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智能電網(wǎng)被稱為“能源互聯(lián)網(wǎng)”,以網(wǎng)架堅強、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動的特性著稱,被稱為承載第三次工業(yè)革命的基礎平臺,對第三次工業(yè)革命具有全局性的推動作用。智能電網(wǎng)離不開電力通信系統(tǒng)的健壯和優(yōu)化,這也是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的必備條件之一。為適應電力系統(tǒng)通信的特殊需要,電力特種光纜應運而生。
電力特種光纜是通過電力系統(tǒng)獨有的線路桿塔資源架設,附加于電力線和加掛于電力桿塔上的光電復合式光纜,充分利用架空電力線路走廊。電力特種光纜充分利用電力系統(tǒng)的特有資源,與電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在一起建設,具有經(jīng)濟、可靠、快捷、安全的特點。電力特種光纜受外力破壞的可能性小,可靠性高,雖然其本身造價相對較高,但施工建設成本較低。電力特種光纜是安裝在不同電壓等級的各種電力桿塔上,相對于普通光纜,對其電氣特性、機械特性和光纖特性均有特殊的要求。
特種光纜依托于電力系統(tǒng)自己的線路資源,避免了在頻率資源、路由協(xié)調(diào)、電磁兼容等方面與外界的矛盾和糾葛,有很大的主動權(quán)和靈活性。
電力特種光纜按照敷設布防的方式分為光纖復合架空地線OPGW、光纖復合架空相線OPPC、全金屬自承式光纜MASS、全介質(zhì)自承式光纜ADSS、地線捆綁光纜ADL和地線纏繞光纜GWWOP等幾種。
OPGW光纜主要在500kV、220kV、110kV電壓等級線路上使用,受線路停電、安全等因素影響,多在新建線路上應用。架空地線復合光纜OPGW的突出特點是將通信光纜和高壓輸電線上的架空地線結(jié)合成一個整體,將光纜技術(shù)和輸電線技術(shù)相融合,成為多功能的架空地線,既是避雷線,又是架空光纜,同時還是屏蔽線,在完成高壓輸電線路施工的同時,也完成了通信線路的建設,非常適用于新建的輸電線路。常見的OPGW結(jié)構(gòu)主要有三大類,分別是鋁管型、鋁骨架型和(不銹)鋼管型。
OPGW的適用特點是:(1)高壓超過110kV的線路,檔距較大(一般都在250M以上);(2)易于維護,對于線路跨越問題易解決,其機械特性可滿足線路大跨越;(3)OPGW外層為金屬鎧裝,對高壓電蝕及降解無影響;(4)OPGW在施工時必須停電,停電損失較大,所以在新建110kV以上高壓線路中應該使用OPGW;(5)OPGW的性能指標中,短路電流越大,越需要用良導體做鎧裝,則相應降低了抗拉強度,而在抗拉強度一定的情況下,要提高短路電流容量,只有增大金屬截面積,從而導致纜徑和纜重增加,這樣就對線路桿塔強度提出了安全問題。
OPGW受到短路故障的影響,當線路故障短路電流沖擊OPGW光纜時,不銹鋼單元瞬時高溫,必須提高光纜的短路電流容量,以降低對短路故障對光纜的影響。根據(jù)Q=I2t,也可以通過限制實際短路電流的大小及持續(xù)時間來提高OPGW的耐熱性能。
除了短路故障之外,雷擊是造成OPGW光纜瞬時高溫的另一個因素。與短路故障相比,雷擊的瞬間電流強度更大,但持續(xù)時間很短,因此雷擊導致溫升的熱容量要小于短路產(chǎn)生的熱容量,但短路電流作用于OPGW光纜的整個金屬截面,而雷擊電流只局限于一根或數(shù)根金屬單絲的某一小段上,能量的集中導致這一小段金屬絲上的高溫足以將其局部或完全融化。這就是雷擊造成OPGW光纜斷股的主要原因。
OPGW光纜應用中的主要故障是雷擊導致的斷股,目前的解決方法主要有:1)發(fā)展耐雷的外層股線材料。2000年巴西發(fā)展的高耐雷OPGW,外層股線使用一種高級鍍鋅鋼線和保護光纖的鋁管構(gòu)成,高級鍍鋅鋼需要較多的能量才能在雷擊下熔化。2)外層股線盡量采用鋁包鋼線,并加厚鋁包鋼線的鋁包厚度。3)盡量增加外層股線和內(nèi)層股線之間的設計空氣間隙,避免熱量內(nèi)傳。4)相同材料下,采用更大的外層股線直徑。OPGW光纜的使用材料和結(jié)構(gòu)確定后,其抗雷特性也就決定了。
全介質(zhì)自承式光纜ADSS在制造中采用了具有高彈性模量的高強度芳綸紗作為抗張元件,同時光纜幾何尺寸小,纜重僅為普通光纜的三分之一,可直接架掛在電力桿塔的適當位置上,對桿塔增加的額外負荷很小,最大檔距可達1500m。它的外護套經(jīng)過中性離子化浸漬處理,使光纜具有極強的抗電腐蝕能力,能保證光纜在強電場中的壽命;光纜采用非金屬材料,絕緣性能好,能避免雷擊,電力線出故障時,不會影響光纜的正常運行;利用現(xiàn)有電力桿塔,可以不停電施工,與電力線同桿架設,可降低工程造價。各種各樣的ADSS光纜結(jié)構(gòu)可歸納為最主要的中心管型和層絞型2種。
ADSS光纜在220kV、110kV、35kV電壓等級輸電線路上廣泛使用,特別是在已建線路上使用較多。它能滿足電力輸電線跨度大、垂度大的要求。標準的ADSS設計可達144芯。其特點是:(1)ADSS內(nèi)光纖張力理論值為零;(2)ADSS光纜為全絕緣結(jié)構(gòu),安裝及線路維護時可帶電作業(yè),這樣可大大減少停電損失;(3)ADSS的伸縮率在溫差很大的范圍內(nèi)可保持不變,而且其在極限溫度下,具有穩(wěn)定的光學特性;(4)耐電蝕ADSS光纜可減少高壓感應電場對光纜的電腐蝕;(5)ADSS光纜直徑小、質(zhì)量輕,可以減少冰和風對光纜的影響,其對桿塔強度的影響也很小;(6)ADSS采用了新型材料及光滑外形設計,使其具有優(yōu)越的空氣動力特性。
由于ADSS光纜運行于高壓導線附近,周圍存在強電場,極有可能出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象導致的光纜損壞。目前的解決方法有:1、不同電壓等級的線路中優(yōu)先選用耐電痕外套,110kV及以上的線路務必選用耐電痕材料。2、110kV及以上線路,可以考慮使用防電暈線圈以有效降低金具與光纜表面的電場,減少漏電流。3、220kV及以上線路和掛點場強大的桿塔,防震錘對光纜外表皮的爬電腐蝕較防震鞭要安全得多。4、控制電纜懸掛點的空間電位,110kV不超過15kV,220kV不超過20kV。