OPPC架空试验线路抗短路能力验证

李杰，梁炯光，程启诚，林杨，陈景鹏

（1. 广东电网有限责任公司，广东 广州 510600；2. 江门供电局，广东 江门 529100）

OPPC（optical phase conductor）是将光纤单元复合在相线中的电力特种光缆，具有电力线路相线和光纤通信的双重功能。OPPC与电力线路相线融为一体，充分利用了电力系统的线路资源，具有传输信号损耗小，通信质量高等优点，避免了OPGW因雷击引发的断股断芯的严重缺陷的同时，也避免了ADSS因场强的作用而导致光缆电腐蚀或引发烧毁断缆事故。在一些特殊的地区（如重覆冰地带），比OPGW具有较大的优势。因此，在电力系统中OPPC通信技术逐步受到重视[1]。

2009年，某电网公司开发了10 kV配电线路OPPC新技术。2010年10月8日，第一条采用OPPC的10 kV配电线建成投入运行。该试验线路采用中国国家专利光单元分离套管（专利号No.201010280663.4），以分离相导线的光单元作为EPON（ethernet passive optical network，无源以太光网络）运行数据采集系统的通信通道，该OPPC光纤通信在某供电局至今运行正常[2]。

基于OPPC技术在10 kV配线上的试运行成功，该电网公司继续开发OPPC在110 kV输电线路上的应用技术。为了方便光单元直接引下，提出绝缘光单元OPPC的大胆设想，用PBT聚合材料代替传统的不锈钢光纤松套管，试制出一种绝缘光单元的OPPC架空导线。本文通过一条实际绝缘光单元OPPC架空试验线路抗短路能力验证，为110 kV OPPC架空试验线路实施可行性提供理论依据。

1 试验线路长度和阻抗

110 kV OPPC试验线路为某供电局110 kV开岗线24号塔～37号塔线路段，长1.722 km。

该供电局电力调度控制中心提供该线路的最大运行方式的正序阻抗值的长度、阻抗状态，见图1。

图1 试验线路长度及阻抗参数Fig.1 Length and impedance parameters of the test circuit

2 试验线路抗短路事故能力判别

本试验线路其中一相采用OPPC导线，绝缘光单元PBT护套温度耐受能力为150 ℃。

对于110 kV架空送电线路，启动“远后备保护”切除故障时间一般为4 s。也就是说，保障试验线路安全运行的条件，是在最严重的短路状态下，从短路发生时刻开始，至导线升温至150 ℃的时间不小于4 s。

输电线路最严重的短路状态：在系统最大运行方式下，三相金属性短路。这就需要计算这种短路状态下，试验线路导线升温至150 ℃的时间。

3 试验线路最大运行方式下三相金属性短路电流计算

三相金属性短路电流：

试验线路首端24号塔至220 kV开平站的正序阻抗[3]：

在24号塔处线路发生三相金属性短路的短路电流：

试验线路首端37号塔至220 kV开平站的正序阻抗：

在37号塔处线路发生3相金属性短路的短路电流：

4 试验线路发生最严重短路事故（导线温升至150 ℃）的历时计算

4.1 载流导线温升时间计算原理

载流导线热平衡的计算，每米载电流I的架空导线的热平衡是[4-5]：欧姆发热功率I2R+吸收太阳辐射功率WS=辐射散热功率WR+对流散热功率WF，即

其中，

式中，D为导线外径；θ为导线温度；R20为导线在20 ℃时的电阻，Ω/m；ρ为导线电阻温度系数；αS为导线表面吸热系数；JS为地球表面日照强度，1 000 W/m2；α为日光对地平夹角；E1为导线表面辐射系数；S1为斯特凡-波尔兹曼常数=5.67×10-8（W/m2）；λf为导线表面空气传热系数，W/（mk）-1；Re为雷诺数，Re=VD/γ，V为风速，m/s、γ为空气的运动粘度，m2/s。

4.2 导线温升及温升到某特定温度的历时计算原理

事实上，在导线未达到终极温度θm之前，导线发热功率是大于散热功率的[6-7]，即：

发热和散热功率之差额

就是继续升温的功率。Δp也即每米导线在Δt时间内获得的热量ΔE，等于温度上升Δθ所需的热量。钢芯铝绞线铝股每米质量为mAl，kg/m；铝的比热为C1，W/（kg·K）；钢股每米质量为mst，kg/m；钢的比热为C2，W/（kg·K）。则有：代入式（1）在

当Δt→0时，就变为一条关于温升时间和导线温度的微分方程：

将式（4）对某温度θT积分

就得到载流导线从某个初始温度θa到某个特定温度θT的温升历时TθT。

4.3 温升历时软件的制作

式（5）包含了超越函数，用手算是无法得到答案的[10]。为了解决本项目对试验线路选择的需要，利用2007年省公司电科院和华工大合作完成《架空线路应力弧垂及载流增容》计算软件部分功能，开发了一个温升历时专用计算软件。原理是将式（5）变成一个“累加公式”。即：

4.4 计算条件

表1所列的是试验线路最严酷的运行状态：夏至，中午，晴天无云，无风。因为即使大气中风速为0，载流运行导线的达到高温（50～60 ℃），导线表面空气垂直对流。所以规程规定计算导线温度最小风速为0.5 m/s。

表1 试验线路计算条件Tab. 1 Calculation conditions of the test line

4.5 计算结果

利用4.3节温升历时专用计算软件进行计算，试验线路发生三相金属性短路（Ik=7 248 A），导线温升至150 ℃历时为12 s。已经远大于110 kV输电线路远后备保护跳闸时间4 s，表明在最严重的短路事故后，试验线路光单元仍然安全。

对整条开岗线进行计算，开岗线在220 kV开平变电站的最大短路电流为11 117.1 A。按上述方式计算，导线温升至150 ℃的历时为5 s，这说明绝缘光单元OPPC导线用于整条开岗线仍然安全。

5 结论

作为110 kV开岗线一部分的本项目“试验线路”，抗短路的安全裕度较大，证明试验项目是完全可行的。

通过对整条开岗线温升至150 ℃的历时计算，在整条110 kV开岗线上应用OPPC通信技术也具有可行性。就广东电网的110 kV架空送电线路而言，短路电流在10 000 A左右的不少。可见，绝缘光单元OPPC导线，一部分还是能用于广东电网110 kV架空送电线路的。

2014年11月14日该试验线路正式投入运行，原来由ADSS承担的电力通信业务，全部转移到OPPC的绝缘光单元上，运行效果良好。绝缘光单元OPPC 110 kV架空送电线路试验成功，表明了这种新型OPPC综合技术在110 kV电网中有着广阔的应用前景。

[1] 李建惠. 光纤复合相线光缆OPPC的技术特点及应用[J].贵州电力技术，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] 林杨，程启诚，赵建青. 配电通信系统中电力特种光缆的应用研究[J]. 电力系统通信，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] 张殿生. 电力工程高压送电线路设计手册[M]. 2版. 北京:中国电力出版社，2002.

[4] 林玉章. 高压架空输电线路载流量和温度计算[J]. 南方电网技术，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] 张辉，韩学山，王艳玲. 架空输电线路运行载流量分析[J]. 电网技术，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] 韩芳，徐青松，侯炜，等. 架空导线动态载流量的计算方法的应用[J]. 电力建设，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短路电流温升计算原理及应用程序[J]. 电力系统通信，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）.