OPGW工程設計探討

劉禮華，江西瑞昌市供電公司，1975年出生，本科學士學歷，工程師，主要從事電力系統的設計、施工和配網自動化方面的工作。

歐陽劍，江西吉安供電公司，1976年出生，本科學士學歷，主要從事電力通信自動化的工作。

田大毛，江西瑞昌市供電公司，1983年出生，本科學士學歷，主要從事電力系統的設計和工程項目的工作。

摘 要： OPGW工程是將光纖電纜和地線復合一起架設的新技術，在尚無國家行業設計標準時，如何做好設計工作，重點關注OPGW工程的選型、光纖及余長、雷電特性、故障電流及熱穩定計算、張力、配盤、防振等問題。

關鍵詞： OPGW工程 光纖特性 張力 配盤 防震

中圖分類號：TM715 文獻標識碼：A 文章編號：1674-198X(2011)12(a)-0000-00

OPGW是架空地線復合光纜的英文縮寫（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire），具有電力線路避雷地線和光纖通信的雙重功能，工程設計涉及架空線路和電力通信兩個專業。目前國家尚未編出OPGW設計規范，筆者根據220kV龜峰變～上饒變輸電線路OPGW 工程和萍鄉110kV五陂下～蓮花變Ⅱ回輸電線路OPGW工程的設計實踐，提出OPGW工程設計的基本要求和體會，以供討論參考。

OPGW工程介紹及設計標準、規范

1.1 工程案例

江西220kV龜峰～上饒變輸電線路OPGW總長73公里，光纜纖芯為24芯（16G.652＋8G.655），線路單相短路最大電流27.12kA，設計選用良導體JLB30A-70、 JLB20A-50、GJ-50地線與OPGW-90進行熱穩定配合計算。線路途經弋陽縣、橫豐縣、鉛山縣、上饒縣、上饒市境內，地形以丘陵、山地為主，氣象條件按江西省典型I類氣象區進行設計。

110kV五陂下～蓮花變Ⅱ回輸電線路OPGW全長63公里，光纜纖芯為16芯（G.652），線路單相短路最大電流20.576kA，設計選用良導體JLB30/70、JLB20A-50、GJ-50地線與OPGW-70進行熱穩定配合計算。線路沿途經過萍鄉市、蓮花縣境內，地形以高山、山地為主，工程海拔高程在90～800米之間，其氣象條件主要按江西省典型Ⅱ類氣象區（海拔90m～400m）、江西省典型Ⅲ類氣象區（海拔400m～600m）、重冰區（海拔600m以上，覆冰20mm）進行設計。

1.2 工程設計可依據的標準、規范

(1)《110～500kV架空送電線路設計技術規程》DL/T 5092—1999；(2)《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》SDGJ94—1990；(3)《電力系統光纜通信工程初步設計內容深度規定》DLGJ152—2000；(4)《長途通信干線光纜數字傳輸系統線路工程設計暫行技術規定》YDJ14—1991。

2 OPGW工程的初步設計

初步設計內容包括：(1) 路徑；(2)工程設計條件；(3)OPGW選型；(4)地線絕緣型式；(5) 金具。

2.1 路徑選擇

單一線路OPGW的路徑沒有太多選擇，一般與送電線路同路徑。如果一條光纜線路承掛在不同電壓的送電線路上，設計應進行方案比較，以保證光纜線路安全可靠、經濟合理、施工維護方便。在確定光纜路徑時，應結合電力系統網絡結構，選擇平直且距離短、投資省、交通條件好、運行維護便利的路徑。盡量選擇少穿越鐵路、江河湖泊及嚴重覆冰區、大污穢區及大型建筑障礙物的線路，特殊地段可改用其他光纜如非金屬光纜代替。

2.2工程設計條件

(1) 氣象條件：設計氣象條件（風速、覆冰厚度、氣溫）與線路本體相同。

(2) 線路桿塔條件：通常OPGW的機械參數可能超過原設計避雷線，工程中應結合OPGW的物理機械參數對桿塔和基礎進行補強計算，或增大OPGW的機械參數值，使之滿足工程要求。

2.3 OPGW選型

2.3.1 OPGW的結構

OPGW有不銹鋼管式、骨架式及鋁管式三種典型結構，見圖1。

OPGW選型主要考慮以下幾個因素：

OPGW內光纖及光纖單元特性

OPGW熱穩定特性

OPGW熱穩定特性包括系統發生單相接地時故障電流特性及雷電特性。電力線發生單相接地短路時，地線返回電流使OPGW發熱，其溫升不得超過允許值，以免造成對光纖的損壞。由于線路短路電流持續時間很短(如220kV為0.35s)，可視為絕熱過程，其短路時發出的熱量全部用于提高OPGW的溫度。雷電流幅值雖然很大，但由于放電時間短，其對OPGW的熱穩定一般不起控制作用。

OPGW 機械及抗疲勞特性

OPGW的機械強度及疲勞強度特性應能與另一根地線匹配。

2.3.2 纜內光纖要求

光纜光纖芯數應滿足工程使用并兼顧今后發展需求，一般選擇大于12芯，光纖種類可選非色散位移單模光纖（G.652）和非零色散位移光纖（G.655），主要參數及應用場合如表1、2。

應用場合：應用于EDFA和波分復用結合的傳輸速率在10Gbit/s以上高速系統。

2.3.3 OPGW的纖芯余長

纖芯余長是OPGW的重要參數，線體在受拉力后及運行中將發生伸長變形，如果纖芯余長不夠，將使光纖受力造成疲勞，引起傳輸衰減增加或光纖受損等問題。絞合線體的伸長主要有二種形式：(1) 塑性伸長和蠕變（初伸長）；(2) 運行過程中隨環境條件的變化而產生的伸長。

在線路發生單相短路故障時，短路電流流經OPGW將使其溫度急劇升高，當達到最高允許溫度時，OPGW線長伸長遠大于正常運行時OPGW的線長伸長，應予以特別注意。由于各生產廠家所生產的OPGW在結構形式、材質、特性等方面各不相同，在設計中確定一個固定的纖芯余長難以滿足不同型號光纜的要求，建議在OPGW招標中要求生產廠商根據其OPGW的特性確定合適纖芯余長，以保證OPGW在各種情況下能安全運行。

2.3.4 OPGW防雷電特性

雷擊地線時，雷電流流經地線引起線體瞬間發熱，如果溫升過高會造成光纖受損，傳輸損耗增加，嚴重時可能造成斷股事故。根據我國220kV及以上線路運行經驗以及國外對雷擊試驗的總結認為，當地線單股直徑大于3.0mm時，雷擊對地線損傷較小。在雷暴日較多的地區如江西省年平均雷暴日為62日/年應盡量選用單股直徑不小于3.0mm的OPGW，特殊地區如我國雷州半島等年平均雷暴日達80日/年，OPGW外層單股直徑應盡可能大，同時OPGW單絲采用鋁包鋼結構。

2.4 故障電流計算及熱穩定校驗

當送電線路發生單相接地故障時，短路電流從故障點沿地線向兩側分散。若故障出現在變電所進出線檔，電流流向變電所分量為整個故障電流的大部分。地線分布電路模型見圖2。

Ro：變電所接地網電阻，Rt：線路各基桿塔接地電阻，Zg：各檔地線的阻抗，Zop：各檔OPGW 的自阻抗，Zgm：各檔另一根地線的自阻抗，3Io：接地故障電流，Ig：通過地線電流，It：通過各桿塔接地電阻電流。

當送電線路在塔身處發生接地故障時，從變電所A、B兩側來的故障電流在故障點分三路入地，一路電流 It 從本桿塔接地電阻Rt入地，另兩路 Iga、Igb 電流由兩側桿塔接地電阻入地。

分析計算故障電流在OPGW及另一根地線中的電流分布情況，可將故障電流分為兩部分，一部分是零序電壓在各支路接地阻抗倒數分配的自由分量Igf和另一部分是導線故障電流3Io通過電磁感應在地線產生感應電流的強制分量，由于電力電路元件是線性的，可以用重迭原理分別計算，再合成總的電流。

工程設計時可暫選定一種適合結構的OPGW與另一根地線進行故障電流配合計算。通常為減小故障時流過變電所附近OPGW電流，在變電所出口另一根地線采用良導體，中間段仍采用普通地線。根據計算結果確定線路全線地線配置方案。表3列出幾種線材的參數供設計參考。

2.5 OPGW張力設計

OPGW應滿足設計規程對地線在最大使用應力時安全系數大于導線安全系數（2.5）的要求，同時在外過電壓無風條件下，檔距中央導線與地線間應滿足0.012L(檔距)+1米距離要求。

由于OPGW供貨廠商產品的參數有所不同，OPGW的張力設計應根據導地線安全配合及另一根地線的機電特性確定其安全系數及平均運行張力，以確保兩根地線有相近的弧垂特性。在拉力為70％額定拉斷力，或在最高線溫及最大短路電流引起的伸長工況下，光纖應不受力，一般將平均運行應力設計控制在極限張力的20%以內。

3 施工設計

3.1 設計內容

(1) 施工圖設計說明書，說明工程概況、氣象條件、光纜技術參數、設計應力及安全系數選取、金具選擇及防振措施、對地及交叉跨越要求、盤長配置情況、施工注意事項等。

(2) 施工表冊，包括設備材料清冊、桿塔位明細表。

(3) 施工圖冊，分為電氣部分和結構部分兩卷。OPGW地線必須采用張力放線，由于OPGW采用張力放線不同于普通地線放線，因此電氣部分施工圖應包括放線牽引機布置、端頭處理、光纜門型桿引下方式、余纜架安裝、接續盒安裝、耐張線夾終端塔耐張塔安裝、懸垂線夾安裝、防振錘安裝等。結構部分桿塔型式由線路專業設計，光纜懸掛構件和接續構件的加工一般由光纜金具廠商配套提供，無需單獨設計。

3.2 OPGW的配盤

(1) 配盤原則：配盤應服從線路的耐張段且不能超過最大制造長度，盡量減少光纖接頭原則。應盡量避免在水稻田、沼澤、水塘、山頂、深谷等不利地形處接頭，選擇交通便利、能方便地獲取公用設施的地點安排接頭。當線路中有二個及以上的90o轉角或四個以上45o轉角時，應盡量分盤，在這些轉角塔上安排接頭。

(2) 單盤長度： 目前OPGW最大生產盤長可達6km，在平原地區，單盤3～5km是較佳的選擇，如在地形較復雜的山區，應盡量控制在3km盤長左右，以一個施工隊可以在一天內放完為宜。

(3) 配盤長度(DL)

推薦配盤長度公式： DL＝L×A+3H+h+2B

DL－配盤長度（m）；L－線路長度(m) ；A－長度預留系數，平原：1.02～1.03 ，丘陵：1.03～1.04 ，山區：1.04～1.05 ；H－光纜輸入端桿塔高度 ；h－光纜輸出端桿塔高度 ；B－牽引預留長度，通常取6－10m 。

3.3 OPGW防振設計

OPGW的防振器件主要是防振錘，在大跨越工程中則由數個不同長度的阻尼線和防振錘組成聯合防振裝置。

(1) 數量配置

一般在年平均運行張力大于15%RTS時，開闊地區一只防振錘的保護檔距為125m，非開闊地區一只防振錘的保護檔距為150m。

圖4 防振錘安裝位置圖(上為懸垂線夾，下為耐張線夾)

考慮防振錘安裝在對最大、最小波腹接近程度相同的位置處，可按下式計算得出：

式中：L1 — 安裝距離(m)，D—OPGW光纜直徑（m），m—OPGW光纜單位長度的質量（kg/m），Tav—平均運行張力(N)。

為避免當振動頻率增加一倍或其他整數倍時，第一只防振錘處于波節點，不能充分發揮作用，故第二、三只防振錘的安裝距離為：L2=L3=0.6～0.7L1。

當遇下列情況之一，應重新確認防振方法：

1) 檔距>800米，地形平坦開闊，高度>40米；

2) 常年季風與線路成40度－90度，Tav >20%RTS；

3) 地形平坦開闊，檔距<120米，Tav >20%RTS；

4) 振動高發地帶。

4 結語

4.1 光纖復合架空地線（OPGW）工程設計應服從電力線路避雷地線和光纖通信兩大功能。

4.2 初步設計主要工作是：(1)選型，根據線路特點、氣象條件、工程需求選擇光纜結構和光纖芯數；(2)熱穩定計算，根據系統最大運方條件下單相接地短路電流和OPGW短路熱容量確定OPGW及另一地線配置。

4.3 施工設計應注意熱穩定校核和力學特性計算，根據線路耐張段長度及盡量減少光纖接頭原則進行配盤設計，防振裝置應結合線路情況確定型式、數量和安裝位置。

4.4 由于還沒有國家（行業）的OPGW設計規范，目前還是各設計人員參照相關規范摸索進行設計，難免存在諸多缺陷，希望能引起重視，盡快制訂OPGW的設計標準。

參考文獻：

[1] 胡先志，鄒林森，等. 光纜及工程應用. 人民郵電出版社. 1998

[2] 王守禮，嚴永新，等. 電力系統光纖通信線路設計. 中國電力出版社. 2003

[3] 黃俊華. OPGW的主要特性和工程配置