OPPC架空試驗線路抗短路能力驗證

李杰，梁炯光，程啟誠，林楊，陳景鵬

（1. 廣東電網有限責任公司，廣東 廣州 510600；2. 江門供電局，廣東 江門 529100）

OPPC（optical phase conductor）是將光纖單元復合在相線中的電力特種光纜，具有電力線路相線和光纖通信的雙重功能。OPPC與電力線路相線融為一體，充分利用了電力系統的線路資源，具有傳輸信號損耗小，通信質量高等優點，避免了OPGW因雷擊引發的斷股斷芯的嚴重缺陷的同時，也避免了ADSS因場強的作用而導致光纜電腐蝕或引發燒毀斷纜事故。在一些特殊的地區（如重覆冰地帶），比OPGW具有較大的優勢。因此，在電力系統中OPPC通信技術逐步受到重視[1]。

2009年，某電網公司開發了10 kV配電線路OPPC新技術。2010年10月8日，第一條采用OPPC的10 kV配電線建成投入運行。該試驗線路采用中國國家專利光單元分離套管（專利號No.201010280663.4），以分離相導線的光單元作為EPON（ethernet passive optical network，無源以太光網絡）運行數據采集系統的通信通道，該OPPC光纖通信在某供電局至今運行正常[2]。

基于OPPC技術在10 kV配線上的試運行成功，該電網公司繼續開發OPPC在110 kV輸電線路上的應用技術。為了方便光單元直接引下，提出絕緣光單元OPPC的大膽設想，用PBT聚合材料代替傳統的不銹鋼光纖松套管，試制出一種絕緣光單元的OPPC架空導線。本文通過一條實際絕緣光單元OPPC架空試驗線路抗短路能力驗證，為110 kV OPPC架空試驗線路實施可行性提供理論依據。

1 試驗線路長度和阻抗

110 kV OPPC試驗線路為某供電局110 kV開崗線24號塔～37號塔線路段，長1.722 km。

該供電局電力調度控制中心提供該線路的最大運行方式的正序阻抗值的長度、阻抗狀態，見圖1。

圖1 試驗線路長度及阻抗參數Fig.1 Length and impedance parameters of the test circuit

2 試驗線路抗短路事故能力判別

本試驗線路其中一相采用OPPC導線，絕緣光單元PBT護套溫度耐受能力為150 ℃。

對于110 kV架空送電線路，啟動“遠后備保護”切除故障時間一般為4 s。也就是說，保障試驗線路安全運行的條件，是在最嚴重的短路狀態下，從短路發生時刻開始，至導線升溫至150 ℃的時間不小于4 s。

輸電線路最嚴重的短路狀態：在系統最大運行方式下，三相金屬性短路。這就需要計算這種短路狀態下，試驗線路導線升溫至150 ℃的時間。

3 試驗線路最大運行方式下三相金屬性短路電流計算

三相金屬性短路電流：

試驗線路首端24號塔至220 kV開平站的正序阻抗[3]：

在24號塔處線路發生三相金屬性短路的短路電流：

試驗線路首端37號塔至220 kV開平站的正序阻抗：

在37號塔處線路發生3相金屬性短路的短路電流：

4 試驗線路發生最嚴重短路事故（導線溫升至150 ℃）的歷時計算

4.1 載流導線溫升時間計算原理

載流導線熱平衡的計算，每米載電流I的架空導線的熱平衡是[4-5]：歐姆發熱功率I2R+吸收太陽輻射功率WS=輻射散熱功率WR+對流散熱功率WF，即

其中，

式中，D為導線外徑；θ為導線溫度；R20為導線在20 ℃時的電阻，Ω/m；ρ為導線電阻溫度系數；αS為導線表面吸熱系數；JS為地球表面日照強度，1 000 W/m2；α為日光對地平夾角；E1為導線表面輻射系數；S1為斯特凡-波爾茲曼常數=5.67×10-8（W/m2）；λf為導線表面空氣傳熱系數，W/（mk）-1；Re為雷諾數，Re=VD/γ，V為風速，m/s、γ為空氣的運動粘度，m2/s。

4.2 導線溫升及溫升到某特定溫度的歷時計算原理

事實上，在導線未達到終極溫度θm之前，導線發熱功率是大于散熱功率的[6-7]，即：

發熱和散熱功率之差額

就是繼續升溫的功率。Δp也即每米導線在Δt時間內獲得的熱量ΔE，等于溫度上升Δθ所需的熱量。鋼芯鋁絞線鋁股每米質量為mAl，kg/m；鋁的比熱為C1，W/（kg·K）；鋼股每米質量為mst，kg/m；鋼的比熱為C2，W/（kg·K）。則有：代入式（1）在

當Δt→0時，就變為一條關于溫升時間和導線溫度的微分方程：

將式（4）對某溫度θT積分

就得到載流導線從某個初始溫度θa到某個特定溫度θT的溫升歷時TθT。

4.3 溫升歷時軟件的制作

式（5）包含了超越函數，用手算是無法得到答案的[10]。為了解決本項目對試驗線路選擇的需要，利用2007年省公司電科院和華工大合作完成《架空線路應力弧垂及載流增容》計算軟件部分功能，開發了一個溫升歷時專用計算軟件。原理是將式（5）變成一個“累加公式”。即：

4.4 計算條件

表1所列的是試驗線路最嚴酷的運行狀態：夏至，中午，晴天無云，無風。因為即使大氣中風速為0，載流運行導線的達到高溫（50～60 ℃），導線表面空氣垂直對流。所以規程規定計算導線溫度最小風速為0.5 m/s。

表1 試驗線路計算條件Tab. 1 Calculation conditions of the test line

4.5 計算結果

利用4.3節溫升歷時專用計算軟件進行計算，試驗線路發生三相金屬性短路（Ik=7 248 A），導線溫升至150 ℃歷時為12 s。已經遠大于110 kV輸電線路遠后備保護跳閘時間4 s，表明在最嚴重的短路事故后，試驗線路光單元仍然安全。

對整條開崗線進行計算，開崗線在220 kV開平變電站的最大短路電流為11 117.1 A。按上述方式計算，導線溫升至150 ℃的歷時為5 s，這說明絕緣光單元OPPC導線用于整條開崗線仍然安全。

5 結論

作為110 kV開崗線一部分的本項目“試驗線路”，抗短路的安全裕度較大，證明試驗項目是完全可行的。

通過對整條開崗線溫升至150 ℃的歷時計算，在整條110 kV開崗線上應用OPPC通信技術也具有可行性。就廣東電網的110 kV架空送電線路而言，短路電流在10 000 A左右的不少。可見，絕緣光單元OPPC導線，一部分還是能用于廣東電網110 kV架空送電線路的。

2014年11月14日該試驗線路正式投入運行，原來由ADSS承擔的電力通信業務，全部轉移到OPPC的絕緣光單元上，運行效果良好。絕緣光單元OPPC 110 kV架空送電線路試驗成功，表明了這種新型OPPC綜合技術在110 kV電網中有著廣闊的應用前景。

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