220 kV同塔雙回線路光纜與地線配置方案比較

于 昉，叢 琳

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

隨著通信網絡光纖化趨勢進程的加速，山東電力專用網在很多地區已經基本完成了從主干線到接入網向光纖過渡的過程，光纜已在220 kV線路上得到廣泛應用。新建220 kV架空線路，一般采用OPGW光纜。

目前，220 kV同塔雙回架空線路地線配置為：1條OPGW光纜+1條地線、2條均為OPGW光纜。通過針對同一假設線路地線配置的設計，對兩種地線配置方案概述。

1 地線類型

架空地線又稱避雷線，一般多采用鍍鋅鋼絞線。近年來，在220 kV及以上送電線路中也有采用良導體或復合光纜作避雷線的。

架空地線復合光纜 （OPGW，Optical Ground Wire）是在電力傳輸線路的地線中含有供通信用的光纖單元，是集通信和接地功能于一體的結構。它具有兩種功能：一是作為輸電線路的防雷線，對輸電導線抗雷、閃電提供屏蔽保護；二是通過復合在地線中的光纖來傳輸信息。

鋁包鋼絞線（良導體）由鋁包鋼單線組成，具有強度大、耐腐蝕性好、導電率高等優點，廣泛用于高壓架空電力線路的地線、千米級大跨越的輸電線等。JLB40鋁包鋼絞線是目前省內常用的地線分流線。

鋼絞線是由多根鋼絲絞合構成的鋼鐵制品，其電阻率相對于OPGW光纜和良導體而言較大。鍍鋅鋼絞線（普通地線）作為架空輸電的地線，省內常用的型號為GJ-80。

2 方案概述

由于山東電網架構已基本完成，現處于逐步完善階段，220 kV變電站間距離相對較近，開斷線路也較多。因此目前省內新建220 kV線路一般長度均在50 km范圍內。

對于地線的選擇，需要考慮其熱容量Q能否滿足線路安全運行的要求。熱穩定計算公式

式中：I為單相短路電流，kA；t為短路故障切除時間，s。

山東省內220 kV站根據其所處電網位置的不同，其短路電流一般在30～50 kA左右。因此，假設線路長度為50 km，線路的兩端站短路電流均為50 kA，則線路短路電流分布如圖1所示。

圖1 A站—B站線單相接地短路電流曲線

由此可見，送電線路在不同地點發生短路時，短路電流分布是不均勻的，越靠近變電站其短路電流越大，隨著遠離變電站距離的增加，短路電流逐漸衰減，線路中間最小。

假設A站—B站間線路長為50 km，每基塔間距離按0.3 km考慮，共168基塔。OPGW光纜芯數均假設為24芯，短路電流取值按圖1計算，以此假設條件將地線配置方案進行描述。

2.1 方案一

本方案兩根地線均采用24芯OPGW光纜，則當線路上不同地點發生短路時，通過兩根地線的短路電流是相同的。由圖1可知，其熱穩定計算如表1所示。

表1 兩根地線均采用光纜時的熱穩定計算

當A（或B）站終端塔發生短路時（短路點1、5），通過光纜的短路電流達到最大值，均分在兩根光纜上，即通過每根OPGW光纜的最大短路電流可達到25 kA。根據公式 （1）（短路故障切除時間t按0.3 s考慮），每根OPGW光纜熱容量要求不小于187.5 kA2·S。

圖2 方案一地線配置示意圖

當距離A（或B）站25 km處發生短路時（短路點3），通過光纜的短路電流達到最小值，均分在兩根光纜上，即通過每根OPGW光纜的短路電流為8.5 kA。根據公式(1)（短路故障切除時間t按0.3 s考慮），每根OPGW光纜熱容量要求不小于21.7 kA2·S。

當距離A（或B）站2 km處發生短路時（短路點2、4），通過每根OPGW光纜的短路電流可達到19 kA。根據公式1（短路故障切除時間t按0.3 s考慮），每根OPGW光纜熱容量要求不小于108.3 kA2·S。

根據上述計算，自A站起，0～2 km及48～50 km段的光纜熱容量在108.3～187.5 kA2·S范圍內，需選用OPGW-150光纜；2～48 km段的光纜熱容量在 21.7～108.3 kA2·S 范圍內，需選用 OPGW-120 光纜，即滿足線路安全運行要求。其地線配置如圖2所示。

2.2 方案二

本方案的兩根地線，一根采用24芯OPGW光纜，另一根采用鋁包鋼絞線（良導體）。由于良導體的導電性能與OPGW光纜基本相同，因此其熱容量計算同方案一。

自A站起，0～2 km及48～50 km段的光纜熱容量在108.3～187.5kA2·S范圍內，需一根地線選用OPGW-150 光纜、另一根選用 JLB40-150；2～48 km段的光纜熱容量在21.7～108.3 kA2·S范圍內，需一根地線選用OPGW-120光纜、另一根選用JLB40-120，即滿足線路安全運行要求。其地線配置如圖3所示。

2.3 方案三

本方案的兩根地線，一根采用24芯OPGW光纜，另一根采用鍍鋅鋼絞線（普通地線）。由于普通地線的電阻率相對較大，因此在與OPGW光纜同時作為地線時，短路情況下光纜需承載所有通過線路的短路電流，其熱穩定計算如表2所示。

表2 一根地線采用光纜，另一根采用普通地線時的熱容量計算

當A（或B）站終端塔發生短路時，通過光纜的短路電流達到最大值50 kA。若僅用一根光纜，則其熱容量要求不小于750 kA2·S，無法滿足要求，因此另一根地線必須采用分流線（即良導體）。計算得每根地線的熱容量要求不小于187.5 kA2·S。

當距離A（或B）站25 km處發生短路時，通過光纜的短路電流達到最小值17 kA，根據公式1（短路故障切除時間t按0.3 s考慮），OPGW光纜熱容量要求不小于 86.7 kA2·S。

當距離A（或B）站8 km處發生短路時，通過OPGW光纜的短路電流可達到24 kA。根據公式1（短路故障切除時間t按0.3 s考慮），OPGW光纜熱容量要求不小于172.8 kA2·S。

圖3 方案二地線配置示意圖

圖4 方案三地線配置示意圖

當距離A（或B）站15 km處發生短路時，通過OPGW光纜的短路電流可達到18.8 kA。根據公式2-1（短路故障切除時間t按0.3 s考慮），OPGW光纜熱容量要求不小于106.1 kA2·S。

根據上述計算，自A站起，0～8 km及42～50 km段的光纜熱容量在172.8～187.5 kA2·S范圍內，需一根地線選用OPGW-150光纜、另一根選用JLB40-150；8～15 km 及 35～42 km 段的光纜熱容量在106.1～172.8 kA2·S范圍內，需一根地線選用OPGW-150 光纜、另一根選用 GJ-80；15～35 km 段的光纜熱容量在86.7～106.1 kA2·S范圍內，需一根地線選用OPGW-120光纜、另一根選用GJ-80，即滿足線路安全運行要求。其地線配置如圖4所示。

3 投資估算

3.1 方案一

本方案兩根地線均采用OPGW光纜，總長2×50 km，其中 OPGW-150光纜長 2×4 km、OPGW-120光纜長 2×46 km。按照 4 km/盤計算，OPGW-150光纜共分4盤、OPGW-120光纜共分24盤。

方案一的投資估算約374萬元，其具體設備材料見表3和表4。

表3 方案一光纜材料表

表4 方案一的投資估算總表

3.2 方案二

本方案的兩根地線，一根采用OPGW光纜，另一根采用鋁包鋼絞線。光纜總長50 km，其中OPGW-150光纜長4km、OPGW-120光纜長46 km。按照4 km/盤計算，OPGW-150光纜共分2盤、OPGW-120光纜共分12盤。鋁包鋼絞線總長50 km，其中JLB40-150長4 km、JLB40-120長46 km。

方案二的投資估算約303萬元，其具體設備材料見表5和表6。

表5 方案二光纜材料表

表6 方案二的投資估算總表

3.3 方案三

本方案的兩根地線，一根采用OPGW光纜，另一根采用鋁包鋼絞線和普通地線。光纜總長50 km，其中OPGW-150光纜長30 km、OPGW-120光纜長20 km。按照4 km/盤計算，OPGW-150光纜共分8盤、OPGW-120光纜共分5盤。鋁包鋼絞線總長16 km，全為JLB40-150，普通地線總長34 km，全為GJ-80。

方案三的投資估算約279萬元，其具體設備材料見表7和表8。

表7 方案三光纜材料表

4 結論

根據上述針對同一假設線路不同地線配置方案的對比，在費用投資上，方案一架設兩根光纜的投資最高，為374萬元；方案三架設一根光纜、一根普通地線的投資最低，為279萬元。

由于近幾年山東電網開斷線路較多，新建變電站的位置基本在原線路附近，新建線路較短。但由于系統容量和運行方式的改變，引起短路電流變化，需要綜合考慮原OPGW光纜的熱穩定，若采用方案三，則造成原線路普通地線全線更換為良導體或OPGW光纜的情況非常普遍。

表8 方案三的投資估算總表

此外，當同塔雙回線路開斷其中一回時，若僅有一條OPGW光纜，為保證保護通道滿足一條直達光纜路由和一條迂回光纜路由的要求，也會出現將另一根地線更換為OPGW光纜的情況。

綜上所述，雖然方案一在初期的投資費用較高，但結合電力系統的長遠規劃來看，其在材料的綜合利用、施工人力資源的節約方面較其他兩個方案更為優越。因此，建議處于業務需求較大地區的同塔雙回線路采用架設兩根光纜作為地線。