王新宽，陈 焰

(重庆市电力公司重庆电力设计院，重庆401121)

目前电力系统中的通信、调度、保护等信号传输方式已由原来的载波通信过渡为现在的光纤通信，220 kV及以上线路一般不采用 ADSS，而采用OPGW光缆。而2000年之前建设的220 kV架空送电线路(下简称老旧线路)，大部分未架设OPGW光缆。

随着智能电网发展，调度及通信需要更多的光缆通道，除了在新建线路上架设光缆线路外，本着节约投资、快速高效的思路，需要在已建线路上，将普通地线更换为OPGW光缆。

而在已建的老旧线路上更换光缆，不仅需对更换OPGW光缆后的线路在电气方面进行校验，还需对更换OPGW光缆的铁塔进行相应的校验。改造过程中如何对运行年限不同的线路进行设计标准选择、结构安全评估，以及在保证安全施工、安全运行的前提下如何更好、更科学、更经济地挖掘老旧线路潜力，就是光纤复合架空地线改造的难点和重点。

首先，老旧线路改造应当按现行2010版《110～750 kV架空输电线路设计规范》对更换后的线路进行校验，但现行标准较线路当时的设计标准，在气象重现期、杆塔荷载、断线荷载等方面均有提高，即使不对原线路做任何更换，用现行国标校验该线路，也难以满足规范要求，即旧规范设计的线路不满足新规范要求。

再者，随着各地区220 kV电网的加强，220 kV线路的短路电流逐年增大，线路发生单相接地故障时，架空地线中的短路电流也逐年增大。发生单相接地短路故障后，应计算流经地线的故障电流，并校核其热稳定性是否满足。而满足系统短路容量要求的OPGW光缆在直径、重量或拉断力等方面会大于原地线，这就导致了其风荷载、垂直荷载、纵向张力大于原线路地线，铁塔地线荷载超原荷载。

由上述分析可以看出，老旧线路增设OPGW光缆存在以下问题:

(1)适用标准的问题，即老旧线路是按当时的电力行业标准进行的设计，应该按哪个标准对增设光缆后的铁塔进行校验分析是首先需要确定的问题;

(2)如何按照系统短路容量正确计算选择出满足电气设计条件的，且对铁塔荷载增加最小的OPGW光缆型式的问题;

(3)对增设OPGW光缆后铁塔受力分析校验及改造的问题。

1 设计标准情况分析

我国的结构设计理论，经历了从早期的安全系数法、容许应力法、现行的以概率理论为基础的极限状态设计法的替换，设计规范也随设计理论、方法的变化、生产力发展水平的提高、材料理论的完善而逐步完善，我国几次设计标准变化情况如下所述。

1.1 电气方面

(1)SDJ3-79《架空送电线路设计技术规程》(水利电力部)，下简称79行标;

(2)DL/T 5092-1999《110～500 kV 架空送电线路设计技术规程》(中华人民共和国国家经济贸易委员会)，下简称99行标;

(3)GB 50545-2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》(中华人民共和国住房和城乡建设部)，下简称10国标。

三部规程的主要变化有:①在气象重现期的变化由15年改为30年，增加了气象(大风、覆冰、低温等)条件的载荷(效应);②地线覆冰厚度增厚5 mm以上，相应增加了载荷(效应);杆塔导线荷载取值方面，同样是增加荷载效应。

1.2 结构方面

(1)SDJ3-79《架空送电线路设计技术规程》(水利电力部);

(2)90版SDJ 94-90《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(能源部电力规划设计管理局);

(3)DL/T 5154-2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(中华人民共和国国家经济贸易委员会)，于2002年颁布。

三部规程的主要变化有:①在DL/T 5154-2002中，根据我国《建筑结构设计统一标准》采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，替代了(原有的)容许应力法和安全系数法等设计方法;②随着生产力水平的提高、生产技术的进步，以及材料理论和技术的不断进步，相应的材料标准、设计标准的变更也得以逐步修正;③总体上，设计抗力是随着生产力、经济技术发展水平的提高而不断提高，换句话说，就是同样的结构构件，按以前标准设计的结构构件的承载力比按后期标准设计的总体上要小一些。

由此可见，现行规范的输电线路结构设计标准的载荷效应增大，而原有输电线路铁塔结构构件的承载力是在减小，如果按现有设计标准进行校核，有可能多数构件(或基础)会存在效应大于抗力的情况，即:R(抗力)＜S(效应)。

根据10国标第1.0.2规定的条文解释，明确了10国标的适用范围如下所述。

对已有架空输电线路的大修和技术改进工程，应结合本地区具体情况，本着节约的精神，逐年改建，有关部分可参照本规范进行。

原有架空输电线路的升压和改建，本规范没有作具体规定，应根据本地区线路的运行经验确定。但由于各地升压经验各有不同的特点，标准也不一致，暂时还不能作出统一的规定，有待进一步经验的积累。因此，提出原有架空输电线路升压改建可参考本地区已有线路的运行经验，升压标准由各主管部门掌握。

对此，我们认为应尊重历史条件，在多年运行经验的基础上，按照当时的设计规范和设计理论进行校验，在载荷效应不增加的情况下，进行结构设计的校核和光纤的选择，还要适当考虑结构耐久性的影响，酌情考虑结构抗力的折减，或适当考虑更换部分锈蚀严重的结构构件。

2 老旧线路设计信息分析

根据重庆地区2000年之前设计的线路信息，大部分线路按79行标设计，有的按99行标设计。

79行标、99行标设计的铁塔地线大多是GJ-50钢绞线，这基本上是当时的“典设”。

以长新一、二回线路为例，该线路是500 kV长寿变电站220 kV改接工程形成的长寿站—东新村站双回220 kV线路，建于1997年，其两端变电站5.14 km为新建，其余为利用已建杆塔。新建段线路导线采用LGJX-400/35稀土锌铝合金镀层钢芯铝绞线，地线为 GJ-50钢绞线。铁塔采用 YJ33、SJ1、SJ2、SZT1、SZT3等79行标设计的铁塔。线路设计覆冰为0 mm。

3 设计原则的选取建议

3.1 光缆选择论述

220 kV线路上架设OPGW光缆设计原则，主要考虑短路电流的选择、故障持续时间的选择、起始温度选择、最高温度的选择、分流原则，以及OPGW外股直径的选择等设计原则。

因拟增容光缆线路原地线设计为GJ-50钢绞线，其拉断力、截面、重量均较小，而满足系统短路热稳定要求的OPGW光缆截面基本均大于GJ-50，重量和拉断力可能会大于GJ-50，这主要取决于系统短路电流计算及地线分流计算，该计算的准确性将决定光缆的参数，对增设光缆难度影响很大。因此有必要对系统短路电流和地线分流进行详细分析和准确计算。

以长(寿)—(东)新(村)线为例，对增设OPGW光缆选择进行分析计算。线路单相接地时的短路电流曲线如图1所示。

图1 短路电流曲线图

根据短路电流数据，为满足短路热稳定要求并尽量减少杆塔荷载，我们初选铝包钢绞线配合OPGW光缆。我们初选JLB40-95、JLB40-80型铝包钢绞线;OPGW 光缆初选 OPGW-70、OPGW-90、OPGW-100等型号。

普通地线允许短路电流值如表1所示。

表1 普通地线允许短路电流值

3.2 地线分流计算

3.2.1 短路点发生在1#终端塔处

该情况下的短路电流最大，两侧变电站提供的短路电流约为:40.9 kA、0.32 kA;

按不同地线组合，计算地线分流如表2所示。

表2 OPGW光缆允许短路电流值

计算中按大地电阻率500 Ω·m，进站2 km，杆塔接地电阻0.5 Ω，其余地段接地电阻15 Ω计算。

3.2.2 短路点发生在4#塔处

该情况下的短路电流已衰减，两侧变电站提供的短路电流约为:35.9 kA、1.18 kA;计算条件同上，经计算地线分流与上汇总如表3所示。

表3 不同地线组合分流情况表

3.3 光缆选择结论

根据上述计算结果可以得出以下三点结论。

(1)终端塔处短路时，若不更换GJ-50钢绞线，OPGW光缆截面将选择得很大，OPGW-150都不能满足短路热稳定要求。而在第四档短路时，若不更换GJ-50钢绞线，光缆截面仍需选择得较大(OPGW-100以上)，所以在增设OPGW光缆时，为满足短路热稳定要求，避免OPGW光缆分流过大、截面选择过大而增加杆塔荷载，应更换GJ-50钢绞线为良导体地线。

(2)在变电站出线1 km内短路电流较大，选择JLB40-95与OPGW-100能较好地配合，满足短路热稳定要求，但较原地线荷载增加较多。

(3)在1 km后短路电流已衰减较多，选择JLB40-80与OPGW-70既可满足短路热稳定要求，又较原地线荷载增加较小。

上述结论具有一定的代表性，即在距变电站较近的进出线1～2 km范围内系统短路电流较大，需选择较大截面的OPGW光缆和地线方能满足系统短路容量要求;而在较长线路中间段，或终端站等的线路末端系统短路电流较小，这时可选择较小截面的OPGW光缆即可满足系统短路容量要求，甚至可以选择OPGW-50等光缆，这与原地线各项指标接近，但包括上述OPGW-70、OPGW-50等光缆均为中心管式光缆，性能上较层绞式光缆稍欠缺些。

3.4 荷载比对

更换普通地线为OPGW光缆前后，以表4档距条件为假定条件，计算各地线荷载如表4所示。

表4 地线计算荷载表

综上，在出站1 km附近，将原普通地线GJ-50更换为 JLB40-95与 OPGW-100，其余段更换为JLB40-80与OPGW-70可以满足系统热稳定需求，且荷载变化不大。

4 对更换复合光缆后的铁塔进行校验分析

根据上述新地线荷载进行铁塔校验。具体校核方法可以考虑以下3种。

4.1 机械参数对比法

对比指标如下:

(1)光缆直径;(2)光缆重量;(3)光缆纵向拉断力。

该方法就是对新旧地线的各项指标直接对比比较。如果各项指标皆小于已有线路光纤指标，新建光纤因各种自然“力”作用于铁塔及基础结构的荷载，小于等于原有线路光纤作用于铁塔及基础结构的荷载，那么可以认为光纤改造对原有线路结构安全无影响。

若新地线部分指标大于原地线，则可以进一步对新旧地线的荷载进行详细分析，需对更换地线的杆塔逐基进行荷载校验。荷载可按上述指标分为三个荷载对比，第3项指标可以直接对比，指标1、2对比如下所示。

①杆塔水平荷载校验:

式中，G4为原地线大风时的水平荷载;LH为原杆塔的设计水平档距;G'4为大风时光缆水平荷载;L'H为杆塔实际水平档距。

从式(1)可以看出，即使G'4＞G4，只要分别乘以实际水平档距与最大设计水平档距后，满足式(1)的要求，也可以认为更换光缆后，杆塔荷载满足要求。

②杆塔垂直荷载校验:

式中，G3为原地线覆冰时的垂直荷载;LV为原杆塔的设计垂直档距;G'3为覆冰时的光缆垂直荷载;L'V为杆塔实际垂直档距。

从式(2)可以看出，即使G'3＞G3，只要分别乘以实际垂直档距与最大设计垂直档距后，满足式(2)的要求，也可以认为更换光缆后杆塔荷载满足要求。

根据工程经验，绝大多数杆塔更换OPGW光缆后水平、垂直荷载、纵向拉力均能满足原设计要求，对于个别杆塔不能满足要求的，需要对该个别杆塔地线支架进行补强处理，处理后经过验算均达到杆塔的荷载要求。

4.2 合力法

对于上述对比法，所选择的光纤范围比较窄，有时无法选出适宜光缆。应考虑适当加大光纤截面，在满足导地线配合的条件下，适当减少纵向拉断力，或选择重量较轻的光缆。总之使新光缆在设计气象条件下(一般为大风、覆冰、低温、断线条件)的水平力、垂直力、纵向力的合力小于或等于原线路地线条件的合力。即:将新、旧地线在大风、覆冰、低温、断线条件下的水平力、垂直力、纵向力分别求出，再计算其合力，一般意义上讲，合力较小产生的效应也较小，即为安全的，但实际上，力的方向是有所改变的，杆塔结构由于杆件截面的大小存在差异，方向不同的截面性质差异大，所以方向变化可能导致结构出现安全问题。这种方法可用于可行性研究阶段、初步设计阶段及工程的总体估计阶段。对于施工图设计阶段，建议对空间桁架模型进行结构分析，对前后应力变化的情况进行模拟，还要对设计进行分析。

4.3 塔结(基础)杆件校核

对于更改后的光缆物理力学性能与原地线参数相比存在较大差异的情况，用以上两种方法校核比较困难，应全面分析杆件受力变化的情况，以及是否有安全富裕度或足够的安全储备，一般意义上讲应力强度比达到105%，工程上认为是可行的。

对于杆塔结构的结构分析有两种计算方法:一是传统经典计算方法;二是计算机软件方法。

现以上述线路常用的SJ1型耐张塔和SZT3型直线塔为例，使用软件对更换OPGW光缆前后的铁塔结构受力进行分析，换成OPGW-70后比较，可得以下三点。

(1)线径由原来的9 mm，增加到11.4 mm，水平力，风荷载增加较多。

(2)地线每米重量由原来的423.7 kg/m减少到340 kg/m，垂直荷载减少19.75%，垂直档距富裕度较大。

(3)纵向拉断力由60.564 kN，减少到44 kN，如果保持原有安全系数一致情况下，纵向力减少，纵向力富裕度较大。

(1)、(2)、(3)分别表示水平力、垂直力和纵向力的大小、变化情况，本工程除水平力比原线路增大较多外，其余两项的富裕度都有较大的减少。

根据对以上合力法的分析，可较为方便地估计出合力总体上比原有荷载小，而且初步估计出铁塔杆件(除个别构件)由于合理方向改变而产生应力增大外，大部分杆件在原有设计标准条件下是比原有应力有所减少，可认为改造工程具有可实施性，改造工作量不大，更换的铁塔构件少，工期耽误不大，停电时间较短，工程可实施性较高。

一般来说，地线相对于导线不论在线径上、重量上，还是在拉断力上都小得多，更换过后，铁塔整体基础受力变化较小，控制在原有基础力的105%比较容易。但是杆塔部分，特别是在上导线横担以上的塔头部分杆件的应力变化就较明显，应特别关注。

4.3.1 转角塔荷载计算

转角塔，塔型SJ1-18，转角度数0～30度，水平档距506 m，垂直档距573 m，地线GJ-50。经系统建模、计算，SJ1转角地线支架构件使用应力对比见表5。

表5 地线支架使用应力对比表

比较结果，地线支架主要受力，较原线路杆件受力减少。

4.3.2 直线塔荷载计算

直线塔，塔型SZT3-24，水平档距611 m，垂直档距686 m，经系统建模，计算改造前后SZT3的内力，SJ1转角地线支架构件使用应力比对比见表6。

表6 地线支架使用应力对比表

按照更换地线为OPGW-70，原铁塔在各工况组合下地线支架构件无超限情况，塔身构件受力相应于原GJ-50钢绞线时减小，满足原线路原有铁塔结构安全要求，不更换原有杆件即可实施。

5 结论及建议

通过上述分析，我们认为对已建220 kV线路增设OPGW光缆具有可操作性。

更换时应注意以下几点事项。

(1)对改造设计标准问题，按照当时设计规范和设计理论进行校验，在载荷效应不增加的情况下进行结构设计的校核和光纤的选择，还要适当考虑结构耐久性的影响，酌情考虑结构抗力的折减，或适当考虑更换部分锈蚀严重的结构构件。

(2)对OPGW光缆选择应对短路电流、地线分流进行详细计算，选择满足条件的与原地线物理参数尽量接近的光缆。这点特别需要注意，不能用母线处短路电流简单地估算OPGW光缆的分流，需要进行建模详细计算。

(3)在对旧有线路更换OPGW光缆工程时，若两根地线均为钢绞线的线路，宜采取更换两根地线为良导体地线并与OPGW光缆进行短路电流分流。

(4)如果采用良导体地线分流后，杆塔地线荷载仍超出原杆塔设计能力，就需要根据每基杆塔实际水平档距重新进行核算，看该杆塔水平荷载能力是否用满。一般情况下杆塔水平档距都离上限有一定裕度，如果计算后杆塔水平荷载的确超出荷载要求，可以采取杆塔地线支架补强的方法进行杆塔局部补强，一般不应考虑更换或增加线路杆塔。

［1］ 袁敬中，张国华，彭 岱，等.220 kV架空送电线路OPGW设计原则［J］.华北电力技术，2007，(11):5-6，25.

［2］ 陈洪波，邹军，袁建生，等.复合光缆地线(OPGW)设计选型中的最大短路电流计算［J］.华北电力大学学报，2002，(Supp1):88-91.

［3］ 韩立奎，张兆华，宋桂珠.送电线路更换地线复合光缆(OPGW)的设计［J］.电工技术，2009，(3):17-18.