交流融冰（精选4篇）
交流融冰 篇1
2008年初, 江西受北方南下强冷空气和西南暖湿气流共同作用的影响, 北部出现大面积持续低温、降雪和冻雨等恶劣天气, 影响范围覆盖江西、湖南、贵州等地, 当地的输变电设施特别是架空送电线路因覆冰过重受损严重, 造成数条线路断线、杆塔倒塌等事故, 导致停电。此次灾害过程中导线覆冰厚度普遍超过30mm, 一些地区甚至达到50mm以上, 其灾害水平至少达到50年一遇, 大大超过了设计标准, 在紧急情况下巡线员只能为很少的一部分覆冰线路除冰。因此, 为减少损失有必要采用更有效的措施和装置, 融冰技术则是防止及减轻冰灾、确保线路安全运行的重要手段。
1 交流短路电流融冰技术方案
通过合理的安排交流三相短路方式, 将融冰线路的一端三相短路, 而在另一端提供融冰电源, 以较大短路电流来加热导线, 使依附在导线上的冰融化。在实际融冰工作中采用以下2种方案。
(1) 将线路短路, 用发电机带融冰线路零起升流。具体接线如图1所示。
一般情况下, 上述方法只适用于融冰电流较小的输电线路, 且要求发电机容量较大。
交流短路融冰方案的选择需要结合系统条件来综合考虑:
采用第一种方案, 可以选择由发电机采用变压器带线路零起升流, 或者由发电机直接带线路零起升流。前者因为折算到发电机侧的电流较大, 需要的发电机容量大, 很难操作;后者的短路电流较小, 可能低于融冰电流。因此第一种方案只适合于融冰电流较小的输电线路, 500kV线路和离电源较远的输电线路则不适合。
(2) 先将融冰线路短路, 控制断路器对三相短路线路进行全电压冲击合闸。具体接线如图2所示。
第二种方案需要根据融冰电流及短路电流大小来选取合适的回路短路阻抗, 由于此方法的使用对系统冲击较大, 在无功备用不足的情况下, 可能引起系统电压问题, 因此维持正常运行电压水平是重要环节。
采用第二种方案, 需要同时满足2个条件:系统所能提供的短路电流大小 (大于融冰电流) , 与电网电压及稳定维持能力 (无功储备的大小) 。通常采用低一级的电压对高一级的线路实施短路融冰。其中可行的交流短路融冰方案为单分裂导线的220kV线路采用110kV作为短路电源方案, 以及110kV线路采用35kV作为短路电源方案。而对于500kV以及采用大截面分裂导线的220kV输电线路, 需要融冰电流很大, 同时需要系统提供大量无功, 因此存在系统无法提供融冰所需的无功功率问题, 均不适用该方法。
采用交流短路融冰方案的设计原则:需要考虑的内容包括可行的电气路径、电网电压及稳定维持能力 (无功储备) 、电源/变压器容量等;要选择合适的电气距离和提高足够的无功补偿, 使得系统电源在可以承受的范围内;防止融冰电源处的主变穿越功率过载;尽量不改变或者少改变电网的正常运行方式, 减少运行维护人员对开关、刀闸等元件的操作次数;融冰短路电源点尽量选择在主变容量较大、低压侧有无功电容器、附近有较多无功电源、负荷比较容易转移到其他地方、110kV侧和220kV侧均有旁路母线的变电站较为合适。
2 实例分析
220kV侯寨—沙塘线路融冰方案如图3所示。
(1) 融冰方案。系统通过侯寨变的110kV母线对覆冰线路充电, 融冰短路点设在220kV侯寨—沙塘线侧, 融冰路径为:侯寨变—沙塘变。
(2) 系统基本参数和计算条件。融冰路径上的线路基本参数为:侯寨变电站有2台主变, 其容量为90MVA+120MVA, 220kV和110kV侧进出线采用双母带旁路主接线方式。2台主变并联运行, 融冰前转走该变电站110k V侧的全部负荷。
(3) 计算结论。在侯寨变10kV侧投入无功功率补偿装置18Mvar, 融冰短路电流为950A, 2台主变穿越功率大约为35+j175MVA, 融冰期间耗电大约为3.5×104k Wh, 电费17500元。
(4) 需要说明的是, 融冰短路点在侯沙Ⅰ线靠近沙塘线侧;融冰前转移侯寨变110kV侧负荷;融冰线路上的保护需采用临时定值。
3 结束语
这次冰灾给供电企业的启示除了要完善设计标准, 提高输电线路设计气象条件重现期之外, 更重要的是要坚持以科技手段推进电网防灾减灾。
本文通过对220kV输电线路交流短路融冰技术的分析, 得出以下结论:
(1) 推行电网差异化设计原则, 提高重要线路的抗灾能力。为确保供电设施的安全可靠, 对重要线路和特殊区段采取差异化设计, 提高安全设防水平。
(2) 以目前的技术水平而言, 架空地线、绝缘子以及杆塔尚无有效的融冰方法。针对架空输电线路, 交流短路融冰法与直流融冰法是目前电网普遍有效应用的2种融冰方法。
(3) 受容量限制, 目前500kV交流线路只能用500kV变电站固定式直流融冰装置融冰;220kV、110kV、35kV交流线路既可用交流短路融冰法, 也可用站间移动式直流融冰装置融冰;一般情况下选择低一电压等级作为交流短路电源点进行220kV、110kV、35kV交流线路交流短路融冰可操作性相对较强。10kV线路宜用移动式发电车带直流融冰器融冰。
(4) 考虑经济等因素, 500kV直流线路整线直流融冰不太现实, 只可能通过移动式大容量直流融冰装置实现分段融冰;同时建议凝冻天气时, 在系统安全许可情况下令500kV直流线路满载或过载, 以尽量使之达到或接近保线电流。
(5) 建议设计单位针对重灾区线路开展交流短路融冰方案研究, 明确交流短路融冰电源点和短路点。
(6) 建议开展固定式、站间移动式、发电车移动式直流融冰装置样机开发和深入的设计研究工作。
(7) 考虑建立输电线路覆冰预警系统, 对覆冰地区的重要线路考虑安装线路覆冰在线监测装置, 并采取防冰措施。相关变电站应考虑装设除冰、融冰设施。
OPGW融冰光纤热稳定研究 篇2
关键词：OPGW,OPGW融冰,涂层剥离力,光纤拉出力,光纤长期稳定性
0引言
2008年在中国南方、华中、华东地区出现了历史上罕见的低温雨雪凝冻灾害,对电网造成极大破坏。目前,采用直流大电流加热方式对导线融冰的技术已基本成熟。在对导线融冰取得经验的基础上, 2011年至今,中国南方电网覆冰多发的省份已经对近百条输电线路OPGW进行绝缘化改造,以达到在覆冰季节可以对OPGW进行融冰的目的。
南方电网在OPGW融冰时对融冰电流的选择依据是:融冰时间1 h,OPGW表面温度90 ℃。由于融冰过程是一个对OPGW的加热过程,因此在OPGW 20~30年寿命期内,反复融冰加热过程对光纤衰减及寿命是否会带来不利影响是广大线路设计、运管和通信维护人员普遍关心的问题。
本文针对OPGW地线融冰对光纤热稳定性能的影响进行了试验研究。通过试验,了解了地线融冰温升过程对OPGW光纤长期寿命、光纤传输性能的影响,为OPGW融冰操作提供决策依据。
1试验内容及结果
对某线路 所用7种OPGW进行电流—温升试验,仅给出其中的OPGW-140结构的试验结果。 OPGW-140结构如图1所示,参数如下:光纤芯数24芯,外径15 mm,额定拉断力(Rated Tensile Strength, RTS)147 k N,20 ℃ 时直流电 阻0.557 Ω/km。 为了达到用分布式光纤测温系统(Distributed Optical Fiber Temperature Testing System,DTS)监测升温时光纤的环境温度,试验样品皆按原结构重新生产, 重新生产时光纤单元内增加2根多模A1a光纤供DTS测试用。
试验室内用于架设试验样品的2个杆塔距离100 m,高度10 m。将试验所用OPGW样品100 m张力架设在100档距试验杆塔之间,两端耐张线夹加装绝缘子与杆塔绝缘。A端留出5 m用于光纤测试,B端余缆OPGW留在盘上。在杆塔A、B两端用并沟线夹将交流大电流发生器通流母线与OPGW相连形成 回路。G.652D光纤测试 回路长度 约为4 000 m,较长的测试回路使得光纤衰减变化测试结果可信。A1b光纤回路用于测试OPGW光纤钢管内光纤环境温度变化,测试长度约为200 m。在试验段中间的OPGW表面间隔3 m用纱线捆绑若干热电偶探头。用可调式轴流风机模拟环境风速。
试验时,用光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)监测光纤衰减变化,用DTS监测光纤温度变化,用热电偶监测OPGW表面温度变化及试验室环境温度,用风速计测试OPGW表面处风速。
1.1温升试验
OPGW-140的电流 – 温升、风速 – 温升、衰减变化曲线如图2所示。在整个升温过程中,OPGW内部光纤温度始终高于表面温度,温度越高,温差越大。 当表面温度为90 ℃时,内部光纤温度接近110 ℃。 而当OPGW处于2 m/s风速的环 境下,内部光纤 温度与表面温度相差不大,约在5 ℃。当无风处的OPGW表面温度达到110 ℃时,2 m/s风速下的OPGW表面温度仅有63 ℃。在整个试验过程中,光纤衰减变化小于0.02 d B/km。
1.2模拟20年寿命期内OPGW的融冰加热过程
自然界覆冰现象每年都会出现,对架空输电线路而言,每年都要经受冰灾的考验。这就要求对输电线路导、地线进行反复融冰,而OPGW含有通信用的光纤,是否能承受这种反复的长时间的通流融冰操作,还需要进行试验验证。考虑到OPGW设计寿命一般为20~30年,假设平均每年融冰2次,每次融冰时间1 h。对OPGW-140进行了20次、每次2 h的电流 – 温升试验,模拟输电线路20年寿命期内,每年2次的融冰过程。
试验缆长度200 m,在2个杆塔之间“U”型架设。每天对OPGW通入230 A的电流,保持OPGW表面温度在100 ℃左右,维持2 h,此时内部的光纤温度约在120 ℃,试验周期20天,同时监测光纤衰减变化情况。在整个试验过程,光纤衰减保持不变。 20年寿命期内的OPGW融冰加热过程的衰减变化如图3所示。
虽然融冰时OPGW的表面温度设定为90 ℃, 考虑到20年寿命期的光纤自然老化过程,将试验时的OPGW表面温度提高了10 ℃。以下为描述方便,将经受过这个加热过程的OPGW称为“热老化OPGW”,热老化OPGW内光纤单元的光纤称为“热老化光纤”。
1.3热老化OPGW的各项性能试验
将热老化OPGW样品做机械、环境试验,检验在经过120 ℃、40 h的热老化后,在各种试验条件下的光纤衰减变化性能。试验参照IEEE 1138–2009及DL/T832–2003标准进行。部分试验结果见表1所列。由试验结果可知,热老化OPGW的各项机械、 环境性能满足标准要求。
1.4涂层剥离力和光纤拉出力试验
在研究光纤涂层老化性能时,一般采用光纤拉出力(pull-out force)表示光纤涂层与光纤包层之间的粘结力。尽管一般认为涂层剥离力与涂层粘结力的关系不大[2],但还是有较多文章采用涂层剥离力 (coating strip-force)[1]表示涂层的老化性能。文章按2种试验方法进行了试验,由于光纤拉出力目前国际上暂无统一标准,本次试验是按照某光纤涂料厂家企业标准进行。
试验中,试样1— 9为经过热老化的光纤,试样A/B是与试样1— 9同一批、未经过热老化的着色光纤。试样C/D与试样A/B是同一根光纤,但是经过了125 ℃、48 h的连续快速老化。这个老化过程为:从试样A、B光纤上折取约5 m长的光纤,成圈后放入一个装有光纤膏的容器中,光纤浸入纤膏内以模拟光纤单元中光纤的实际环境。将此容器放入125 ℃的高温试验箱,保温48 h。对比3种光纤的涂层剥离力和光纤拉出力变化,了解光纤加热过程对光纤涂层与光纤包层之间粘结力的影响。涂层剥离力试验结果见表2所列,光纤拉出力试验结果见表3所列。
在表3中,试样2和试样3的着色层在试验中脱落,数据不是真实反映。从试验结果可以看出,老化光纤的涂层剥离力及光纤拉出力与未老化光纤相比,有明显下降。快速老化光纤的涂层剥离力与试验前相比变化不大,但光纤拉出力明显下降。由于光纤拉出力更能真实反映涂层粘结力的大小,因此, 试验结果说明光纤的加热老化过程会使涂层粘结力降低。
2融冰过程与光纤衰减、光纤寿命的讨论
2.1融冰过程与光纤衰减
Andrei A.Stolov等人利用TGA方法研究 了光纤涂层在不同高温环境下的失重速率,利用阿累尼乌斯公式推算了不同失重情况下的寿命[3,4]。康宁及DSM公司Valery A.Kozlov等人在研发中温光纤涂料时,就是以涂层失重10% 做为光纤寿命终结的判据[5],即将光纤放置在某一特定高温环境下维持一定的时间,当涂层失重达到10% 时,所用时间即为此温度下的光纤寿命。
虽然上述研究结果给出了光纤在不同高温环境下的热失重计算寿命,但该结论在实际应用中无法预测光纤涂层的失重会对光纤衰减有多大的影响。 目前尚不能确认的是,在OPGW 30年寿命期内,每年冬季1~2次的融冰过程是否会使得光纤涂覆层出现例如5% 或更小的失重,这个失重值是否会对光纤衰减带来0.01 d B/km的衰减增加。因为这个衰减增加对于长距离的电力光纤传输也是不能容忍的。
由于目前绝大多数光缆的应用环境皆为大气环境,温度在 –30~+60 ℃。因此,对光缆中光纤使用寿命(或衰减增加)的影响因素研究较多集中在如应力、弯曲、氢损、潮气、溶剂等方面,而对于光纤处在一个相对较高的温度下(高于85 ℃)的长期使用寿命研究相对缺乏。特别是光纤经受高温环境后对光纤衰减变化量影响的研究未见有详细报导,大多研究涂层热老化后模量或伸长率的变化,而对模量或伸长率变化是否会带来光纤衰减的变化,变化量有多少,还未见有研究报导。
因此,对OPGW内光纤进行加热老化后检验其在各种试验环境下的衰减变化,可在OPGW融冰过程对光纤的热老化影响,以及对光纤衰减的影响有较清晰、全面的了解。通过模拟20年寿命期融冰操作对OPGW的加热过程,可以了解经历过高温的光纤是否还能满足光纤通信的要求。如果由于光纤经受了高温过程,引起光纤涂层失重或劣化,缓冲功能降低,在OPGW受到风激振动、舞动等外力作用时, 这些外力有可能传导到光纤表面引起光纤损耗增加。在低温时,由于纤膏和涂层的冷缩导致光纤受力等原因,因光纤涂层缓冲功能降低,也可能会导致光纤衰减增加。
热老化OPGW的各项机械、环境试验结果表明, 在经历了120 ℃的20年寿命期模拟融冰加热过程后,光纤衰减性能在各项试验中显示正常。试验结果表明,20年寿命期的融冰加热过程不会对光纤衰减产生明显影响。
2.2融冰过程与光纤寿命
光纤涂层的作用有2个:一是保护光纤不受外力破坏,减小光纤弯曲损耗;二是涂层与光纤包层之间的粘结力可防止包层微裂纹扩大,增加光纤强度和寿命。Skutnik等人的研究结果表明,涂层粘结性能较强的涂覆光纤具有较高的n值[6]。
从试验结 果得知,老化光纤 的涂层剥 离力和光纤拉出力与同一批次的未老化光纤相比,均有明显下降,意味着光纤一次涂层与玻璃的粘结力下降。由于粘结力与光纤长期寿命有关,粘结力下降意味着光纤断裂的可能性增加。在中国,220 k V以下电压等级输电线路OPGW的设计寿命要求一般为25年,而电压等级在500 k V以上的输电线路, 对OPGW的寿命要求为30~40年。当融冰电流使OPGW外层温度达到90 ℃时,长期融冰过程的高温可能会对光纤寿命产生影响。因此,OPGW融冰电流的选取应以光纤的安全使用温度为依据。建议融冰电流的选取以OPGW表面温度为70 ℃控制,尽量减少融冰电流,延长融冰时间,以保证光纤长期安全寿命。
3结语
根据试验结果可以得出以下结论。
1)在对OPGW进行融冰操作时,内部光纤温度要高于OPGW表面温度。表面温度越高,该温度差越大。当OPGW表面温度为90 ℃时,内部光纤温度有可能超过110 ℃。
2)当融冰时OPGW表面温度选取90 ℃时,模拟了20年寿命期、每年2次的OPGW融冰加热试验过程。试验后OPGW在各机械、环境温度试验条件下的光纤衰减没有明显增加。
输电线路直流融冰技术研究 篇3
输电线路覆冰是电力系统电网的重大自然灾害之一。我国南方地区冬季气温低, 雨水多、空气湿度大、特别在海拔300~1000m左右的地区很容易结冰。仅2003年, 由于覆冰引起的110~500k V输电线路跳闸79次, 其中500k V线路跳闸13次, 由于覆冰引起的110~500k V线路非计划停运47次。2004年12月~2005年2月, 我国华中电网出现大面积冰灾事故, 仅湖南省就有700多万人受灾, 直接经济损失超过10亿元。尤其2008年冬季, 我国湖南、湖北、贵州、江西、云南、四川、河南和陕西等省都曾发生过输电线路覆冰事故, 覆冰事故已严重威胁了我国电力系统的安全运行, 并造成了巨大的经济损失。
2 输电线路覆冰带来的危害
通过对导线覆冰进行分析, 可得到输电线路覆冰的危害具体如下。 (1) 过荷载。导线覆冰厚度的实际重量超过设计值很多, 从而导致架空输电线路出现机械和电气方面的事故。 (2) 非同期脱冰或不均匀覆冰事故。相邻导线不均匀覆冰或非同期脱冰产生张力差, 使导线、地线在线夹内滑动, 严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动。 (3) 绝缘子串冰闪事故。绝缘子覆冰或被冰凌桥接后, 绝缘强度下降, 泄漏距离缩短, 融冰时绝缘子的局部表面电阻增加, 形成闪络事故, 闪络发展过程中持续电弧烧伤绝缘子, 引起绝缘子绝缘强度降低。 (4) 导线覆冰舞动事故。导线因不均匀覆冰而在风的作用下产生舞动, 覆冰导线的低频高幅舞动造成金具损坏、导线断股、相间短路、杆塔倾斜或倒塌等严重事故。
3 目前国内常用的融冰办法
国内外除冰防冰技术多达30多种, 按其工作原理可大致分为热力融冰法、机械除冰法、自然被动法、化学涂料法等等, 就融冰技术而言, 目前主要是指各类热力融冰方法。 (1) 三项短路融冰法。将融冰线路的一端三相短路接地, 在另一端施加合适的融冰电源, 由较大的短路电流加热导线, 使之达到融冰的温度。计算表明, 用35/220k V系统作为融冰电源, 可融冰线路最长分别不超过25/169km。而用500k V作融冰电源, 线路长度基本可满足要求, 但需要系统提供2000Mvar以上的无功功率, 而一般变电站却无法提供如此巨大的无功储备。此外, 三相短路融冰法的前期准备工作量很大, 融冰所耗费的电量也很可观, 通常都在数万k Wh以上。 (2) 利用直流加热线路融冰。直流电流产生的热量必须大于导线散热和融冰热量之和, 覆冰才能融化。常用的直流融冰电源有固定式直流电源、站间移动式直流电源和发电车移动式直流电源。上述直流融冰电源具有接线不需经过任何站内原有正常运行的设备, 装置在融冰工作时所产生的直流电流对站内原有设备不会造成影响;接线方便;无功容量需求不大的优点, 同时也存在引起35k V侧谐波电压和电压畸变率的不足。 (3) 交流短路电流融冰。交流短路电流融冰是将融冰线路的一端三相短路, 而在另一端提供融冰交流电源, 以较大短路电流来加热导线, 使依附在导线上的冰融化。输电线路的短路融冰操作性质属于事故处理, 值班调度员临时拟写操作指令票, 安排电网运行方式, 临时将输电线路上的用户转移到其他线路上供电。其缺点是操作任务多且很复杂, 往往一条输电线路融完冰要几个小时到十几个小时, 如果这期间线路不堪重负发生倒杆断线, 则将前功尽弃。
4 直流融冰技术及其关键问题
从原理上看直流融冰技术是将覆冰线路作为负载, 施加直流电源, 用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。其主要方法包括采用发电机电源整流的直流融冰方案和采用系统电源的融冰方案。当采用发电机电源整流的直流融冰方案时, 发电机出口经旁路到整流装置, 带线路融冰, 其中整流装置采用不可控整流方式。由于整流采用不可控三相整流, 其整流脉系数较小, 发电机相当于带整流电阻性负载, 对发电机不会产生其它影响。采用此方案, 除整流装置、引出配电装置需要重新设计配置外, 可借用发电机励磁控制系统实现零起升压、升流。其保护也可采用发电机保护和励磁系统保护, 大大减少投资, 但其限制条件为机组的容量与融冰所需的容量之间的差异。当采用系统电源融冰方案时由系统提供电源, 经整流变压器、整流装置, 带线路融冰。
就实用性而言, 直流融冰技术还不完善, 在多个方面尚需进一步研究, 直流融冰技术还需解决以下三个关键技术问题。 (1) 优化直流供电装置的电源结构; (2) 恰当选择直流装置的容量; (3) 非融冰季节直流装置的利用; (4) 移动式直流融冰装置的深入研究。
5 结论
本文探讨了直流融冰技术及其几个关键问题。目前, 直流融冰技术发展相当迅速, 已经成为国内融冰技术的主要手段。直流融冰装置发展需要进一步研究, 比如可以与无功补偿装置联合, 在融冰季节起到融冰的作用, 在非融冰季节可起到无功补偿的作用。另外, 可深入对移动式融冰装置的研究。以上两点是直流融冰装置的良好发展趋势。
参考文献
[1]山霞, 舒乃秋.关于架空输电线除冰措施的研究[J].高电压技术, 2006, 32 (4) :25-27。[1]山霞, 舒乃秋.关于架空输电线除冰措施的研究[J].高电压技术, 2006, 32 (4) :25-27。
[2]覃晖, 邓帅, 黄伟, 张婧.南方电网输电线路融冰措施综述[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (24) :231-235.[2]覃晖, 邓帅, 黄伟, 张婧.南方电网输电线路融冰措施综述[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (24) :231-235.
OPGW热力融冰技术方案 篇4
输电线路上覆冰的种类繁多, 有湿雪、混合淞、雾淞、雨淞、冻雾覆冰和冻雨覆冰等。覆冰主要由风速、气温和空气湿度等条件组合而形成, 在特定地区会反复出现。电网在覆冰初期或冰灾相对较轻时的主要危害表现为覆冰闪络、导线舞动和脱冰跳跃等引起的输电线路事故。随着灾情的发展和覆冰的加剧, 作用在杆塔上的覆冰荷载将超过设计值 (简称“过冰载”) , 从而导致断线、铁塔倾覆, 严重时可造成电网解列甚至全系统瓦解[1]。电网覆冰灾害的后果通常很严重, 电网恢复难度大、周期长, 如2008年初我国南部省份的低温雨雪冰冻天气给电网带来了巨大损失, 直接损失高达2 000亿元人民币[2]。
为减轻冰雪灾害对输电线路的影响, 国内外电力工作者开展了各种除冰、融冰技术的研究, 提出几十种除冰、融冰方法, 其工作原理大致可分为热力融冰法、机械除冰法、自然被动法和化学涂料法等[3]。就融冰技术而言, 目前主要是指各类热力融冰法, 热力融冰法又称为电能融冰法、加热融冰法等, 其基本原理是在线路上通过高于正常电流密度的传输电流, 以获得焦耳热进行融冰[4]。
我国从20世纪70年代就在220 k V线路上采用交流短路方式对导线融冰, 因交流线路存在电抗, 致使实际融冰的功率只有变压器视在功率的1/5~1/10, 对使用范围有一定限制。而后发展了直流融冰技术, 因导线的直流电阻仅为交流阻抗的1/10左右, 即采用直流融冰需要提供的功率容量仅为交流时的1/10, 故有广泛的应用。多年的研究和实践已使我国导线的热力融冰技术基本成熟[4,5]。
相对于导线, 架空地线 (含OPGW) 在正常工作时不承载电流, 故在相同气象条件下覆冰厚度可能更大些, 而它们的机械强度通常比导线低。从某些地区的统计资料看, 当架空地线上的覆冰达到一定程度时, 会引起地线断线、金具脱落、绝缘子断裂等, 甚至导致杆塔折断或倒塌;也不排除因架空地线的不均匀覆冰及不均匀脱冰产生的纵向不平衡张力, 引起杆塔折断或倒塌[6]。
OPGW是一种具有传统架空地线和通信能力的双重功能的线[7], 我国大部分输电线路都架设有OPGW, OPGW断线将导致电力通信通道中断, 会危及电力控制系统的正常运行, 因此, 架空地线和OPGW融冰与导线一样重要。OPGW因逐基塔接地, 导线热力融冰法不完全适用;又因缆内含光纤, 过高的融冰温度可能会危及光纤的安全。
1 OPGW绝缘化融冰方案
我国从1985年在葛洲坝项目上引进第1条OPGW以来, 一直是逐基塔接地。OPGW接地的主要目的是: (1) 泄放来自导线的感应电流, 以降低工作温度, 进而保证光纤安全; (2) 提高OPGW的“引雷”性能, 以提高输电线路的“避雷”性能。
OPGW因逐塔接地分流而不能实施像导线融冰那样的直接通流, 除非将OPGW整段或分段与“地”也就是与杆塔绝缘。在技术上将OPGW与杆塔绝缘并不困难, OPGW与杆塔绝缘的示意如图1所示。OPGW及金具可以与杆塔通过绝缘子串隔离连接, 与此同时, OPGW的引下线夹、接头盒、余缆架等均可采用绝缘物与杆塔隔离。
OPGW绝缘化融冰的主要特点是:OPGW结构可保持不变, 只需对线路作绝缘化处理, 可用成熟的导线融冰技术通流, 以OPGW本体作为发热元件, 故简单易行。
绝缘化的OPGW通常采用直流融冰, 加热电流回路可借用某一相导线, 也可用大地回路。但是, 如果线路中有不同规格的OPGW, 在恒流源驱动下, 因直流电阻不同而发热状态不同, 则融冰程度也不相同。这时, 可按规格分段通流, 或改变部分OPGW规格, 使通流段电阻率接近。
另外, 我国OPGW多为“全铝包钢结构”, 因考虑耐雷击性能, 外层股线多为低导电率的铝包钢线, 故OPGW的直流电阻普遍比导线大得多。要维持融冰电流, 需要比导线融冰更高的电压, 这时所有的线路器材要达到相应的绝缘水平。
2 OPGW外外加加缠缠绕绕绝绝缘缘导导线线融冰方案
此方法是在现有OPGW上附加融冰用绝缘导线, 通过对绝缘导线中的导体 (通常采用铜质材料) 施加一定的电压和电流, 使绝缘导线产生温度而融冰, 这是一种“外发热”方式。同步缠绕在OPGW本体上的绝缘导线一般为2根 (1对) 。
绝缘导线的绝缘性能与融冰所需的电压有关, 导体截面积与融冰所需的电流有关。绝缘导线的绝缘性能好、导体截面积大可以增大融冰的距离。当导体的截面积一定时, 绝缘导线缠绕的节距大小与融冰效果紧密相关, 节距越小则融冰效果越好。
该方法的主要特点是:原来的OPGW线路可保持不变, 即使全程有不同规格OPGW也无需变动, 只要在OPGW上附加缠绕用于融冰的绝缘导线。2根 (1对) 绝缘导线可自成融冰电流回路, 既可全程也可分段融冰。如需要更大的融冰电流, 可双芯并联增大载流截面, 这时需另外的通流回路。
但是, 由于绝缘导线附加在OPGW表面, 暴露在空气中, 其护套除了有绝缘要求外, 还应具有耐腐蚀、耐磨损、耐高低温冲击、抗紫外老化、阻燃等性能, 在某些区段还可能有抗虫害、抗鸟啄和抗枪击要求。
另外, 绝缘导线是有限长度, 在施工时需要接续。如果在较长线路上要求较大的融冰电流, 则绝缘导线中导体的截面积大且自重也大, 会增大原OPGW的弧垂, 这时需要校核。增加的缠绕线会改善原OPGW线路的风动特性并延缓覆冰。
这种方式的施工方法类似于地线缠绕式光缆 (Ground Wire Wind Optical Cable, GWWOP) , 需要图2所示的缠绕机具, 不同的是在OPGW上附加缠绕的是绝缘导线而不是全介质光缆。
该机具原用于体积和自重较小的全介质光缆 (可装载直径和自重分别约为8 mm和60 kg/km的光缆2 km左右) , 当用于缠绕绝缘导线时, 就需要更大规格的缠绕机具。如导体截面大, 势必增加绝缘导线的直径和整体重量, 除了单盘缠绕距离会受到影响外, 还需要验证缠绕机具的爬坡能力和绝缘导线的放线张力。
3 OPGW内置绝缘导线融冰方案
我公司开发的一种内置绝缘导线OPGW, 其结构示意如图3所示。该结构是在传统的OPGW结构中用绝缘导线置换若干根内层股线而成。绝缘导线中的导体通常是铜材料, 也可以是铝等其他导电材料, 其实际上是一种复合绞线。
在不需要融冰时, 绝缘导线中的导体可与结构中的铝包钢股线共同承载短路电流。当需要融冰时, 可向结构中绝缘导线中的导体施加电压和电流, 产生温度后传导给外层铝包钢股线融冰, 所以是一种“内热”方式。绝缘导线的绝缘性能与融冰所需的电压和电流有关, 导体截面积与融冰距离有关, 绝缘导线的绝缘性能好, 导体截面积大可以提高融冰的距离。
内置绝缘导线OPGW的主要特点是:结构简单, 可以用传统的生产设备制造;安装方式 (包括金具、接头盒及附件等) 与传统OPGW相同;根据不同的融冰条件, 不需另外的通流回路, 可以1对 (2根) 、也可以2对 (4根) 并联送电。
但是, 由于铜导体的抗拉强度比铝包钢要小, 故若要保持外径不变, OPGW全截面机械强度将减小, 内置绝缘导线越多则强度下降越多;若要求与传统OPGW保持相同的机械强度, 则缆外径要增大。另外, 对内置导线的护套材料还要有绝缘和耐温的要求。
内置绝缘导线OPGW的接头盒可有整体和分体2种型式。整体接头是指OPGW的光纤接头和绝缘导线的接头在一个接头盒内完成。在接头盒内, 光纤的接头按常规方式熔接, 绝缘导体之间相互连接并附加绝缘保护材料。分体接头是将OPGW中的光纤接头和绝缘导线的接头按如图4所示分成2个独立接头盒。
在图4中, 绝缘导线接头盒中的导体可以直接连接, 也可以根据需要采用开关连接并进行控制。由于绝缘导体接头盒同光缆接头盒一样安装在露天的杆塔上, 所以该接头盒具有密封性能要求。
该OPGW的绝缘水平按常用的直流融冰电源输出电压3~6 k V考虑。成缆后, 实测绝缘耐压≥9 k V, 机械性能和光纤性能都达到了设计技术要求, 已交相关单位进行融冰性能试验。
4 总结和讨论
OPGW与输电导线热力融冰的不同之处在于导线是绝缘的, 而OPGW是逐基塔接地的。
如直接对OPGW通流融冰, 要对线路进行绝缘化处理以阻断大地分流通道, 需进一步研究OPGW线路的绝缘水平、绝缘结构和绝缘化后对输电系统耐雷水平的影响及对继电保护的影响。绝缘化OPGW热力融冰还需要另设通流回路, 如利用某一输电导线或大地回路。
在原有OPGW上缠绕绝缘导线通流融冰, 可不改变原OPGW结构和相关线路设施, 但对该绝缘导线的外护套要求比较高, 需进一步研究附加绝缘导线后对OPGW的耐雷水平、弧垂等的影响, 还需要考虑施工时缠绕机具的迴转半径, 以及加上绝缘导线后的自重对原OPGW和杆塔荷重的影响。
OPGW内置绝缘导线通流融冰, 需要更换原有的OPGW。在不融冰时, 绝缘导线中的导体可承载短路电流, 还可向线路中可能有的中继放大器或传感器供电。虽然安装方式和相关线路设施可与传统OPGW基本相同, 但如保持直径不变, 则OPGW机械强度将明显下降;反之, 直径会增大。
用这3种方式热力融冰通流, 都需要进一步研究并验证温度升高对光纤的影响, 包括融冰电压和电流的选择和控制, 以免对光纤造成不可逆转的永久性伤害或寿命的下降。若以大地回路通流, 还需评估融冰电流对杆塔接地装置和变电站接地装置及其他地下设施的腐蚀。
5 结语
本文主要讨论了3种OPGW热力融冰技术, 并提出了一种内置绝缘导线的OPGW结构, 经检测, 这种结构的绝缘耐压≥9 k V, 机械和光学性能满足设计要求, 实际的融冰效果有待于在实际试验线路的验证。
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