OPPC光缆与老线路导线两个重要参数的比较

陈 萌，孙海蓬，张慧芳

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

随着电力系统的不断的发展，电力通信网已显然成为电力系统安全稳定运行的重要基础。当前电力系统通信主要以无金属自承式光缆（ADSS）、光纤复合架空地线光缆（OPGW）为主；输配电线路未设计地线或不满足特种光缆ADSS 和OPGW 架设条件时，采用光纤复合架空相线OPPC 技术，仅通过更换一相导线为OPPC 光缆不需要新架设通信线路即可解决电网调度、保护等问题，达到传输电能与光纤通信的完美融合。同时可以充分利用老线路走廊、杆塔，并没有给老线路额外附加负荷而带来的隐患，在一定程度上可以解决目前电力特种光缆遭遇电腐蚀、遭雷击、被偷盗等诸多问题，已成为电力系统通信的有益补充[1]。目前OPPC 线路虽总体用量不是很大，但分布较广，已运用于广东、山东、贵州等省份。

老线路应用OPPC 光缆时，首先确定老线路杆塔的使用条件，满足使用条件后选择的OPPC 光缆应与老线路导线电气性能和机械性能相匹配[2]，即与原导线的允许载流量和弧垂值一致。

本文通过计算OPPC 光缆的载流量、弧垂值与老线路导线相比较，分析OPPC 更换原线路导线的合理性。

1 OPPC光缆的定义

OPPC 光缆是将传统导线中的一根或多根钢丝替换为不锈钢管光纤单元，使不锈钢管与（铝包）钢线、铝（合金）线共同绞制而成；它是一种具有电力架空相线和通信光缆双重功能的光纤复合架空相线。

普通相线与OPPC 光缆结构如图1所示。

2 载流量的计算方法

光纤复合架空相线OPPC 承担着电能传输的基本功能，允许的载流量不应小于老线路导线，导线允许载流量计算可选用《电机工程手册》所列公式，在文献［1］条文说明中也列出此项公式：

式中：I 为允许载流量（A）；WR为单位长度导线的辐射散热功率（W／m）；WF为单位长度导线的对流散热功率 （W／m）；WS为单位长度导线的日照吸收功率（W／m）；R′t为允许温度时导线的交流电阻（Ω／m）。

辐射散热功率WR的计算式：

式中：D 为导线外径（m）；E1为导线表面的辐射散热系数，光亮的新线为0.23～0.43，旧线或涂黑色防腐剂的线为0.90～0.95；S1为斯特凡-包尔茨曼常数，为5.67×10-8（W／m2）；θ 为导线表面的平均温升（℃）；θa为环境温度（℃）。

对流散热功率WF的计算式：

式中：λf为导线表面空气层的传热系数（W／m·℃）；Re 为雷诺数。

式中：V 为垂直于导线的风速（m／s）；v 为导线表面空气层的运动粘度（m2／s）。

日照吸收热功率WS的计算式：

式中：αs为导线表面的吸热系数，光亮的新线为0.35～0.46，旧线或涂黑色防腐剂的线为0.90～0.95；Js为日光对导线的日照强度（W／m2）；当天晴、日光直射导线时，可采用1 000 W／m2。

交流电阻的计算见下式:

式中：ΔR1为集肤效应和邻近效应引起的电阻增量；ΔR2为涡流和磁滞引起的电阻增量。两者计算十分复杂，根据《架空导线电流-温度计算的IEEE 标准》3.4.7 条，对单层结构的钢芯铝绞线（如6／1、7／1 结构等），交直流电阻比设为1.20；三层结构的钢芯铝绞线 （如45／7、54／7 结构等），交直流电阻比设为1.03； 对于二层或四层结构，交直流电阻比设为1.005。由同温度时的直流电阻乘以交直流电阻比，便可得到该温度下的交流电阻值[3]。

式中：R20为导线在20 ℃时的直流电阻，α20为导线金属线在20 ℃时的电阻温度系数（1／℃），Rt为工作温度下的直流电阻。

规范提出钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度为70 ℃，钢芯铝包钢绞线可采用80 ℃。根据国内的相关实验数据，钢芯铝绞线在80 ℃和90 ℃高温时，也能满足工程的要求。

3 弧垂值的计算

OPPC 光缆更换原线路导线应满足交叉跨越及对地安全距离要求，同时与另外两相导线弧垂差值不宜过大。根据东北电力设计院编写《电力工程高压送电线路设计手册》电线应力弧垂计算，相邻的两基杆塔之间档内任意一点的弧垂，可通过以下公式得出[4]：

式中：fx为档内点处的弧垂（m）；g 为导线比载（N／m·mm2）；σ0为导线最低点的水平应力（N／mm2）；lA为档内点与导线悬挂点A 的水平距离（m）；lB为档内点与导线悬挂点B 的水平距离（m）；β 为悬挂点不等高时的高差角h 为两侧悬挂点的高差（m）。

4 算例

以某地区110 kV 单回路为例，老线路导线为LGJ-300／40 钢芯铝绞线，国内某厂家生产的OPPC-300／40 光缆，技术参数见表1。

由表1 可知，OPPC-300／40 与LGJ-300／40 导线各参数差异较小，OPPC-300／40 水平荷载比LGJ-300／40 导线略大1.1%，垂直荷载小于LGJ-300／40。经验算，OPPC-300／40 各项荷载满足杆塔使用条件。

表1 导线参数对比表

老线路LGJ-300／40 导线设计安全系数2.5，最大使用应力103.38 N／mm2，平均运行应力64.61 N／mm2，OPPC-300／40 拟更换老线路边相导线。根据原线路杆塔使用条件，OPPC-300／40 安全系数取2.54，最大使用应力为103.35 N／mm2，平均运行应力为65.63 N／mm2。

在环境温度取40 ℃、风速0.5 m／s、辐射系数0.9、吸收系数0.9、日照强度0.1 W／cm2的条件下，根据公式（1）-（8）分别计算两种导线70 ℃、80 ℃、90 ℃工作温度下的载流量，计算结果见表2。

表2 允许载流量对比表

由表2 可知，OPPC-300／40 在70℃、80℃、90℃工作温度下的载流量分别略大于LGJ-300／40 导线在该工作温度下的载流量。经查询国家标准与厂家提供的资料，计算值与参考值基本一致。

两侧悬挂点的高差为0，根据公式（9）分别计算档距中央各规律档下的弧垂值，计算结果见表3。

由表3 计算结果可以得出，在架设温度-40 ℃，规律档距200 m 时，两种导线弧垂差值最小，LGJ-300／40 较OPPC-300／40 弧垂大0.03 m，在架设温度-40 ℃，规律档距400 m 时，弧垂差值最大，LGJ-300／40 较OPPC-300／40 弧垂大0.12 m。

表3 弧垂对比表

5 结论

拟选用的OPPC 光缆较老线路导线载流量大，满足极限条件下系统输送容量的要求； 弧垂值较老线路导线小，即满足老线路交叉跨越的距离要求，又不至于与另外两相导线弧垂差异过大。

通过载流量、弧垂值两个电气性能和机械性能的计算分析对比，在实际工程中可以判断光纤复合架空相线更换老线路导线的合理性，上述计算方法同样可应用于配电线路中。此外光纤复合架空相线承担光纤通信的功能，还需满足光学性能。