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输电线路OPGW光缆兼做地线的热稳定计算
李玉蛟
广东天能电力设计有限公司
【摘 要 】随着电力行业的发展，为满足电力生产调度、电力系统自动化的需求，OPGW光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire）因为其较高的可靠性、优越的机械性能、较低的成本等显著特点，在工程中得以广泛应用。本文结合工程实例，就OPGW光缆兼做地线时的热稳定性计算进行讨论。
【关键词】 OPGW 短路电流 电流分流 阻抗
（正文）
OPGW光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire），又称光纤架空复合地线，目前广泛应用于架空输电线路设计中，在使用OPGW光缆兼做地线时，除了要满足光纤通信条件、线路的机械和电气方面的要求外，为避免电力系统发生单相接地短路时的故障电流通过OPGW而产生过高的温升导致OPGW 的光纤过热损坏，须考虑OPGW 及与之并联的另一侧普通地线的电流分流情况，通过热稳定计算来确定OPGW及另一根地线的型号。下面结合工程实例，对热稳定计算进行详细剖析。
由我院设计的“110千伏茅湾输变电工程”，其接入系统如下：

根据通信专业的的提资要求，需要在220kV榄州站——110kV茅湾站、110kV大洲站——110kV茅湾站各新建一根36芯OPGW通信光缆兼做地线，另外，220kV榄州站——110kV大金线解口段新建一根24芯OPGW通信光缆备用。
原110kV大金线已有一根12芯OPGW通信光缆，因此解口后地线组合情况如下表：
耐张段
地线型式
榄州站——J10
36芯OPGW+24芯OPGW
J10——解口点1
24芯OPGW+普通地线
J10——茅湾站
36芯OPGW+普通地线
茅湾站——解口点2
36芯OPGW+普通地线
解口点2——大洲站
36芯OPGW+12芯OPGW
根据以上地线分布情况，需要分别对每一段地线进行热稳定性校验，为节约篇幅，本文仅对具有典型意义的茅湾站—解口点2段进行计算论述。
1、短路电流持续时间的选取
目前 OPGW 短路电流持续时间的取值主要有两种思路。第一种是按系统单相短路故障后，主保护动作，短路切除，按要求进行重合闸，由于故障未消除，重合闸不成功，主保护再次动作。这样短路电流持续等效时间包括了保护动作时间、通道延时、断路器动作时间、重合闸及保护再次动作时间和短路电流的非周期分量的等值时间，综合取值为0.25~0.5s。第二种是按系统出现短路故障后，主保护不动作，由失灵保护动作，不考虑重合闸与短路电流的非周期分量，综合取值仍然是0.25~0.5s。
以上两种思路第一种考虑了重合闸与短路电流的非周期分量的等值时间，但未考虑主保护不动作这一可能；后一种思路考虑了主保护不动作这一可能，假设了重合闸成功，忽略了短路电流的非周期分量的等值时间。两种思路都未按线路最严重的故障情况对OPGW 短路热稳定能力进行校验，但设计取值基本一致。从实际工程意义上来说，目前国内主要线路均采用微机保护，主保护不动作几率极低，可不予考虑；但自动重合闸和非周期分量均是实际工程中不容忽视的因素。
近期国内线路工程的OPGW设计广泛采用0.25~0.5s 的短路电流持续时间进行计算，运行情况良好。本工程取t=0.5s。
2、地线允许短路电流的计算
根据系统提资，榄州站110kV母线单相短路电流为12.06kA，茅湾站母线单相短路电流为9.46kA，大洲站母线单相短路电流为3.46kA。因此计算茅湾站—解口点2时，选取单相短路电流为9.46kA。
该段光缆及地线选型拟在中国南方电网有限责任公设备及通信设备框架招标中选择OPGW-36B1-79 [77.0;54.0]型36芯OPGW光缆，线路另一侧选取JLB40－80铝包钢绞线，查得OPGW光缆参数其单根短路电流容量为54 kA²s。按短路电流持续时间按0.5S考虑，可计算其允许短路电流为10.39kA（目前OPGW光缆参数均提供短路电流容量，因此仅仅根据短路电流持续时间，通过C=I²t即可求得该光缆允许短路电流，而不在需要通过允许电流计算公式计算）。
JLB40－80铝包钢绞线的短路电流按短路热稳定允许电流计算公式1-1计算：
式11：

式中：
I— 地线验算短路热稳定允许电流，A；
C— 载流部分热容量，cal／℃／m；C=S×D×A
— 载流部20℃时的电阻温度系数，1/℃；
— 载流部20℃时的电阻， /m；
T— 计算短路热稳定的时间，s；
— 地线初始温度，℃；一般取40℃。
— 地线短路热稳定允许温度，℃，对钢绞线为400℃,铝包钢绞线为300℃, 钢芯铝绞线为200℃；
S—比热 ，卡/（℃ kg）
D-密度，kg/m³
A-导体截面，m²
有关材料的物理参数如下：

铝
钢
铝合金
铝包钢
比热 卡/（℃ kg）
222
116.5
222

密度kg/m³
2703
7800
2700

电阻率 欧姆
28.264*10-9
192*10-9
32.8*10-9
查YB/T 124 1997
电阻温度系数（20℃） 1/℃

查YB/T 124 1997

注：由于多种金属紧密接触类绞线各种金属充分接触，因此可以假设短路时所有材料的温升相等，适宜用等温法计算。考虑铝与钢温度相等，将铝包钢当成一种材料，该种材料的电阻、电阻温度系数在YB/T 124-1997标准中查询，热容量分别计算铝和钢的热容量后相加。
由上式计算得JLB40－80允许短路电流为12.08A。
以上计算公式较为复杂，工程实际运用中，OPGW对侧分流地线还有两种形式较为普遍，即钢绞线及钢芯铝绞线，下面为大家提供DL／T621《交流电气装置的接地》和《导体和电器选择设计技术规定》（DL-T 5222-2005）的计算公式：

A—金属材料的截面积, mm2；
△t—短路电流持续时间,秒；
C1—常数,对钢C1=70，对铝C1=120（DL／T621取值），C1=99（SDGJ14-1986取值）
说明：DL／T621中对上式的使用条件是短路起始温度是40℃, 钢的最高允许温度400℃,铝的最高允许温度300℃。在GB 50545-2010确定的钢绞线地线的最高允许温度400℃，与上述条件相同,故上式可用于计算钢绞线地线的最高允许电流。而GB 50545-2010确定的铝绞线、钢芯铝绞线导地线的最高允许温度是200℃，故DL／T621取值不能用来计算钢芯铝绞线地线的允许短路电流。而在《导体和电器选择设计技术规定》（DL/T 5222-2005）中，其中常数对铝C1取值为99，使用条件是短路起始温度是40℃,铝的最高允许温度200℃,与GB 50545-2010确定的钢芯铝绞线导地线的最高允许温度200℃相同,故可以用该表达式计算钢芯铝绞线的允许短路电流(略去钢芯不计)。
3、地线电流的分配比例
地线电流分配比例可近似按下式计算：

式中Id 1 、I d 2 ——分别为两根地线中流过的电流，kA；
Z d1、Z d 2 ——分别为两根地线的自阻抗，Ω/ km；
Zk—两根平行地线间的互阻抗，Ω/ km。
互感阻抗：
Zmn=0.05+j0.01451lg（D0/dmn）
自阻抗：
Znm=（R+0.05+j0.145lg（D0/re）
上两式中:
D0—地中电流的等价深度，初步计算中可概略的取D0=1000m。
dmn=线间距离，m；
R—导（或地线）的电阻，Ω/ km；
re—导线的有效半径，m；取值见下表：
R—导线半径，m。
导线种类
re取值
有色金属绞线

7股
0.726R
19股
0.758R
37股
0.768R
61股
0.772R
91股
0.774R
钢芯铝线
0.81R
空芯有色金属绞线及忽略钢芯影响的钢芯铝线

两层26股
0.809R
两层30股
0.826R
三层54股
0.81R
单层钢芯铝线
0.35R~0.70R
本工程虑到因受杆塔接地电阻的影响而有所降低，取折减系数为0.15，则有：
Id 1（光纤）+I d 2（铝包钢）=0.85I=0.85×9.46=8.041kA
Id 1（光纤 ）/I d 2（铝包钢）=（0.944-0.326）/（1.120-0.326）=0.7783/1
求得：Id1 =3.520kA＜10.39kA， Id2=4.521kA＜12.0kA。
根据以上计算结果可知，该段光缆的选取满足热稳定性要求。
结论：通过以上过程实例可以看出，OPGW光缆的热稳定计算较为复杂，设计计算过程中要明确计算思路，合理的选取计算参数，基本思路如下：
1）选取合理的短路电流时间，目前偏保守可选取0.5s；
2）计算每根地线的允许短路电流；
3）计算地线的电流分配比例；
4）按电流分配比例确定母线单相短路后需要流经不同地线的短路电流；
5）比较单相短路后流经每根地线的短路电流与允许短路电流的大小；
6）确定选型是否合理。
参考文献
[1] 《110～750kV架空输电线路设计规程》（GB 505452010）
[2] 孟遂民 孔伟《架空输电线路设计》（“十一五”规划教材）
[3] 《光纤复合架空地线》（DL/T 832-2003）
[4] 《铝包钢绞线》（YB/T 124 1997）
[5] 《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）
[6]《导体和电器选择设计技术规定》（DL/T 5222-2005）
[7] 张殿生《电力工程高压送电线路设计手册》（第二版）
[8] 《架空地线复合光缆（OPGW）（南方电网设备标准技术标书）》
[9] 詹宗东《地线发热允许短路电流计算》 2003

作者简介：
李玉蛟，本科，2010年毕业于东北电力大学，目前主要从事输电线路的设计工作。
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