220 kV同塔雙回線(xiàn)路光纜與地線(xiàn)配置方案比較

于 昉，叢 琳

（山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)光纖化趨勢(shì)進(jìn)程的加速，山東電力專(zhuān)用網(wǎng)在很多地區(qū)已經(jīng)基本完成了從主干線(xiàn)到接入網(wǎng)向光纖過(guò)渡的過(guò)程，光纜已在220 kV線(xiàn)路上得到廣泛應(yīng)用。新建220 kV架空線(xiàn)路，一般采用OPGW光纜。

目前，220 kV同塔雙回架空線(xiàn)路地線(xiàn)配置為：1條OPGW光纜+1條地線(xiàn)、2條均為OPGW光纜。通過(guò)針對(duì)同一假設(shè)線(xiàn)路地線(xiàn)配置的設(shè)計(jì)，對(duì)兩種地線(xiàn)配置方案概述。

1 地線(xiàn)類(lèi)型

架空地線(xiàn)又稱(chēng)避雷線(xiàn)，一般多采用鍍鋅鋼絞線(xiàn)。近年來(lái)，在220 kV及以上送電線(xiàn)路中也有采用良導(dǎo)體或復(fù)合光纜作避雷線(xiàn)的。

架空地線(xiàn)復(fù)合光纜 （OPGW，Optical Ground Wire）是在電力傳輸線(xiàn)路的地線(xiàn)中含有供通信用的光纖單元，是集通信和接地功能于一體的結(jié)構(gòu)。它具有兩種功能：一是作為輸電線(xiàn)路的防雷線(xiàn)，對(duì)輸電導(dǎo)線(xiàn)抗雷、閃電提供屏蔽保護(hù)；二是通過(guò)復(fù)合在地線(xiàn)中的光纖來(lái)傳輸信息。

鋁包鋼絞線(xiàn)（良導(dǎo)體）由鋁包鋼單線(xiàn)組成，具有強(qiáng)度大、耐腐蝕性好、導(dǎo)電率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高壓架空電力線(xiàn)路的地線(xiàn)、千米級(jí)大跨越的輸電線(xiàn)等。JLB40鋁包鋼絞線(xiàn)是目前省內(nèi)常用的地線(xiàn)分流線(xiàn)。

鋼絞線(xiàn)是由多根鋼絲絞合構(gòu)成的鋼鐵制品，其電阻率相對(duì)于OPGW光纜和良導(dǎo)體而言較大。鍍鋅鋼絞線(xiàn)（普通地線(xiàn)）作為架空輸電的地線(xiàn)，省內(nèi)常用的型號(hào)為GJ-80。

2 方案概述

由于山東電網(wǎng)架構(gòu)已基本完成，現(xiàn)處于逐步完善階段，220 kV變電站間距離相對(duì)較近，開(kāi)斷線(xiàn)路也較多。因此目前省內(nèi)新建220 kV線(xiàn)路一般長(zhǎng)度均在50 km范圍內(nèi)。

對(duì)于地線(xiàn)的選擇，需要考慮其熱容量Q能否滿(mǎn)足線(xiàn)路安全運(yùn)行的要求。熱穩(wěn)定計(jì)算公式

式中：I為單相短路電流，kA；t為短路故障切除時(shí)間，s。

山東省內(nèi)220 kV站根據(jù)其所處電網(wǎng)位置的不同，其短路電流一般在30～50 kA左右。因此，假設(shè)線(xiàn)路長(zhǎng)度為50 km，線(xiàn)路的兩端站短路電流均為50 kA，則線(xiàn)路短路電流分布如圖1所示。

圖1 A站—B站線(xiàn)單相接地短路電流曲線(xiàn)

由此可見(jiàn)，送電線(xiàn)路在不同地點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，短路電流分布是不均勻的，越靠近變電站其短路電流越大，隨著遠(yuǎn)離變電站距離的增加，短路電流逐漸衰減，線(xiàn)路中間最小。

假設(shè)A站—B站間線(xiàn)路長(zhǎng)為50 km，每基塔間距離按0.3 km考慮，共168基塔。OPGW光纜芯數(shù)均假設(shè)為24芯，短路電流取值按圖1計(jì)算，以此假設(shè)條件將地線(xiàn)配置方案進(jìn)行描述。

2.1 方案一

本方案兩根地線(xiàn)均采用24芯OPGW光纜，則當(dāng)線(xiàn)路上不同地點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)兩根地線(xiàn)的短路電流是相同的。由圖1可知，其熱穩(wěn)定計(jì)算如表1所示。

表1 兩根地線(xiàn)均采用光纜時(shí)的熱穩(wěn)定計(jì)算

當(dāng)A（或B）站終端塔發(fā)生短路時(shí)（短路點(diǎn)1、5），通過(guò)光纜的短路電流達(dá)到最大值，均分在兩根光纜上，即通過(guò)每根OPGW光纜的最大短路電流可達(dá)到25 kA。根據(jù)公式 （1）（短路故障切除時(shí)間t按0.3 s考慮），每根OPGW光纜熱容量要求不小于187.5 kA2·S。

圖2 方案一地線(xiàn)配置示意圖

當(dāng)距離A（或B）站25 km處發(fā)生短路時(shí)（短路點(diǎn)3），通過(guò)光纜的短路電流達(dá)到最小值，均分在兩根光纜上，即通過(guò)每根OPGW光纜的短路電流為8.5 kA。根據(jù)公式(1)（短路故障切除時(shí)間t按0.3 s考慮），每根OPGW光纜熱容量要求不小于21.7 kA2·S。

當(dāng)距離A（或B）站2 km處發(fā)生短路時(shí)（短路點(diǎn)2、4），通過(guò)每根OPGW光纜的短路電流可達(dá)到19 kA。根據(jù)公式1（短路故障切除時(shí)間t按0.3 s考慮），每根OPGW光纜熱容量要求不小于108.3 kA2·S。

根據(jù)上述計(jì)算，自A站起，0～2 km及48～50 km段的光纜熱容量在108.3～187.5 kA2·S范圍內(nèi)，需選用OPGW-150光纜；2～48 km段的光纜熱容量在 21.7～108.3 kA2·S 范圍內(nèi)，需選用 OPGW-120 光纜，即滿(mǎn)足線(xiàn)路安全運(yùn)行要求。其地線(xiàn)配置如圖2所示。

2.2 方案二

本方案的兩根地線(xiàn)，一根采用24芯OPGW光纜，另一根采用鋁包鋼絞線(xiàn)（良導(dǎo)體）。由于良導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與OPGW光纜基本相同，因此其熱容量計(jì)算同方案一。

自A站起，0～2 km及48～50 km段的光纜熱容量在108.3～187.5kA2·S范圍內(nèi)，需一根地線(xiàn)選用OPGW-150 光纜、另一根選用 JLB40-150；2～48 km段的光纜熱容量在21.7～108.3 kA2·S范圍內(nèi)，需一根地線(xiàn)選用OPGW-120光纜、另一根選用JLB40-120，即滿(mǎn)足線(xiàn)路安全運(yùn)行要求。其地線(xiàn)配置如圖3所示。

2.3 方案三

本方案的兩根地線(xiàn)，一根采用24芯OPGW光纜，另一根采用鍍鋅鋼絞線(xiàn)（普通地線(xiàn)）。由于普通地線(xiàn)的電阻率相對(duì)較大，因此在與OPGW光纜同時(shí)作為地線(xiàn)時(shí)，短路情況下光纜需承載所有通過(guò)線(xiàn)路的短路電流，其熱穩(wěn)定計(jì)算如表2所示。

表2 一根地線(xiàn)采用光纜，另一根采用普通地線(xiàn)時(shí)的熱容量計(jì)算

當(dāng)A（或B）站終端塔發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)光纜的短路電流達(dá)到最大值50 kA。若僅用一根光纜，則其熱容量要求不小于750 kA2·S，無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此另一根地線(xiàn)必須采用分流線(xiàn)（即良導(dǎo)體）。計(jì)算得每根地線(xiàn)的熱容量要求不小于187.5 kA2·S。

當(dāng)距離A（或B）站25 km處發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)光纜的短路電流達(dá)到最小值17 kA，根據(jù)公式1（短路故障切除時(shí)間t按0.3 s考慮），OPGW光纜熱容量要求不小于 86.7 kA2·S。

當(dāng)距離A（或B）站8 km處發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)OPGW光纜的短路電流可達(dá)到24 kA。根據(jù)公式1（短路故障切除時(shí)間t按0.3 s考慮），OPGW光纜熱容量要求不小于172.8 kA2·S。

圖3 方案二地線(xiàn)配置示意圖

圖4 方案三地線(xiàn)配置示意圖

當(dāng)距離A（或B）站15 km處發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)OPGW光纜的短路電流可達(dá)到18.8 kA。根據(jù)公式2-1（短路故障切除時(shí)間t按0.3 s考慮），OPGW光纜熱容量要求不小于106.1 kA2·S。

根據(jù)上述計(jì)算，自A站起，0～8 km及42～50 km段的光纜熱容量在172.8～187.5 kA2·S范圍內(nèi)，需一根地線(xiàn)選用OPGW-150光纜、另一根選用JLB40-150；8～15 km 及 35～42 km 段的光纜熱容量在106.1～172.8 kA2·S范圍內(nèi)，需一根地線(xiàn)選用OPGW-150 光纜、另一根選用 GJ-80；15～35 km 段的光纜熱容量在86.7～106.1 kA2·S范圍內(nèi)，需一根地線(xiàn)選用OPGW-120光纜、另一根選用GJ-80，即滿(mǎn)足線(xiàn)路安全運(yùn)行要求。其地線(xiàn)配置如圖4所示。

3 投資估算

3.1 方案一

本方案兩根地線(xiàn)均采用OPGW光纜，總長(zhǎng)2×50 km，其中 OPGW-150光纜長(zhǎng) 2×4 km、OPGW-120光纜長(zhǎng) 2×46 km。按照 4 km/盤(pán)計(jì)算，OPGW-150光纜共分4盤(pán)、OPGW-120光纜共分24盤(pán)。

方案一的投資估算約374萬(wàn)元，其具體設(shè)備材料見(jiàn)表3和表4。

表3 方案一光纜材料表

表4 方案一的投資估算總表

3.2 方案二

本方案的兩根地線(xiàn)，一根采用OPGW光纜，另一根采用鋁包鋼絞線(xiàn)。光纜總長(zhǎng)50 km，其中OPGW-150光纜長(zhǎng)4km、OPGW-120光纜長(zhǎng)46 km。按照4 km/盤(pán)計(jì)算，OPGW-150光纜共分2盤(pán)、OPGW-120光纜共分12盤(pán)。鋁包鋼絞線(xiàn)總長(zhǎng)50 km，其中JLB40-150長(zhǎng)4 km、JLB40-120長(zhǎng)46 km。

方案二的投資估算約303萬(wàn)元，其具體設(shè)備材料見(jiàn)表5和表6。

表5 方案二光纜材料表

表6 方案二的投資估算總表

3.3 方案三

本方案的兩根地線(xiàn)，一根采用OPGW光纜，另一根采用鋁包鋼絞線(xiàn)和普通地線(xiàn)。光纜總長(zhǎng)50 km，其中OPGW-150光纜長(zhǎng)30 km、OPGW-120光纜長(zhǎng)20 km。按照4 km/盤(pán)計(jì)算，OPGW-150光纜共分8盤(pán)、OPGW-120光纜共分5盤(pán)。鋁包鋼絞線(xiàn)總長(zhǎng)16 km，全為JLB40-150，普通地線(xiàn)總長(zhǎng)34 km，全為GJ-80。

方案三的投資估算約279萬(wàn)元，其具體設(shè)備材料見(jiàn)表7和表8。

表7 方案三光纜材料表

4 結(jié)論

根據(jù)上述針對(duì)同一假設(shè)線(xiàn)路不同地線(xiàn)配置方案的對(duì)比，在費(fèi)用投資上，方案一架設(shè)兩根光纜的投資最高，為374萬(wàn)元；方案三架設(shè)一根光纜、一根普通地線(xiàn)的投資最低，為279萬(wàn)元。

由于近幾年山東電網(wǎng)開(kāi)斷線(xiàn)路較多，新建變電站的位置基本在原線(xiàn)路附近，新建線(xiàn)路較短。但由于系統(tǒng)容量和運(yùn)行方式的改變，引起短路電流變化，需要綜合考慮原OPGW光纜的熱穩(wěn)定，若采用方案三，則造成原線(xiàn)路普通地線(xiàn)全線(xiàn)更換為良導(dǎo)體或OPGW光纜的情況非常普遍。

表8 方案三的投資估算總表

此外，當(dāng)同塔雙回線(xiàn)路開(kāi)斷其中一回時(shí)，若僅有一條OPGW光纜，為保證保護(hù)通道滿(mǎn)足一條直達(dá)光纜路由和一條迂回光纜路由的要求，也會(huì)出現(xiàn)將另一根地線(xiàn)更換為OPGW光纜的情況。

綜上所述，雖然方案一在初期的投資費(fèi)用較高，但結(jié)合電力系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃來(lái)看，其在材料的綜合利用、施工人力資源的節(jié)約方面較其他兩個(gè)方案更為優(yōu)越。因此，建議處于業(yè)務(wù)需求較大地區(qū)的同塔雙回線(xiàn)路采用架設(shè)兩根光纜作為地線(xiàn)。