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(wǎng)有限責(zé)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(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，具有傳輸信號損耗小，通信質(zhì)量高等優(yōu)點，避免了OPGW因雷擊引發(fā)的斷股斷芯的嚴(yán)重缺陷的同時，也避免了ADSS因場強(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。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(dǎo)線的光單元作為EPON（ethernet passive optical network，無源以太光網(wǎng)絡(luò)）運行數(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行正常[2]。

基于OPPC技術(shù)在10 kV配線上的試運行成功，該電網(wǎng)公司繼續(xù)開發(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(jù)。

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(diào)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?fàn)顟B(tài)，見圖1。

圖1 試驗線路長度及阻抗參數(shù)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(dǎo)線，絕緣光單元PBT護(hù)套溫度耐受能力為150 ℃。

對于110 kV架空送電線路，啟動“遠(yuǎn)后備保護(hù)”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(yán)重的短路狀態(tài)下，從短路發(fā)生時刻開始，至導(dǎo)線升溫至150 ℃的時間不小于4 s。

輸電線路最嚴(yán)重的短路狀態(tài)：在系統(tǒng)最大運行方式下，三相金屬性短路。這就需要計算這種短路狀態(tài)下，試驗線路導(dǎo)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(fā)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(fā)生3相金屬性短路的短路電流：

4 試驗線路發(fā)生最嚴(yán)重短路事故（導(dǎo)線溫升至150 ℃）的歷時計算

4.1 載流導(dǎo)線溫升時間計算原理

載流導(dǎo)線熱平衡的計算，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(dǎo)線外徑；θ為導(dǎo)線溫度；R20為導(dǎo)線在20 ℃時的電阻，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為空氣的運動粘度，m2/s。

4.2 導(dǎo)線溫升及溫升到某特定溫度的歷時計算原理

事實上，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，就變?yōu)橐粭l關(guān)于溫升時間和導(dǎo)線溫度的微分方程：

將式（4）對某溫度θT積分

就得到載流導(dǎo)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(shù)，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(yīng)力弧垂及載流增容》計算軟件部分功能，開發(fā)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(yán)酷的運行狀態(tài)：夏至，中午，晴天無云，無風(fēng)。因為即使大氣中風(fēng)速為0，載流運行導(dǎo)線的達(dá)到高溫（50～60 ℃），導(dǎo)線表面空氣垂直對流。所以規(guī)程規(guī)定計算導(dǎo)線溫度最小風(fēng)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(jié)果

利用4.3節(jié)溫升歷時專用計算軟件進(jìn)行計算，試驗線路發(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)跳閘時間4 s，表明在最嚴(yán)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(jìn)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(dǎo)線溫升至150 ℃的歷時為5 s，這說明絕緣光單元OPPC導(dǎo)線用于整條開崗線仍然安全。

5 結(jié)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(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，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日該試驗線路正式投入運行，原來由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(shù)在110 kV電網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 李建惠. 光纖復(fù)合相線光纜OPPC的技術(shù)特點及應(yīng)用[J].貴州電力技術(shù)，2009，2（3）: 46-48 LI Jianhui. Technical characteristics and application of OPPC[J]. Guizhou Electric Power Technology，2009，2（3）:46-48（in Chinese）.

[2] 林楊，程啟誠，趙建青. 配電通信系統(tǒng)中電力特種光纜的應(yīng)用研究[J]. 電力系統(tǒng)通信，2012，1（4）: 103-106.LIN Yang，CHENG Qicheng，ZHAO Jianqing. Application research of electric power special optical cable in distribution communication system[J]. Telecommunication for Electric Power System，2012，1（4）:103-106（in Chinese）.

[3] 張殿生. 電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊[M]. 2版. 北京:中國電力出版社，2002.

[4] 林玉章. 高壓架空輸電線路載流量和溫度計算[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6（4）: 23-27.LIN Yuzhang. The calculation of current carrying capacity and temperature of high voltage overhead lines[J]. Southern Power System Technology，2012，6（4）:23-27（in Chinese）.

[5] 張輝，韓學(xué)山，王艷玲. 架空輸電線路運行載流量分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（14）: 23-27.ZHANG Hui，HAN Xueshan，WANG Yanling. Analysis on current carrying capacity of overhead lines being operated[J]. Power System Technology，2008，32（14）: 23-27（in Chinese）.

[6] 韓芳，徐青松，侯煒，等. 架空導(dǎo)線動態(tài)載流量的計算方法的應(yīng)用[J]. 電力建設(shè)，2008，29（1）: 39-43.HAN Fang，XU Qingsong，HOU Wei，et al. Application of overhead transmission line dynamic ampacity calculation method[J]. Electric Power Construction，2008，29（1）: 39-43（in Chinese）.

[7] 商威. OPGW短路電流溫升計算原理及應(yīng)用程序[J]. 電力系統(tǒng)通信，2004（5）: 6-9.SHANG Wei.Calculation principle and application program for temperature rise caused by short-circuit in OPGW[J].Telecommunication for Electric Power System，2004（5）:6-9（in Chinese）.