【摘　要】　光纤复合架空地线（OPGW）是一种新型地线材料，既有光纤通信容量大、损耗低、频带宽、抗强电磁干扰等优点，又有常规架空地线所必需的机械强度和电气性能，文中结合工程设计实践，从电气性能和机械性能两方面阐述了在城网线路上架设OPGW需考虑的一些问题；对OPGW的选型、热稳定校验等通用性问题进行了探讨，也对OPGW工程设计中地线的配合，杆塔的结构强度校验及几种电力光缆在城网中的应用前景进行了分析。
【关键词】　OPGW光纤　城市电网　地线　设计
 
1　引言
 
光纤复合架空地线（OPGW）是集通信光纤和架空送电线路避雷线于一体的地线。它既具有光纤通信主高宽带能力、通信容量大、传输损耗小、无电磁干扰的特点，也具有作为架空送电线路避雷线的基本性能，如机械强度和电气性能等。OPGW充分利用了电力系统丰富的线路资源，不仅可以用于电力系统内部的通信，还用于继电保护的高频通道、远动信号及通信频道等用途，目前正在公共服务网络开拓新的用途。
以往OPGW主要架设在500kV网络线路上，配合通信主干网的建设。随着社会经济的迅速发展和城市电网的逐步完善，220kV及以下城市电网的网架结构得到很大的加强，为电力通信的进一步发展提供了丰富的通道资源和优越的条件。OPGW的设计涉及到架空线路和电力通信两个专业，其工作的侧重点不同，考虑问题的角度也不同，目前国家尚未出台相关的OPGW设计规范，当OPGW架设在城市电网线路上时，其设计应用出现出一些新的特点。
 
2　OPGW的选型
 
OPGW一方面作为避雷线防止线路遭受雷击，同时通过复合在地线中的光纤作为传送光信号的介质，传送音频、视频和各种数据控制信号。其选型主要考虑以下几个方面：
（1）根据通信部门的要求，确定光单元的结构。紧套结构和松套结构各有利弊，在实际工程应用中应根据其侧重点不同选择合适的光单元结构。如工程条件恶劣，外荷载大，公路运输条件差等，就应该首先考虑安全问题，侧重于OPGW的抗外力破坏强度；当工程条件良好，线路长度长，就应该尽量采用光衰耗小的结构。
（2）考虑OPGW和原设计避雷线的兼容性。即要求OPGW的外径、重量及最大使用张力等参数与杆塔原设计避雷线相近，使OPGW在大风、覆冰等恶劣气候条件下的荷载与原设计荷载变化不大、尽量减小杆塔结构强度和基础荷载的校核工作量。
（3）OPGW应具有较高的机械强度，使其在允许的张力范围内，光纤不会因OPGW的伸长而受到应力影响，增大光的传输损耗。
（4）提高OPGW的电气性能，增大短路电流的容量。
 
3　OPGW设计中需考虑的一些特殊问题
 
3.1　使用张力的选择
OPGW除了具有光通信的功能外，其实质仍然是架空避雷线。应遵照《110~500千伏架空送电线路设计技术规程》（DL/T5092-1999）中的有关规定：导线和避雷线的设计安全系数不应小于2.5，避雷线的设计安全系数，宜大于导线的设计安全系数。根据有关厂家的技术资料，当OPGW的运行应力达到极限张力的25%时，光纤不会受到外加的横向和纵向压力，工程设计中一般将平均运行应力控制的极限张力的20%以内。
3.2　导地线的配合
在一般档距的档距中央，导线和地线间的距离，应按下式校验（计算条件为：气温+15℃，无风）。
              　S≥0.012L+1
式中　S——导线和地线间的距离，m；
       　　　L——档距，m。
一般情况下，只要档距中央的导地线距离能够满足要求，就应该尽量降低使用应力。
3.3　杆塔和基础的补强计算
随着电力通信网络的发展，OPGW的芯数增多，外径越来越大，使得OPGW的部分机械参数大于原设计普通地线。以16芯OPGW为例，其机械参数如表1所示：
表1　16芯OPGW部分机械参数
■
       在220kV及以下电力线路中，避雷线选用的GJ-35或GJ-50镀锌钢绞线。耐张塔主要承受角荷载，受最大使用张力的限制；直线塔主要承受风荷载，受外径和缆重的限制。由上表可知，OPGW的机械参数可能超过原设计避雷线，使得杆塔荷载超过原设计条件。若降低OPGW的最大使用张力，则在现有塔头结构情况下，导地线配合很难满足要求。只有将导地线松驰施放，这将直接导致导地线弧垂增大，杆塔高度增加，工程造价升高，违背了使用OPGW的本意。根据在220kV及以下电力线路上使用OPGW后出现的新问题，在实际工程应用中宜对相应的杆塔结构进行补强，特别是杆塔头部的构件，使之满足采用OPGW后荷载增加的要求。考虑到补强构件增加的重量有限，在提供荷载要求用于杆塔结构校验时，可适当增加荷载值，即增大OPGW的机械参数值，使之满足电力系统通信未来发展的需要。
3.4　OPGW弧垂的施放
在OPGW电力线路工程中，大多采用一根OPGW和一根分流地线的结构。由于两者的金属材质和机械特性均不尽相同，需特别注意OPGW和分流地线的弧垂施放问题。尽量使两者的弧垂保持一致，不要相差过分悬殊，以免给以后的线路运行带来不便。在工程设计中可根据分流地线的年平均工况下的弧垂，反推确定OPGW的年平均使用应力，然后再计算其它工况下的使用张力和架线弧垂。用这种方法能够保证在年平均工况下，OPGW和分流地线的弧垂保持一致。但若反推得出的年平均运行张力大于20%，则需要重新调整分流地线的使用张力，以满足各种工况的弧垂要求。
OPGW架设后的塑性伸长对弧垂的影响宜采用降温法补偿。由于OPGW目前在国内实际运行的线路公里数有限，投运时间较短，缺乏成熟的设计、运行经验，可根据OPGW的铝钢比，参照数值相近的导地线降温值。当两者的降温补偿值相差较大时，应综合考虑其施工弧垂和最终弧垂的差别，取得一个最佳数值。
3.5　OPGW热稳定的校验
当电力系统中发生单相接地短路故障时，有很大的短路电流将通过架空地线流入接地网，故障电流在短路持续时间内使OPGW升温发热，产生的热量可使OPGW超过允许的温度，从而使光纤受损，其光学特性发生变化。
OPGW温度升高的程度与流经光缆电流的平方及电流流过的时间成正比。即△T∝I2t。由于短路电流持续时间很短，OPGW中的热量来不及向外界扩散，可将OPGW视为与外界绝热的封闭区域内的电热转换问题。OPGW的瞬时允许温度为定值，要想提高OPGW的耐热性能，可以增大OPGW的金属截面，或者对短路电流的大小及持续时间给予限制，确保OPGW的温升小于允许值。
短路电流的持续时间T的长短是导致OPGW温升的主要因素，其数值取决于线路故障时的保护动作时间，根据保护设备的不同，分主保护动作时间和后备保护动作时间。根据现有主保护的情况，主保护动作时间与断路器全开断时间共计0.2s，当主保护停用时，起用后备保护，后备保护动作时间与断路器全开断时间共计0.5s。
单相接地短路电流随着故障点远离变电站而逐渐减小，靠近变电站的几档线短路电流最大，可采取下列方法减少OPGW中短路电流数值：
       （1）变电站进出线段的分流地线选用大截面的良导体地线，如铝包钢线或铝合金线等，降低直流电阻，增大分流比例。
（2）在满足对地要求的情况下，变电站进出线段在导线之下架设一条良导体分流线。
（3）靠近变电站的几基杆塔，采取措施降低其接地电阻，将接地体相互连接起来，使OPGW在进出线段通过的短路电流减少。
 
4　OPGW在城网中的应用前景
 
随着城市电网的发展和网架结构的增强，原先主要架设在500kV线路上的OPGW工程，在220kV及以下的城网线路上的运用逐步增加，在其工程设计方面呈现出一些新的特点值得我们思考，主要包括以下几个方面：
4.1　杆塔形式的选取
根据《110~500千伏架空送电线路设计技术规程》（DL/T　5092—1999）的有关规定，地线选择镀锌钢绞线时与导线的配合不宜小于表2的规定：
表2　关于地线选择镀锌钢绞线的规定
■
由先前叙述可知，当光纤芯数较多时，OPGW和GJ-50镀锌钢绞线的计算拉断力已有较大差距。若原设计地线为GJ-35镀锌钢绞线时，OPGW的计算拉断力将远远超过设计条件，这时会给杆塔强度和基础校验带来很大难度。
根据《35~220千伏送电线路铁塔通用设计型录》中的铁塔单线结构图，35kV及部分110kV铁塔为单根避雷线结构。当线路需要架设OPGW时，无法设置分流地线，这就使得OPGW的热容量大幅度增加，选型非常困难，导体截面、重量和计算拉断力等机械特性数值超过杆塔原设计条件。笔者认为：在新建220kV线路上，配合通信主干网的建设，宜考虑选用相应型号的OPGW；在110kV线路上应选用双地线结构铁塔架设OPGW，并根据光缆参数对杆塔强度进行校验。在35kV线路上，由于短路热容量及杆塔荷载无法满足要求，不宜选用OPGW。
4.2　短路电流的准确选取
短路电流的计算是依据电力系统设计提供的5~10年远景电力系统阻抗图，通过网络简化，计算零序电流，绘制成接地短路电流曲线。现在城市电网的发展日新月异，电网规模日益庞大，电力接线非常复杂。而在实际操作中，城网工程设计大多是由地市级设计单位完成，由于其自身技术力量及资料来源限制，很难建立一个准确的电力系统网络模型。这样就可能使得短路电流值的计算出现较大的误差，给以后的光缆安全运行带来隐患。
4.3　与其它几种光缆形式的比较
为满足网络信息产业高速发展所需通道的要求，利用电力系统丰富的路径资源架设光缆，是一种十分行之有效的发展方向，目前依托电力线路架设光缆的结构类型主要有以下几种：
（1）集光纤和电力地线于一体的光缆复合架空地线（OPGW）；
（2）完全依赖光缆自身的强度将光缆架设在两个铁塔之间的全介质自承式光缆（ADSS）；
（3）缠绕在高压送电线路相线上的缠绕式光缆（GWWOP）；
（4）通过捆扎带将光缆捆扎在地线的捆绑式光缆（GWBOP）。
上述光缆形式各有优缺点，应根据不同的场合和线路情况，选用合适的光缆形式。对于新建或已建的220kV及上的高压送电线路，并作为通信干线走廊的，为保证通信线路与送电线路运行寿命的匹配型和光纤通信的可靠性，从施工和维护等方面考虑，应优先选择OPGW。对于220kV以下的送电线路，应首先考虑在电力线路上架设ADSS光缆的可行性，对包括电力线路已运行时间，杆塔的老化程度，原设计标准等条件进行评估，在不影响电力线路安全运行，不降低可靠性的前提下，方可架设ADSS光缆。缠绕式光缆由于容纳光缆数量的限制和接头数量过多，在国内缺乏必要的运行经验，尚未广泛使用。