OPGW光纜在220千伏系統中應用的幾點思考
最近幾年，復合光纖架空地線在我國電力建設中獲得了飛速發展，幾乎所有的新建500千伏和220千伏輸電線路，都選擇了復合光纜作為架空地線，其光纖芯數也從早期的六～八芯，迅速攀升到16～24芯及以上，高的已達到72芯，還包括G655光纖。同時出現了一批千公里以上的長距離主干光纖線路。復合光纖架空地線正面臨一個前所未有的朝陽時代，這也是技術發展和進步的必然。
在我國超高壓電力網結構中，截止到2000年底，220千伏以上的線路共有約16萬3千公里，其中500千伏、330千伏和220千伏線路大約分別為27300、8600和127000多公里，由于我國大規模采用復合光纖架空地線的時間（大約從1998年起）比發達國家約推遲了10年，（有資料表明，發達國家大約在80年代未和90年代初就大量架設OPGW光纜），致使我國早期建設的超高壓網架和光纖復合架空地線擦肩而過。在已建的500千伏網架中，架設OPGW光纜的比例約為20%，而對發達的220千伏網絡，則是瘳瘳無幾。（但有一部分采用了ADSS光纜）。
在當前眾多的工程項目中，凡是新建的，無論是220千伏還是500千伏輸電線路工程，架設OPGW光纜時選型問題均比較容易解決，如今的OPGW光纜生產技術，已經發展得相當成熟，可以為各種條件的工程提供完備的解決方案，問題是不少220千伏線路在改造中，或通信光纜的升級中，需架設OPGW光纜。由于原線路建設時，未考慮到OPGW光纜的技術特點，在原線路地線支架不改變（或不作大的改造）的前提下，要能接納OPGW光纜，由此引伸出不少問題，本文就此展開討論，提出幾點思考，以達到拋磚引玉的目的。
在這一類工程中，往往具有以下一些特點，線路運行已達10年以上，有的甚至達到20年，有鐵塔也有水泥桿，或兼而有之。地線則普遍采用GJ-50鋼絞線（這和我國的設計規程有關），在這種條件下，不少建設單位（含一些設計院）就提出，所配的光纜必須和GJ-50相配，相應直徑不能大于9mm（因為GJ-50鋼絞線的直徑是9mm），并且需承受相當數量的短路電流。
OPGW光纜的選擇，主要著眼于以下幾點：光纖芯數及光纖技術要求，光纜的熱容量，光纜的力學性能（即弧垂特性）包括其外徑和重量。其中每一項要求，都折射出原工程的影子，恰當地處理好這些參數之間的關系，綜合兼顧，使所選擇的OPGW光纜能為這些“老工程”所接受，這是一個技術決策者必須妥善解決的問題。
對光纖的技術要求，目前都有認可的技術標準，如ITU-T G.652等，這些標準大約每四年會再版一次，其技術水準也在不斷提高，再要提高某些技術要求，如衰減指標等，必須放在整個通信系統的大環境中考慮，如光纜的總長度，系統對總的衰減指標的要求等。簡單地認為光纖指標總歸越先進越好的觀點是不全面的。這樣做，會導致光纜的投資增加，而整個系統卻未必得益。所以對光纖的技術參數應慎重決策。而對光纖的芯數，則應對未來的發展有一個充分的估計，這里還涉及到對路徑價值的認識問題。像早期選用六芯～八芯OPGW光纜的現象現在已很難看到了。筆者認為，對光纖芯數的預測出現不定時，宜向大芯數方案傾斜，這樣比較主動，也為OPGW光纜的工程經驗所證實。
對光纜的熱容量，將直接影響到光纜的結構和選型，應予充分重視。在常規的OPGW光纜結構中，熱容量大小的本質，將決定光纜鋁（或鋁合金）截面的大小。直至影響到光纜結構。而光纜所應承受的熱容量，主要取決于光纜所處系統的狀況，包括5-10年的發展規劃，系統最大的短路電流（嚴格來講是帶有最大零序分量的短路電流），故障的切除時間，以及光纜和相鄰地線之間的電流分配。一般說來，短路電流的取值應將系統放在一個5-10年的規劃中考慮，同時附以最大運行方式和最高氣溫月的最高平均氣溫。其次是線路各點發生故障時，短路電流是不一樣的，最嚴重的是故障點發生在變電所的進（出）線檔，這成為熱容量參數中短路電流的控制點。而離開這一檔或這一耐張段，短路電流就迅速衰減。通常在離開門型架3-5公里以后，會有20%-30%的衰減量（有時和線路的長短有關系），但理論上，線路各點的故障率是呈等值分布的，另一個關鍵的參數就是承受短路電流的時間，在華東地區的500千伏系統中，目前已普遍采用0.25秒。解剖一下，這主要由快速縱差保護和開關失靈保護這兩部分時間所組成。目前還沒有看到少于0.25秒的時間選擇（直流系統除外）。對220千伏線路的保護，通常也能在0.1-0.15秒時間內完成，但其后各級保護或失靈保護的情況比較復雜，有時和母線主結線的方式有關系。統計資料表明，220千伏系統的保護動作正確率在98%以上，而線路保護的正確率也有相同的水平，眼下大部分220千伏的光纜工程其短路時間取0.35-0.5秒，并以0.5秒為多。現在的問題是，將上述這些“小概率”事件連續迭加（數學上為小概率事件相乘）后得出的短路電流容量要光纜承受（通常OPGW光纜和鋼絞線配合時，要承受絕大部分的短路電流），而同時又要求光纜的弧垂和鋼絞線相配。這對光纜就難以兩全了。有的工程提出的熱容量已接近開關的短路容量。這就更顯不妥，在這些多重要求的夾擊下，就使光纜的選型遇到了困難，有些工程就遭遇到所有投標商的光纜產品均不能滿足標書要求的情況。這就促使我們必須從產生這些原則的“源頭”去思考。
仔細分析影響光纜熱容量參數的各種原因，不外乎“運行方式、環境氣溫、短路點位置和保護動作時限”這幾大因素。而我們都自覺和不自覺地將這幾種因素的最不利情況撮合在一起，這是不科學的。其結果正如前面所提到的，220千伏改建線路找不到合適的光纜。筆者認為，以下的組合是可以考慮的：“一般運行方式 年平均氣溫十非進（出）線檔故障 主保護二階段動作時限”或“最大運行方式 最高氣溫月平均氣溫 最危險點故障（一般也就是進出線檔） 主保護一次動作時限”，在這兩者中，可以取嚴重者考慮。這正如線路電氣設計中在最大風的條件下不考慮系統過電壓，以及系統通常只能考慮n-1的安全儲備的道理是一樣的。也有不少工程設計人員注意到，對線路比較長短路電流又較大的OPGW光纜線路，可以分段選型，也是比較有效的做法，這里不作贅述。
值得補充的是，OPGW光纜在我國已有十幾年的運作經驗，粗略地估計，大約已有了約300～400公里?年的運行記錄，沒有發生一起因短路電流過載而損壞光纖的事件，這一方面說明，小機率事件連續發生是非常稀罕的，也說明在目前的光纜選型中，熱容量參數具有較高的安全儲備。對其進行適當的反思是可取的。
為光纜選擇合適的分流線，特別是在220千伏線路改造工程中，往往會成為OPGW光纜能否成功上馬的關鍵性輔助措施。針對原先采用GJ-50鋼絞線的220千伏線路，在線路兩端采用合適的分流線是非常明智的做法。下面的一些線型值得考慮，可酌情采用。注：用戶還可以找到其他結構的分流線，之所以這樣選，主要是圍繞GJ-50的直徑和強度要求來選，因為不少用戶不希望直徑太大。
需要特別指出的是，對分流線而言，在故障時其實際所分得的電流，取決于它和OPGW光纜阻抗（包括它們之間的互阻）之間的關系。但對于其熱容量中時間的考慮，完全可以區別對待，可以取0.1-0.15秒（前者針對鋼絞線，后者適用于其他導線）。這是一個很重要的技術原則和設計思想。我們可以將OPGW光纜作為一種“設備”，而將分流線作為“地線”，從性質上將它們區分，對同樣熱容量的分流線，只考慮其通過短路電流時間為0.1-0.15秒，實際上就是大幅度地提高了其抗衡短路電流的能力，對分流線而言，即使在非常難得的情況下偶爾“過熱”一下，也沒什么影響，它根本不同于光纜，有燒毀光纖、中斷通信之憂。對靠長期累積效應才能發生強度下降的影響而言，這實在算不上什么，但我們采用這一特殊“技術政策”，卻為220千伏改建線路（包括新建）接納OPGW光纜打開了坦途。即原先采用GJ-50或GJ-70地線的桿塔，基地線頂架可基本不作加強（或改動）而直接架設OPGW光纜和相應的分流線�？紤]到這些分流線均比較輕，和GJ-50鋼絞線相比，只為其重量的75%左右。即重量為1噸的分流線可以施放3公里，一個工程用10公里左右的分流線，架設在兩端，投資不超過8萬元（連所需的配套金具在內），卻解決了光纜的匹配問題，確實是個值得采納的技術措施。
關于地線的直徑，影響到桿塔的水平荷重，但也不必過于絕對，直徑稍大一些就認為不行，從更深層次考慮，頂架的水平荷重還和頂架本身，地線的平均高度，桿塔的水平檔距等有關，簡單地拿原地線的直徑來要求光纜和分流線，有失偏頗。需要引起注意的是有些線路運行時間長久，地線頂架承受不平衡張力的能力會有所降低，架設光纜和分流線，應控制好最大張力，不降低原線路的安全運行水平。
對于兩層結構的OPGW光纜，由于上下扭絞得以平衡，而頗受用戶歡迎，從而出現即使是在小直徑的情況下，也要求OPGW光纜具有兩層結構，并拒絕中心束管式光纜，其實大可不必。一則因為在小直徑要求的（通常指直徑小于12mm時）約束下，要結合大芯數光纖單元的二層層絞是很困難的，另則因為生產光纜的絞機一般均具有退扭功能。在該工藝條件下生產的光纜不足以在松馳狀態下形成扭曲變形；再由于光纜都是定長生產，中間不得隨意開斷，接頭均在耐張線夾的后面，這些特點決定了即使光纜單層絞也不會出現松股情況（制造質量不佳另當別論），單層絞結構已經為幾乎所有光纜制造商所采用，并以此來滿足對小直徑光纜的要求，注意到這一點，無論對用戶和制造商都是有利的。對于小直徑的中心束管式光纜，不能借助于絞制產生兩次余長，但在大多數情況下，包括某些山區工程和復冰15mm地區，光纖單元的一次余長已能夠滿足工程要求，以余長過小而拒絕小直徑的中心束管式光纜，理由并不充分。
總之，在220千伏網絡工程中，尤其是老線路改建或增掛光纜工程中的選型問題，不外乎是上述這些問題的交叉組合，只要抓住關鍵要求，綜合平衡，全面完整地理解復合光纜，重視分流線的采用，在技術原則上區別對待，特別是分流線的短路時間，就不難為工程找到一個完美的解決方案，這些技術觀點對500千伏系統網絡中的光纜工程也同樣可引以為鑒。