OPGW工程设计探讨
刘礼华，江西瑞昌市供电公司，1975年出生，本科学士学历，工程师，主要从事电力系统的设计、施工和配网自动化方面的工作。 欧阳剑，江西吉安供电公司，1976年出生，本科学士学历，主要从事电力通信自动化的工作。
田大毛，江西瑞昌市供电公司，1983年出生，本科学士学历，主要从事电力系统的设计和工程项目的工作。
摘 要： opgw工程是将光纤电缆和地线复合一起架设的新技术，在尚无国家行业设计标准时，如何做好设计工作，重点关注opgw工程的选型、光纤及余长、雷电特性、故障电流及热稳定计算、张力、配盘、防振等问题。
关键词： opgw工程 光纤特性 张力 配盘 防震 中图分类号：tm715 文献标识码：a 文章编号：1674-198x(2011)12(a)-0000-00
opgw是架空地线复合光缆的英文缩写（optical fiber composite overhead ground wire），具有电力线路避雷地线和光纤通信的双重功能，工程设计涉及架空线路和电力通信两个专业。目前国家尚未编出opgw设计规范，笔者根据220kv龟峰变～上饶变输电线路opgw 工程和萍乡110kv五陂下～莲花变ⅱ回输电线路opgw工程的设计实践，提出opgw工程设计的基本要求和体会，以供讨论参考。 opgw工程介绍及设计标准、规范 1.1 工程案例
江西220kv龟峰～上饶变输电线路opgw总长73公里,光缆纤芯为24芯（16g.652＋8g.655），线路单相短路最大电流27.12ka，设计选用良导体jlb30a-70、 jlb20a-50、gj-50地线与opgw-90进行热稳定配合计算。线路途经弋阳县、横丰县、铅山县、上饶县、上饶市境内，地形以丘陵、山地为主，气象条件按江西省典型i类气象区进行设计。
110kv五陂下～莲花变ⅱ回输电线路opgw全长63公里,光缆纤芯为16芯（g.652），线路单相短路最大电流20.576ka，设计选用良导体jlb30/70、jlb20a-50、gj-50地线与opgw-70进行热稳定配合计算。线路沿途经过萍乡市、莲花县境内，地形以高山、山地为主，工程海拔高程在90～800米之间，其气象条件主要按江西省典型ⅱ类气象区（海拔90m～400m）、江西省典型ⅲ类气象区（海拔400m～600m）、重冰区（海拔600m以上，覆冰20mm）进行设计。 1.2 工程设计可依据的标准、规范
(1)《110～500kv架空送电线路设计技术规程》dl/t 5092—1999；(2)《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》sdgj94—1990；(3)《电力系统光缆通信工程初步设计内容深度规定》dlgj152—2000；(4)《长途通信干线光缆数字传输系统线路工程设计暂行技术规定》ydj14—1991。
2 opgw工程的初步设计
初步设计内容包括：(1) 路径；(2)工程设计条件；(3)opgw选型；(4)地线绝缘型式；(5) 金具。
2.1 路径选择
单一线路opgw的路径没有太多选择，一般与送电线路同路径。如果一条光缆线路承挂在不同电压的送电线路上，设计应进行方案比较，以保证光缆线路安全可靠、经济合理、施工维护方便。在确定光缆路径时，应结合电力系统网络结构，选择平直且距离短、投资省、交通条件好、运行维护便利的路径。尽量选择少穿越铁路、江河湖泊及严重覆冰区、大污秽区及大型建筑障碍物的线路，特殊地段可改用其他光缆如非金属光缆代替。 2.2工程设计条件
(1) 气象条件：设计气象条件（风速、覆冰厚度、气温）与线路本体相同。
(2) 线路杆塔条件：通常opgw的机械参数可能超过原设计避雷线，工程中应结合opgw的物理机械参数对杆塔和基础进行补强计算，或增大opgw的机械参数值，使之满足工程要求。 2.3 opgw选型 2.3.1 opgw的结构
opgw有不锈钢管式、骨架式及铝管式三种典型结构，见图1。 opgw选型主要考虑以下几个因素： opgw内光纤及光纤单元特性 opgw热稳定特性
opgw热稳定特性包括系统发生单相接地时故障电流特性及雷电特性。电力线发生单相接地短路时，地线返回电流使opgw发热，
其温升不得超过允许值，以免造成对光纤的损坏。由于线路短路电流持续时间很短(如220kv为0.35s)，可视为绝热过程，其短路时发出的热量全部用于提高opgw的温度。雷电流幅值虽然很大，但由于放电时间短，其对opgw的热稳定一般不起控制作用。 opgw 机械及抗疲劳特性
opgw的机械强度及疲劳强度特性应能与另一根地线匹配。 2.3.2 缆内光纤要求
光缆光纤芯数应满足工程使用并兼顾今后发展需求，一般选择大于12芯，光纤种类可选非色散位移单模光纤（g.652）和非零色散位移光纤（g.655），主要参数及应用场合如表1、2。
应用场合：应用于edfa和波分复用结合的传输速率在10gbit/s以上高速系统。
2.3.3 opgw的纤芯余长
纤芯余长是opgw的重要参数，线体在受拉力后及运行中将发生伸长变形，如果纤芯余长不够，将使光纤受力造成疲劳，引起传输衰减增加或光纤受损等问题。绞合线体的伸长主要有二种形式：(1) 塑性伸长和蠕变（初伸长）；(2) 运行过程中随环境条件的变化而产生的伸长。
在线路发生单相短路故障时，短路电流流经opgw将使其温度急剧升高，当达到最高允许温度时，opgw线长伸长远大于正常运行时opgw的线长伸长，应予以特别注意。由于各生产厂家所生产的opgw在结构形式、材质、特性等方面各不相同，在设计中确定一个固定
的纤芯余长难以满足不同型号光缆的要求，建议在opgw招标中要求生产厂商根据其opgw的特性确定合适纤芯余长，以保证opgw在各种情况下能安全运行。 2.3.4 opgw防雷电特性
雷击地线时，雷电流流经地线引起线体瞬间发热，如果温升过高会造成光纤受损，传输损耗增加，严重时可能造成断股事故。根据我国220kv及以上线路运行经验以及国外对雷击试验的总结认为，当地线单股直径大于3.0mm时，雷击对地线损伤较小。在雷暴日较多的地区如江西省年平均雷暴日为62日/年应尽量选用单股直径不小于3.0mm的opgw，特殊地区如我国雷州半岛等年平均雷暴日达80日/年，opgw外层单股直径应尽可能大，同时opgw单丝采用铝包钢结构。
2.4 故障电流计算及热稳定校验
当送电线路发生单相接地故障时，短路电流从故障点沿地线向两侧分散。若故障出现在变电所进出线档，电流流向变电所分量为整个故障电流的大部分。地线分布电路模型见图2。
ro：变电所接地网电阻，rt：线路各基杆塔接地电阻，zg：各档地线的阻抗，zop：各档opgw 的自阻抗，zgm：各档另一根地线的自阻抗，3io：接地故障电流，ig：通过地线电流，it：通过各杆塔接地电阻电流。
当送电线路在塔身处发生接地故障时，从变电所a、b两侧来的故障电流在故障点分三路入地，一路电流 it 从本杆塔接地电阻rt
入地，另两路 iga、igb 电流由两侧杆塔接地电阻入地。
分析计算故障电流在opgw及另一根地线中的电流分布情况，可将故障电流分为两部分，一部分是零序电压在各支路接地阻抗倒数分配的自由分量igf和另一部分是导线故障电流3io通过电磁感应在地线产生感应电流的强制分量，由于电力电路元件是线性的，可以用重迭原理分别计算，再合成总的电流。
工程设计时可暂选定一种适合结构的opgw与另一根地线进行故障电流配合计算。通常为减小故障时流过变电所附近opgw电流，在变电所出口另一根地线采用良导体，中间段仍采用普通地线。根据计算结果确定线路全线地线配置方案。表3列出几种线材的参数供设计参考。 2.5 opgw张力设计
opgw应满足设计规程对地线在最大使用应力时安全系数大于导线安全系数（2.5）的要求，同时在外过电压无风条件下，档距导线与地线间应满足0.012l(档距)+1米距离要求。
由于opgw供货厂商产品的参数有所不同，opgw的张力设计应根据导地线安全配合及另一根地线的机电特性确定其安全系数及平均运行张力，以确保两根地线有相近的弧垂特性。在拉力为70％额定拉断力，或在最高线温及最大短路电流引起的伸长工况下，光纤应不受力，一般将平均运行应力设计控制在极限张力的20%以内。 3 施工设计
3.1 设计内容
(1) 施工图设计说明书，说明工程概况、气象条件、光缆技术参数、设计应力及安全系数选取、金具选择及防振措施、对地及交叉跨越要求、盘长配置情况、施工注意事项等。 (2) 施工表册，包括设备材料清册、杆塔位明细表。
(3) 施工图册，分为电气部分和结构部分两卷。opgw地线必须采用张力放线，由于opgw采用张力放线不同于普通地线放线，因此电气部分施工图应包括放线牵引机布置、端头处理、光缆门型杆引下方式、余缆架安装、接续盒安装、耐张线夹终端塔耐张塔安装、悬垂线夹安装、防振锤安装等。结构部分杆塔型式由线路专业设计，光缆悬挂构件和接续构件的加工一般由光缆金具厂商配套提供，无需单独设计。 3.2 opgw的配盘
(1) 配盘原则：配盘应服从线路的耐张段且不能超过最大制造长度，尽量减少光纤接头原则。应尽量避免在水稻田、沼泽、水塘、山顶、深谷等不利地形处接头，选择交通便利、能方便地获取公用设施的地点安排接头。当线路中有二个及以上的90o转角或四个以上45o转角时，应尽量分盘，在这些转角塔上安排接头。 (2) 单盘长度： 目前opgw最大生产盘长可达6km，在平原地区，单盘3～5km是较佳的选择，如在地形较复杂的山区，应尽量控制在3km盘长左右，以一个施工队可以在一天内放完为宜。 (3) 配盘长度(dl)
推荐配盘长度公式： dl＝l×a+3h+h+2b
dl－配盘长度（m）；l－线路长度(m) ；a－长度预留系数，平原：1.02～1.03 ，丘陵：1.03～1.04 ，山区：1.04～1.05 ；h－光缆输入端杆塔高度 ；h－光缆输出端杆塔高度 ；b－牵引预留长度，通常取6－10m 。 3.3 opgw防振设计
opgw的防振器件主要是防振锤，在大跨越工程中则由数个不同长度的阻尼线和防振锤组成联合防振装置。 (1) 数量配置
一般在年平均运行张力大于15%rts时，开阔地区一只防振锤的保护档距为125m，非开阔地区一只防振锤的保护档距为150m。 图4 防振锤安装位置图(上为悬垂线夹，下为耐张线夹) 考虑防振锤安装在对最大、最小波腹接近程度相同的位置处，可按下式计算得出：
式中：l1 — 安装距离(m)，d—opgw光缆直径（m），m—opgw光缆单位长度的质量（kg/m），tav—平均运行张力(n)。
为避免当振动频率增加一倍或其他整数倍时，第一只防振锤处于波节点，不能充分发挥作用，故第二、三只防振锤的安装距离为：l2=l3=0.6～0.7l1。
当遇下列情况之一，应重新确认防振方法： 1) 档距>800米，地形平坦开阔，高度>40米； 2) 常年季风与线路成40度－90度，tav >20%rts；
3) 地形平坦开阔，档距20%rts； 4) 振动高发地带。 4 结语
4.1 光纤复合架空地线（opgw）工程设计应服从电力线路避雷地线和光纤通信两大功能。
4.2 初步设计主要工作是：(1)选型，根据线路特点、气象条件、工程需求选择光缆结构和光纤芯数；(2)热稳定计算，根据系统最大运方条件下单相接地短路电流和opgw短路热容量确定opgw及另一地线配置。
4.3 施工设计应注意热稳定校核和力学特性计算，根据线路耐张段长度及尽量减少光纤接头原则进行配盘设计，防振装置应结合线路情况确定型式、数量和安装位置。
4.4 由于还没有国家（行业）的opgw设计规范，目前还是各设计人员参照相关规范摸索进行设计，难免存在诸多缺陷，希望能引起重视，尽快制订opgw的设计标准。 参考文献：
[1] 胡先志，邹林森，等. 光缆及工程应用. 人民邮电出版社. 1998
[2] 王守礼，严永新，等. 电力系统光纤通信线路设计. 中国电力出版社. 2003
[3] 黄俊华. opgw的主要特性和工程配置
