OPPC架空試驗(yàn)線路抗短路能力驗(yàn)證

李杰，梁炯光，程啟誠(chéng)，林楊，陳景鵬

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510600；2. 江門(mén)供電局，廣東 江門(mén) 529100）

OPPC（optical phase conductor）是將光纖單元復(fù)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(tǒng)的線路資源，具有傳輸信號(hào)損耗小，通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，避免了OPGW因雷擊引發(fā)的斷股斷芯的嚴(yán)重缺陷的同時(shí)，也避免了ADSS因場(chǎng)強(qiáng)的作用而導(dǎo)致光纜電腐蝕或引發(fā)燒毀斷纜事故。在一些特殊的地區(qū)（如重覆冰地帶），比OPGW具有較大的優(yōu)勢(shì)。因此，在電力系統(tǒng)中OPPC通信技術(shù)逐步受到重視[1]。

2009年，某電網(wǎng)公司開(kāi)發(fā)了10 kV配電線路OPPC新技術(shù)。2010年10月8日，第一條采用OPPC的10 kV配電線建成投入運(yùn)行。該試驗(yàn)線路采用中國(guó)國(guó)家專利光單元分離套管（專利號(hào)No.201010280663.4），以分離相導(dǎo)線的光單元作為EPON（ethernet passive optical network，無(wú)源以太光網(wǎng)絡(luò)）運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信通道，該OPPC光纖通信在某供電局至今運(yùn)行正常[2]。

基于OPPC技術(shù)在10 kV配線上的試運(yùn)行成功，該電網(wǎng)公司繼續(xù)開(kāi)發(fā)OPPC在110 kV輸電線路上的應(yīng)用技術(shù)。為了方便光單元直接引下，提出絕緣光單元OPPC的大膽設(shè)想，用PBT聚合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不銹鋼光纖松套管，試制出一種絕緣光單元的OPPC架空導(dǎo)線。本文通過(guò)一條實(shí)際絕緣光單元OPPC架空試驗(yàn)線路抗短路能力驗(yàn)證，為110 kV OPPC架空試驗(yàn)線路實(shí)施可行性提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)線路長(zhǎng)度和阻抗

110 kV OPPC試驗(yàn)線路為某供電局110 kV開(kāi)崗線24號(hào)塔～37號(hào)塔線路段，長(zhǎng)1.722 km。

該供電局電力調(diào)度控制中心提供該線路的最大運(yùn)行方式的正序阻抗值的長(zhǎng)度、阻抗?fàn)顟B(tài)，見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)線路長(zhǎng)度及阻抗參數(shù)Fig.1 Length and impedance parameters of the test circuit

2 試驗(yàn)線路抗短路事故能力判別

本試驗(yàn)線路其中一相采用OPPC導(dǎo)線，絕緣光單元PBT護(hù)套溫度耐受能力為150 ℃。

對(duì)于110 kV架空送電線路，啟動(dòng)“遠(yuǎn)后備保護(hù)”切除故障時(shí)間一般為4 s。也就是說(shuō)，保障試驗(yàn)線路安全運(yùn)行的條件，是在最嚴(yán)重的短路狀態(tài)下，從短路發(fā)生時(shí)刻開(kāi)始，至導(dǎo)線升溫至150 ℃的時(shí)間不小于4 s。

輸電線路最嚴(yán)重的短路狀態(tài)：在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，三相金屬性短路。這就需要計(jì)算這種短路狀態(tài)下，試驗(yàn)線路導(dǎo)線升溫至150 ℃的時(shí)間。

3 試驗(yàn)線路最大運(yùn)行方式下三相金屬性短路電流計(jì)算

三相金屬性短路電流：

試驗(yàn)線路首端24號(hào)塔至220 kV開(kāi)平站的正序阻抗[3]：

在24號(hào)塔處線路發(fā)生三相金屬性短路的短路電流：

試驗(yàn)線路首端37號(hào)塔至220 kV開(kāi)平站的正序阻抗：

在37號(hào)塔處線路發(fā)生3相金屬性短路的短路電流：

4 試驗(yàn)線路發(fā)生最嚴(yán)重短路事故（導(dǎo)線溫升至150 ℃）的歷時(shí)計(jì)算

4.1 載流導(dǎo)線溫升時(shí)間計(jì)算原理

載流導(dǎo)線熱平衡的計(jì)算，每米載電流I的架空導(dǎo)線的熱平衡是[4-5]：歐姆發(fā)熱功率I2R+吸收太陽(yáng)輻射功率WS=輻射散熱功率WR+對(duì)流散熱功率WF，即

其中，

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

4.2 導(dǎo)線溫升及溫升到某特定溫度的歷時(shí)計(jì)算原理

事實(shí)上，在導(dǎo)線未達(dá)到終極溫度θm之前，導(dǎo)線發(fā)熱功率是大于散熱功率的[6-7]，即：

發(fā)熱和散熱功率之差額

就是繼續(xù)升溫的功率。Δp也即每米導(dǎo)線在Δt時(shí)間內(nèi)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(zhì)量為mAl，kg/m；鋁的比熱為C1，W/（kg·K）；鋼股每米質(zhì)量為mst，kg/m；鋼的比熱為C2，W/（kg·K）。則有：代入式（1）在

當(dāng)Δt→0時(shí)，就變?yōu)橐粭l關(guān)于溫升時(shí)間和導(dǎo)線溫度的微分方程：

將式（4）對(duì)某溫度θT積分

就得到載流導(dǎo)線從某個(gè)初始溫度θa到某個(gè)特定溫度θT的溫升歷時(shí)TθT。

4.3 溫升歷時(shí)軟件的制作

式（5）包含了超越函數(shù)，用手算是無(wú)法得到答案的[10]。為了解決本項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)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(yīng)力弧垂及載流增容》計(jì)算軟件部分功能，開(kāi)發(fā)了一個(gè)溫升歷時(shí)專用計(jì)算軟件。原理是將式（5）變成一個(gè)“累加公式”。即：

4.4 計(jì)算條件

表1所列的是試驗(yàn)線路最嚴(yán)酷的運(yùn)行狀態(tài)：夏至，中午，晴天無(wú)云，無(wú)風(fēng)。因?yàn)榧词勾髿庵酗L(fēng)速為0，載流運(yùn)行導(dǎo)線的達(dá)到高溫（50～60 ℃），導(dǎo)線表面空氣垂直對(duì)流。所以規(guī)程規(guī)定計(jì)算導(dǎo)線溫度最小風(fēng)速為0.5 m/s。

表1 試驗(yàn)線路計(jì)算條件Tab. 1 Calculation conditions of the test line

4.5 計(jì)算結(jié)果

利用4.3節(jié)溫升歷時(shí)專用計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)線路發(fā)生三相金屬性短路（Ik=7 248 A），導(dǎo)線溫升至150 ℃歷時(shí)為12 s。已經(jīng)遠(yuǎn)大于110 kV輸電線路遠(yuǎn)后備保護(hù)跳閘時(shí)間4 s，表明在最嚴(yán)重的短路事故后，試驗(yàn)線路光單元仍然安全。

對(duì)整條開(kāi)崗線進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)崗線在220 kV開(kāi)平變電站的最大短路電流為11 117.1 A。按上述方式計(jì)算，導(dǎo)線溫升至150 ℃的歷時(shí)為5 s，這說(shuō)明絕緣光單元OPPC導(dǎo)線用于整條開(kāi)崗線仍然安全。

5 結(jié)論

作為110 kV開(kāi)崗線一部分的本項(xiàng)目“試驗(yàn)線路”，抗短路的安全裕度較大，證明試驗(yàn)項(xiàng)目是完全可行的。

通過(guò)對(duì)整條開(kāi)崗線溫升至150 ℃的歷時(shí)計(jì)算，在整條110 kV開(kāi)崗線上應(yīng)用OPPC通信技術(shù)也具有可行性。就廣東電網(wǎng)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(jiàn)，絕緣光單元OPPC導(dǎo)線，一部分還是能用于廣東電網(wǎng)110 kV架空送電線路的。

2014年11月14日該試驗(yàn)線路正式投入運(yùn)行，原來(lái)由ADSS承擔(dān)的電力通信業(yè)務(wù)，全部轉(zhuǎn)移到OPPC的絕緣光單元上，運(yùn)行效果良好。絕緣光單元OPPC 110 kV架空送電線路試驗(yàn)成功，表明了這種新型OPPC綜合技術(shù)在110 kV電網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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