），卻解決了光纜的匹配問(wèn)題，確實(shí)是個(gè)值得采納的技術(shù)措施。
關(guān)于地線的直徑，影響到桿塔的水平荷重，但也不必過(guò)于絕對(duì)，直徑稍大一些就認(rèn)為不行，從更深層次考慮，頂架的水平荷重還和頂架本身，地線的平均高度，桿塔的水平檔距等有關(guān)，簡(jiǎn)單地拿原地線的直徑來(lái)要求光纜和分流線，有失偏頗。需要引起注意的是有些線路運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)久，地線頂架承受不平衡張力的能力會(huì)有所降低，架設(shè)光纜和分流線，應(yīng)控制好最大張力，不降低原線路的安全運(yùn)行水平。
對(duì)于兩層結(jié)構(gòu)的OPGW光纜，由于上下扭絞得以平衡，而頗受用戶歡迎，從而出現(xiàn)即使是在小直徑的情況下，也要求OPGW光纜具有兩層結(jié)構(gòu)，并拒絕中心束管式光纜，其實(shí)大可不必。一則因?yàn)樵谛≈睆揭蟮模ㄍǔＶ钢睆叫∮?2mm時(shí)）約束下，要結(jié)合大芯數(shù)光纖單元的二層層絞是很困難的，另則因?yàn)樯a(chǎn)光纜的絞機(jī)一般均具有退扭功能。在該工藝條件下生產(chǎn)的光纜不足以在松馳狀態(tài)下形成扭曲變形；再由于光纜都是定長(zhǎng)生產(chǎn)，中間不得隨意開(kāi)斷，接頭均在耐張線夾的后面，這些特點(diǎn)決定了即使光纜單層絞也不會(huì)出現(xiàn)松股情況（制造質(zhì)量不佳另當(dāng)別論），單層絞結(jié)構(gòu)已經(jīng)為幾乎所有光纜制造商所采用，并以此來(lái)滿足對(duì)小直徑光纜的要求，注意到這一點(diǎn)，無(wú)論對(duì)用戶和制造商都是有利的。對(duì)于小直徑的中心束管式光纜，不能借助于絞制產(chǎn)生兩次余長(zhǎng)，但在大多數(shù)情況下，包括某些山區(qū)工程和復(fù)冰15mm地區(qū)，光纖單元的一次余長(zhǎng)已能夠滿足工程要求，以余長(zhǎng)過(guò)小而拒絕小直徑的中心束管式光纜，理由并不充分。
總之，在220千伏網(wǎng)絡(luò)工程中，尤其是老線路改建或增掛光纜工程中的選型問(wèn)題，不外乎是上述這些問(wèn)題的交叉組合，只要抓住關(guān)鍵要求，綜合平衡，全面完整地理解復(fù)合光纜，重視分流線的采用，在技術(shù)原則上區(qū)別對(duì)待，特別是分流線的短路時(shí)間，就不難為工程找到一個(gè)完美的解決方案，這些技術(shù)觀點(diǎn)對(duì)500千伏系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的光纜工程也同樣可引以為鑒。