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在架空线路中,OPGW(Optical Fiber Composite Ground Wire)光纤复合架空地线是把光缆和地线有机地结合在一起,同时保持架空地线原有的电气和机械性能。如短路电流、雷击电流、抗拉强度等性能。它由光纤单元与绞线层(包括铝包钢AS线、镀锌钢线、铝合金AA线、硬铝线等)组成。OPGW一方面可作为输电线路的避雷线和屏蔽线,对输电导线抗雷闪放电提供保护,在输电线路发生短路时承载短路电流;另一方面可作为传送光信号的介质,传送音频、视频、数据等各种信息,进行多路宽带通信。
目前我国采用直流对导线进行融冰的技术已相对成熟,但对地线和OPGW的直流融冰技术的研究尚处于初始阶段[1]。目前在冰灾多发区对地线OPGW已开始有融冰的需求和应用,相对较高的温度下对光缆光纤的使用寿命影响有待论证,需对OPGW耐高温性能、高温下衰减老化程度进行研究。
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融冰主要是增大地线的传输电流或采用短路电流,将电能转化为热能,达到融冰热平衡而实现融冰,融冰电流和融冰时与各参数之间热平衡关系式如下[2]:
((1)) 式中:I为融冰电流;R0为电阻;Q1为被融化部分的冰的温度从Te(结冰时外界温度)升温到T0(导线融冰温度)吸收的热量;Q2为融化冰所需吸收的热量;Q3为未被融化的冰温度变化吸收的热量;Q4为导线温度从Te升温到To所吸收的热量;Q5为冰表面散失的热量。当导线上通过的电流I,大于上式计算的临界融冰电流Ic。经过时间t,导线上冰层融化并脱落,达到融冰的目的。
目前有电流融冰、交流短路融冰、直流电流加热融冰、高频高压激励融冰及阻线性融冰等方法。近年贵州出现罕见低温冷冻冰凌天气,在110~500 kV交流线路上,投入了直流融冰装置,确保了线路安全。地线融冰考虑利用变电站现有直流融冰装置,兼容导线和地线融冰,南方电网推广直流融冰[3]。
融冰电流为使导线上覆冰融化的电流。融冰电流在导线电阻中产生的热量一部分使冰柱的温度上升至融点,一部分使冰柱融化,一部分损失在从导线表面到冰柱表面的传递途中,还有一部分通过冰柱表面散失,其计算公式如下:
((2)) 式中:Ir为融冰电流,A;R0为0 ℃时的导线电阻,Ω/m;Tr为融冰时间,h;Δt为导体温度与外界气温之差,℃;g0为冰的比重,一般按雨淞取0.9;b为冰层厚度,即覆冰每边冰厚,cm;D为导体覆冰后的外径,cm;RT0为等效冰层传导热阻,(°)·cm/W。
((3)) 式中:d为导线直径,cm;λ为导热系数,W·(°)-1·cm-1,对雨淞λ=2.27×10-2,对雾淞λ=0.12×10-2。
RT为对流及辐射等效热阻,(°)·cm/W,雨淞和雾淞下计算公式分别见式(4)和式(5)。
((4)) ((5)) 式中:V为风速,m/s。
地线最大允许电流是在融冰的短时间内(最长几小时)允许导线达到最高温度所通过的电流,除考虑辐射散热和对流散热外,由于白天有日照,会增加导线的表面温度,故还得考虑架空地线的日照吸热,其计算公式如下:
((6)) 式中:Imax为架空地线最大允许电流,A;Rtmax为架空电线达到最大允许电流时架空地线的单位电阻值,Ω/m;Ws为架空地线的日照吸热,W/m;tmax为架空地线融冰时允许达到的最高温度,一般取tmax=70°C;γ为架空地线吸热系数,新线为0.23~0.46,旧线为0.9~0.95;SI为日照强度,W/m2。
《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)规定验算导线允许载流量时,导线的允许温度宜按下列规定取值[4]:
1)钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线宜采用70 ℃,必要时可采用80 ℃,大跨越宜采用90 ℃。
2)钢芯铝包钢绞线和铝包钢绞线可采取80 ℃,大跨越可采用100 ℃,和或经试验确定。
3)镀锌钢绞线可采用125 ℃。
对比可见,融冰时间短(一般取1 h),南方电网公司导线允许的温度取的大跨越的允许温度,因此地线融冰允许温度铝包钢绞线地线取100 ℃,镀锌钢绞线地线取125 ℃[5]。
地线最大融冰长度即地线融冰过程中,受地线电阻的影响,随着融冰线路的长度增加,其电阻会增大,相应的融冰电压也会增大,而最大融冰电压受融冰装置最大输出功率和地线融冰绝缘子融冰电压控制。
地线融冰主要通过传输电流或采用短路电流等方式,将电能转化成热能达到融冰的目的。由于地线融冰电流受地线长度及地线热稳定性限制,即不能超过其最大允许电流,同时不能低于实现其融冰的最小融冰电流。
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地线融冰主要通过传输电流或采用短路电流型,将电能转换成热能达到融冰的目的,按照其接线方式不同,目前主要有以下几种融冰接线方式:
单极大地回路方式——融冰装置正极与地线相连,地线另一端与大地接地,融冰装置通过地线与大地形成回路实现融冰,如图1所示。
地线回路方式——线路两侧地线在首段分别连接到融冰装置正负极两端,尾端短接形成回路,如图2所示。
导地线回路方式即融冰装置正负极分别连接到融冰地线和一根导线上,尾端将地线与到导线短接形成回路进行融冰,如图3所示。
分段导线回路方式——融冰装置正负极两端分别连接到线路两根导线中,将需要融冰的地线段首尾两端分别连接到两根导线上,形成融冰回路,如图4所示。