专利名称：一种光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法
技术领域：
本发明涉及设计方法，具体讲地涉及ー种光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法。
背景技术：
IlOkV及以上的输电线路中普遍采用双地线。以往设计地线时选用两根完全一祥的缆线，采用相同的接地方式，能均匀承担短路电流和雷闪电击。在双地线系统中，引入的光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPWG)与普通分流地线的机电參数只能尽量接近，缆径、自重、额定抗拉强度、弹性模量、线膨胀系数、直流电阻、热容量等总有差异，有时还相互牵制。參数的不匹配导致二者分流不均，遭雷击概率不等等问题。从运行来看，由于原来线路的普通地线大都采用镀锌钢绞线，而镀锌钢绞线与 光纤复合架空地线的阻抗差别较大(约为光纤复合架空地线的2倍)，所以光纤复合架空地线的分流一般都大于另外一根分流地线，也更容易出现雷击断股现象。由于光纤复合架空地线兼有通信通道的作用，长期分流过大或频繁出现雷击断股现象，势必影响到光纤复合架空地线的机电性能，最終导致无法安全、可靠运行，进而影响其通信功能，最终危及到电网的安全运行。随着输电线路不断地向大容量、大高度、大档距、特高压方向发展，输电线单相对地短路电流不断増大，光缆更容易遭受雷击，有必要对光纤复合架空地线防雷击性能和双地线分流问题进行研究。光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite OverheadGround Wire, OPWG)为具有电カ架空地线和光纤通信能力双重功能的金属光缆。光纤复合架空地线和地线的机械性能匹配需要重点关注弧垂的匹配。地线的弧垂由导线、地线间的安全距离决定，而光纤复合架空地线的弧垂要求和地线保持一致。但由于二者的结构和材料存在差异，很难做到弧垂相等。其不匹配结果使光纤复合架空地线更易遭受雷击，发生断股现象。有必要深入研究它们的结构差异，寻找解决机械性能匹配的方法。在接地方式上，光纤复合架空地线采用逐塔接地；地线在发电厂或变电所出口、入ロ端多采用逐塔接地方式，在中间段采用分段绝缘一点接地的方式。由于二者接地方式迥异，可能会影响到它们遭受雷击的概率，使短路电流在两根地线间进行不均匀分配。通过模拟实验和理论分析，找到光纤复合架空地线易断股的原因，解决分流不均的问题。目前光纤复合架空地线尚没有统ー的设计标准，其集机电特性、热稳定和通信光纤的各种要求于一体，各參数之间相互制約。光纤复合架空地线的生产厂家由于设计理念、生产エ艺和制造设备的差异，其产品的參数各有偏重。这就导致即便是各个厂家的光纤复合架空地线參数均分别满足要求，该产品的整体特性是否满足线路工程的要求还必须通过设计人员进行校验确认。有必要研究综合考虑各因素的光纤复合架空地线设计与选取原贝1J，规范光纤复合架空地线的设计与生产，达到优化其机电性能和提高安全稳定性的目的。光纤复合架空地线的电气性能以短路电流容量和耐雷击性能为主；机械性能以额定拉断カ为主、结构尺寸以外径或横截面积为主是光纤复合架空地线的三大特性。光纤复合架空地线与地线(Ground Wire, GW)匹配设计的目的就是优化这三个性能,实现地线系统的安全运行和通信数据的高质量传输。这要求光纤复合架空地线具有足够的机械强度以满足各种环境下的受カ要求；要有足够的热容量以应对短路电流引起的温升；还要有良好的耐雷性能。这些技术指标存在相互制约的关系，设计时应根据实际情况，协调各个指标。目前，输电线路地线系统通常采用光纤复合架空地线和普通地线的配合，但是光纤复合架空地线光纤复合架空地线与普通地线尚没有统ー的设计标准，在双地线系统中，引入的光纤复合架空地线与普通分流地线的机电參数只能尽量接近。由于光纤复合架空地线各參数之间相互制约，工程建设时如果没有很好的进行综合分析与统ー设计，彼此之间的整体性能不能很好的匹配，容易产生光纤复合架空地线与普通地线之间分流不均、光纤复合架空地线遭雷击概率増大等问题。如果光缆使用寿命按30年计算，由于雷击断股或短路故障的发生，就会大大降低光纤复合架空地线的使用寿命。因此有必要对光纤复合架空地线与普通分流地线设计与选取原则进行研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供ー种光纤复合架空地线与分流地线匹配的设计方法，该方法有利于保障OPGW光缆运行质量，減少事故发生率，延长光缆使用寿命，规范OPGW设计选型与工程建设，对保证电カ通信网的安全稳定运行具有重要意义。本发明的目的是采用下述技术方案实现的ー种光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤(I)结构设计阶段确定电气性能參数和机械性能參数与分流地线匹配度在匹配范围内且满足线路设计要求的光纤复合架空地线；(2)优化选型阶段确定光纤复合架空地线按照优化目标排序并且核算热效应和工程中的动态弧垂差值验证；(3)试验验证阶段优化目标排序后的光纤复合架空地线进行试验验证。本发明提供的一种优选的技术方案是所述步骤(I)包括下述步骤①确定所述地线的电气性能參数；所述电气性能參数包括导电率、截面积、结构、单丝直径、线路的档距、相线与地线间距、地线间距、短路电流设计值和导线电流设计值；②确定筛选光纤复合架空地线的基本依据；所述基本依据包括短路电流容量或线路短路电流最大温升以及最大运行张力；③设定所述光纤复合架空地线的单丝直径和导电率的匹配范围；④枚举单丝直径和导电率匹配范围内的光纤复合架空地线的各种组合；⑤计算所述光纤复合架空地线组合的静态參数；⑥计算光纤复合架空地线与分流地线组合而成的地线系统的工程应用參数，淘汰不符合线路工程应用要求的光纤复合架空地线，筛选出与分流地线匹配的光纤复合架空地线； 所述工程应用參数包括分流比、线路短路电流温升和动态环境下的弧垂差值；⑦若需要继续调节光纤复合架空地线的导电率匹配范围，扩大导电率的匹配范围> +10%，重复进行光纤复合架空地线枚举和理论筛选；⑧若步骤③光纤复合架空地线单丝直径和导电率的匹配范围内没有与所述地线匹配的光纤复合架空地线，扩大单丝直径的匹配范围为+6% +10%，重复进行光纤复合架空地线的枚举和理论筛选。本发明提供的ー种较优选的技术方案是在进行步骤①-⑧时遵循的原则为I、根据环境电磁影响、电流集肤效应和热传递因素计算光纤复合架空地线的短路电流容量；II、根据与地线之间的分流比和线路设计中的地线系统短路要求，检验光纤复合架空地线所述短路电流温升是否满足设计的温度；III、所述光纤复合架空地线结构和各层单丝直径配合紧实；
IV、所述单丝直径的变化范围取O. 05mm的整数倍；V、所述光纤复合架空地线最外层单丝直径不小于邻外层。本发明提供的第二优选的技术方案是所述步骤(2)包括下述步骤a、确定优化目标、优化目标匹配度函数f(i)和匹配差函数D(i)；b、分别确定匹配的光纤复合架空地线短路电流容量和额定拉断力的匹配差比重a和 b,且 a+b = I οC、计算优化目标的匹配度函数值0(i)；d、所述优化目标匹配度函数值0(i)按降序排列，得出优化目标匹配度的优化顺序。本发明提供的第三优选的技术方案是所述步骤(2)中核算热效应由短路电流温升验证实现；所述短路电流温升验证包括下述步骤i、载入t = O时刻的初始温度；ii、将短路电流按指数分布分配法则分配在光纤复合架空地线各层；iii、计算t时刻光纤复合架空地线各层短路电流所产生的热量、相邻层传递的能量以及最外层能量散失，得出最后的能量散失；iv、计算t时刻能量散失后的光纤复合架空地线的温度；V、时间变成t = t+At，返回步骤ii，直到时间t等于短路电流持续时间；vi、计算t = t+Λ t时刻光纤复合架空地线各层短路电流所产生的热量、相邻层传递的能量以及最外层能量散失，得出最后的能量散失；vii、计算t = t+Λ t时刻能量散失后的光纤复合架空地线的温度；viii、时间变成t = t+Δ t,返回步骤vi,直至温度达到稳定值；ix、输出温度的稳定值。本发明提供的第四优选的技术方案是所述步骤(2)中的动态弧垂差值验证包括下述步骤I)通过优化选型得到与地线匹配的M(M为自然数)组光纤复合架空地线，使档距和初始弧垂相同；2)判断工程中光纤复合架空地线的平均运行张力和安全系数是否满足工程要求；不满足要求的去掉，满足要求的进行下一步检验；3)判断工程中光纤复合架空地线与地线的弧垂差值X是否满足工程要求；不满足要求的去掉，满足要求的进行下一歩；4)在最大气象条件下，挑选与地线弧垂差最小的光纤复合架空地线，所述与地线弧垂差最小的光纤复合架空地线即为与地线最匹配的光纤复合架空地线。本发明提供的第五优选的技术方案是所述步骤(3)中进行试验验证包括下述步骤A、确定工程应用的地理环境和气象条件；B、根据工程要求设定电气性能參数和机械性能參数及标准要求，确定试验验证方案；C、如果不满足电气性能參数和机械性能參数及标准要求(详见DL/T 832-2003光纤复合架空地线)，根据试验结果，通过调整光纤复合架空地线外层单丝直径和导电率的措施重新进行优化设计并试验验证，直至满足工程设计要求(在招标时对參数有要求)。本发明提供的另ー较优选的技术方案是所述工程应用的地理环境和气象条件包括如下情况如果为高雷暴日地区，考虑光纤复合架空地线的电气性能；确定光纤复合架空地线的耐雷击能量及判定要求(參见DL/T 832-2003光纤复合架空地线中8. 7. 2中雷击试验验收要求)，对于特高压工程选择200C不断股的验收判定，通过试验进行确认产品是否满足要求；如果为重覆冰地区，考虑光纤复合架空地线的机械性能；核定设计覆冰厚度，选择合适的截面和抗拉强度，进行设计覆冰厚度下的抗拉性能、应カ应变和风振舞动机械性能试验验证；如果为大跨越工程，考虑光纤复合架空地线的机械性能；在考虑抗拉强度、拉重比的同吋，进行大跨越防振方案试验验证；对于地线系统接地方式或分流比的验证，则根据工程情况、线路情况和档距情况进行方案设计验证；如果为高污染地区、高寒地区和超长站距应用需要设计相应的试验方案进行试验验证。ー种光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法，涉及到的是两种地线，ー种带光纤的地线，ー种普通地线。与现有技术比，本发明达到的有益效果是I、本发明提供的光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法综合考虑理论计算结果与实验研究成果，避免遗漏结构设计合理的0PGW，丰富OPGW的可选方案，同时避免盲目试验带来的经济、成本浪费，提高选型效率。2、本发明提供的光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法综合考虑电气性能匹配和机械性能匹配的因素，避免某ー參数设计不合理或缺乏考虑带来的运行安全隐患、保证电カ线路运行安全可靠；同时在经济成本总和考虑下，提供更为可靠、合理的设计方案，节省成本投资。3、本发明提供的光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法综合考虑地线系 统的短路分流比例，这综合考虑地线系统的等效电路，根据线路两端的OPGW较线路中间的OPGff具有更高的热效应、普通地线绝缘段内的OPGW需承载更大的短路电流等研究结论，提出地线两端和普通地线绝缘段内的OPGW具有良好的电气性能，线路中间档、普通地线分流的档内可适当降低OPGW电气性能的设计理念，可用于在满足线路安全、可靠、稳定的条件下，在不同的档内选择不同的OPGW光缆，节省经济投资。4、本发明提供的光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法综合考虑工程应用中各种环境对弧垂变化的影响，全面考虑了地线系统在实际运行中的风险，避免在线路投入运行后因气象条件变化造成线路故障。5、本发明提供的光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法综合考虑趋肤效应、热传递等因素对短路电流分流温升的影响，更精确的计算出OPGW的因短路造成的最大温升，从何核算该温升是否在OPGW正常运行范围内，对保证OPGW长期可靠运行提供重要支撑。
图I是本发明提供的光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法的流程图；图2是本发明提供的结构设计阶段的流程图；图3是本发明提供的优化选型阶段的流程图；图4是本发明提供的短路电流引起的温升验证流程图；图5是本发明提供的动态环境下弧垂验证的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进ー步的详细说明。如图I所示，图I是本发明提供的光纤复合架空地线(OPGW)和普通地线匹配的设计方法的流程图。本发明针对已选定的普通地线，选择与其匹配的光纤复合架空地线OPGW时，有结构设计阶段、优化选型阶段和试验验证阶段。下面对本发明方法的各个阶段做进ー步的详细说明。(I)结构设计阶段结构设计阶段的目标选出电气性能參数和机械性能參数与普通地线匹配度在一定范围内、且满足线路设计要求的各种光纤复合架空地线OPGW组合。如图2所示，图2是本发明提供的结构设计阶段的流程图，所述步骤⑴的结构设计阶段包括下述步骤①确定普通地线的电气性能參数；电气性能參数包括导电率、截面积、结构和单丝直径，作为OPGW结构设计、导电率和直径基本标准，确定线路的档距、相线与地线间距、地线间距、短路电流设计值、导线电流设计值等參数；②明确OPGW的设计要求，包括短路电流容量或短路电流最大允许温升及最大张力要求，作为筛选OPGW的基本依据；③设定OPGW单丝直径、导电率的匹配范围；④枚举单丝直径、导电率匹配范围内的所有OPGW的各种组合，包括包括各层单丝直径相同或不同、各层导电率相同或不同，甚至光単元数量和位置不同等情況；⑤计算所有OPGW的静态參数，包括阻抗、短路电流容量和张カ等參数，淘汰不符合线路设计要求的OPGW ；
⑥计算OPGW与地线组合而成的地线系统的工程应用參数，包括分流比、线路短路电流温升、相同环境下的弧垂的差值等，再次淘汰不符合线路工程应用要求的0PGW，最終初步筛选出理论匹配的OPGW ；⑦若需要继续调节OPGW的导电率匹配范围，可进ー步扩大导电率的匹配范围>+10%,重复进行OPGW枚举、理论筛选；⑧若步骤③设定的OPGW单丝直径、导电率的匹配范围内没有与之匹配的0PGW，即图2中的k = 0，则需扩大单丝直径的匹配范围+6% +10%，重复进行OPGW枚举、理论筛选。K是导电率和截面积在匹配设计范围内，满足短路电流容量、弧垂等要求的OPGW数量。进行步骤①-⑧的关键原则如下I,OPGff短路电流容量计算时应充分考虑环境电磁影响、电流集肤效应和热传递等因素。II、检验OPGW短路电流温升是否满足设计的温度要求吋，应根据与地线之间的分流比，结合线路设计中要求的地线系统短路电流温升要求，进行综合考虑。III、OPGW结构合理，各层单丝的直径配合应能够紧实。IV、单丝直径的变化范围取为O. 05mm的整数倍。V、最外层单丝的直径一般情况下不小于邻外层。(2)优化选型阶段优化选型阶段目标是将理论设计中的多种OPGW按照优化目标进行排序；并且核算热效应和工程中的动态弧垂验证。如图3所示，图3是本发明提供的优化选型阶段的流程图；所述步骤(2)的优化选型阶段包括下述步骤a、首先确定匹配优化目标、匹配优化目标函数f(i)或匹配差函数D⑴，OPGW与地线匹配的參数包括电气性能參数、机械性能參数，一般情况下各參数匹配情况不一致，即电气性能參数最优时机械性能參数不一定最优，因此，需综合权衡两者之间的权重；b、对于电气性能最终归结为短路容量，机械性能归结为额定拉断力(ratedtensile strength, RTS)的匹配，地线系统的匹配度应综合考虑短路容量和RTS ;C、确定OPGW短路容量和RTS的匹配差比重，分别为a和b，其中a+b= I。对于重点考虑雷击性能的线路，需增加雷击当量因素。计算优化目标的匹配度函数值0(i)；d、将f(i)的函数值0(i)按降序排列，则即得到匹配优化的顺序。匹配优化目标函数的表达式应具有以下特点综合体现电气性能和机械性能匹配的程度；当单个參数的匹配度均为I时综合匹配值应为1，或者匹配差为O。对于特点环境，电气性能匹配和机械性能匹配的权重值有所区別。为此，提出以下匹配度和匹配差的函数表达式。匹配度公式f ⑴=B1XQ-匹配度(i)+a2XC_ 匹配度(i)+bXRTS_ 匹配度(i) <1> ；其中a1+a2+b = I ；
权利要求
1.ー种光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤 (1)结构设计阶段确定电气性能參数和机械性能參数与分流地线匹配度在匹配范围内且满足线路设计要求的光纤复合架空地线； (2)优化选型阶段确定光纤复合架空地线按照优化目标排序并且核算热效应和工程中的动态弧垂差值验证； (3)试验验证阶段优化目标排序后的光纤复合架空地线进行试验验证。
2.如权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(I)包括下述步骤 ①确定所述地线的电气性能參数；所述电气性能參数包括导电率、截面积、结构、单丝直径、线路的档距、相线与地线间距、地线间距、短路电流设计值和导线电流设计值； ②确定筛选光纤复合架空地线的基本依据；所述基本依据包括短路电流容量或线路短路电流最大温升以及最大运行张力； ③设定所述光纤复合架空地线的单丝直径和导电率的匹配范围； ④枚举单丝直径和导电率匹配范围内的光纤复合架空地线的各种组合； ⑤计算所述光纤复合架空地线组合的静态參数； ⑥计算光纤复合架空地线与分流地线组合而成的地线系统的工程应用參数，淘汰不符合线路工程应用要求的光纤复合架空地线，筛选出与分流地线匹配的光纤复合架空地线； 所述工程应用參数包括分流比、线路短路电流温升和动态环境下的弧垂差值； ⑦若需要继续调节光纤复合架空地线的导电率匹配范围，扩大导电率的匹配范围>+10%,重复进行光纤复合架空地线枚举和理论筛选； ⑧若步骤③光纤复合架空地线单丝直径和导电率的匹配范围内没有与所述地线匹配的光纤复合架空地线，扩大单丝直径的匹配范围为+6% +10%，重复进行光纤复合架空地线的枚举和理论筛选。
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，在进行步骤①-⑧时遵循的原则为 I、根据环境电磁影响、电流集肤效应和热传递因素计算光纤复合架空地线的短路电流容量； II、根据与地线之间的分流比和线路设计中的地线系统短路要求，检验光纤复合架空地线所述短路电流温升是否满足设计的温度； III、所述光纤复合架空地线结构和各层单丝直径配合紧实； IV、所述单丝直径的变化范围取O.05mm的整数倍； V、所述光纤复合架空地线最外层单丝直径不小于邻外层。
4.如权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括下述步骤 a、确定优化目标、优化目标匹配度函数f(i)和匹配差函数D(i)； b、分别确定匹配的光纤复合架空地线短路电流容量和额定拉断力的匹配差比重a和b，且 a+b = I ο C、计算优化目标的匹配度函数值0(i)； d、所述优化目标匹配度函数值0(i)按降序排列，得出优化目标匹配度的优化顺序。
5.如权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中核算热效应由短路电流温升验证实现；所述短路电流温升验证包括下述步骤i、载入t= O时刻的初始温度； ii、将短路电流按指数分布分配法则分配在光纤复合架空地线各层； iii、计算t时刻光纤复合架空地线各层短路电流所产生的热量、相邻层传递的能量以及最外层能量散失，得出最后的能量散失； iv、计算t时刻能量散失后的光纤复合架空地线的温度； V、时间变成t = t+At，返回步骤ii，直到时间t等于短路电流持续时间； vi、计算t= t+Λ t时刻光纤复合架空地线各层短路电流所产生的热量、相邻层传递的能量以及最外层能量散失，得出最后的能量散失； vii、计算t= t+At时刻能量散失后的光纤复合架空地线的温度； viii、时间变成t= t+At,返回步骤vi,直至温度达到稳定值； ix、输出温度的稳定值。
6.如权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中的动态弧垂差值验证包括下述步骤 1)通过优化选型得到与地线匹配的M组光纤复合架空地线，使档距和初始弧垂相同； 2)判断工程中光纤复合架空地线的平均运行张力和安全系数是否满足工程要求；不满足要求的去掉，满足工程要求的进行下一步检验； 3)判断工程中光纤复合架空地线与地线的弧垂差值是否满足工程要求；不满足要求的去掉，满足要求的进行下一歩； 4)根据工程应用环境，在当地最大覆冰厚度和风カ条件下，挑选与地线弧垂差值最小的光纤复合架空地线，所述与地线弧垂差最小的光纤复合架空地线即为与地线最匹配的光纤复合架空地线。
7.如权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中进行试验验证包括下述步骤 A、确定工程应用的地理环境和气象条件； B、根据工程要求设定电气性能參数和机械性能參数及标准要求，确定试验验证方案； C、如果不满足电气性能參数和机械性能參数及标准要求根据试验结果，通过调整光纤复合架空地线外层单丝直径和导电率的措施重新进行优化设计并试验验证，直至满足工程设计要求。
8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述工程应用的地理环境和气象条件包括如下情况 如果为高雷暴日地区，考虑光纤复合架空地线的电气性能；确定光纤复合架空地线的耐雷击能量及判定要求，对于特高压工程选择200C不断股的验收判定，通过试验进行确认产品是否满足要求； 如果为重覆冰地区，考虑光纤复合架空地线的机械性能；核定设计覆冰厚度，选择合适的截面和抗拉强度，进行设计覆冰厚度下的抗拉性能、应カ应变和风振舞动机械性能试验验证； 如果为大跨越工程，考虑光纤复合架空地线的机械性能；在考虑抗拉强度、拉重比的同吋，进行大跨越防振方案试验验证； 对于地线系统接地方式或分流比的验证，则根据工程情况、线路情况和档距情况进行方案设计验证；如果为高污染地区、高寒地区和超长站距应用需要设计相应的试验方案进行试验验证。
全文摘要
本发明涉及一种光纤复合架空地线和普通地线匹配的设计方法。该方法包括下述步骤(1)结构设计阶段确定电气性能参数和机械性能参数与分流地线匹配度在匹配范围内且满足线路设计要求的光纤复合架空地线；(2)优化选型阶段确定光纤复合架空地线按照优化目标排序并且核算热效应和工程中的动态弧垂差值验证；(3)试验验证阶段优化目标排序后的光纤复合架空地线进行试验验证。本发明提供的方法有利于保障OPGW光缆运行质量，减少事故发生率，延长光缆使用寿命，规范OPGW设计选型与工程建设，对保证电力通信网的安全稳定运行具有重要意义。
文档编号H02G1/02GK102684105SQ20121012055
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者丁慧霞, 戚力彦, 滕玲, 陈希 申请人:中国电力科学研究院