嵇建飞

中国水电顾问集团华东勘测设计研究院杭州 310014

摘要：本文以110kV武桐线和宾义线的勘测设计为例详细介绍了一种动态GPS与全站仪相结合的线路测量方法，介绍了钢管杆的导线安全系数和经济档距的选取方法，阐述了OPGW 参数选择的设计经验，给出了一种OPGW与地线配合的设计方法。可为其他工程设计提供借鉴和参考。

关键词：输电线路 GPS 钢管杆安全系数经济档距OPGW 地线

1 引言

众所周知，随着经济的高速发展，高压架空输电线路所经地区往往房屋众多，用传统的全站仪测量，很难迅速在现场就能选出一条最佳路径；另外，在崇山峻岭中，树林茂密，通视条件很差，若用传统的全站仪测量，需花费很大的精力砍出一条通道，或者通过另设辅助站来测量，费时费力。本文介绍了一种采用动态GPS与全站仪相结合的测量方法，可现场快速定出最佳路径，且很少需要砍树。

随着城区规划建设迅猛发展，相应的势必要配套新建一批高压线路。钢管杆以其相对于常规角钢铁塔的占地面积小、外形美观、结构简单、加工容易、施工方便、运行安全可靠、维护工作量少的特点，在新城区的高压架空线路中得到了广泛的应用。由于钢管杆设计本身的灵活性，不同的工程需要根据实际情况选择相应的杆型，确定合适的导、地线安全系数和经济档距。本文给出了一种钢管杆的导、地线安全系数和经济档距的选取方法。

最近几年，光纤复合架空地线（OPGW）作为电力光纤通信的主要传输媒介应用不断深入。因此，在进行常规架空输电线路勘测设计的同时，常常还要进行OPGW线路的设计。OPGW线路设计时首先要考虑的就是OPGW各种参数的选择，如OPGW热容量、OPGW结构、OPGW机械特性等。根据设计经验，本文阐述了一种OPGW参数选择的原则和方法。

由于OPGW的普遍应用，通常在高压架空线路的两根地线中，一根是普通的钢绞线或钢芯铝绞线，一根就是OPGW。由于两种地线的机械特性不同，力学特性曲线也不同。本文提出一种有效的方法来计算架线弧垂，使两种地线在年平气象条件下的弧垂基本一致。

2动态GPS与全站仪相结合的测量方法

随着近年来测量技术的发展，架空送电线路的测量经历了经纬仪→全站仪→动态GPS（全球卫星定位系统）与全站仪相结合的演变过程。采用经纬仪、全站仪测量，现场的通视条件对测量进度的影响很大，有时往往面对成片的树林或其他地物的阻挡而前进缓慢。而且，为判断某座房子距线路中心线的距离，必须画出草图，进行复杂的计算。若距离不满足，调整路径后，又需重新计算。如此繁复的计算，在现场是很不方便的。采用动态GPS与全站仪相结合的测量方法可以很好地解决现场不通视问题，并能快速判断线路中心线与建筑物的水平距离，快速选择最佳路径，操作也很方便。

动态GPS与全站仪相结合测量，简单地说就是由动态GPS测出被测点的坐标与高程，由全站仪来测量地物的高度。同时，利用GPS丰富的软件计算功能，可直接读出有关数据，大大的方便了设计人员的现场路径优化调整。现以我院设计的金华110kV武桐线的测量为例，简述动态GPS与全站仪相结合的测量方法。

金华110kV武桐线总长18.54公里，共60个塔位。1~11号塔经壶山风景区，树林茂密，且其中的2~5号塔的路径从温泉山庄的边上经过。

测量投入的设备有：DTM350全站仪一台、Leica GPSsystem500两台（其中1台为备用）、IBM A31笔记本电脑一台、GPS数据处理软件SKI-PRO。

Leica GPSsystem500的坐标测量精度可达到0.02m，测量范围可达十几公里（相对参考站而言）。该GPS含参考站和移动站两部分。参考站必须固定在测量范围内的较高处，如高楼的楼顶。移动站是GPS的核心，可随人在测量范围内任意行动。为达到0.02m的精度，必须保证移动站的电台天线上空15°范围内无遮挡物，故而遇到壶山风景区树木太密的情况，需稍砍几棵树。

测量时，先用GPS定塔位及全站仪的测站，再用全站仪测量线路中心线上所经过的地物。用GPS定塔位时，先定转角塔的塔位。在两个转角塔之间，可手持移动站在线路中心线上走，遇到附近有房子之类的地物，测一下地物距线路中心线最近点的坐标，根据软件自动计算，可马上读出地物距线路中心线的距离。若该距离不满足规范要求，可及时调整路径。转角塔和直线塔的塔位都定好后，为保证全站仪测量时避开不通视的情况，再用GPS补足在转角塔之间的全站仪测站桩。这样，再用全站仪测地物时，就基本上不用另设辅助站或砍树了。

3钢管杆的导、地线安全系数及经济档距选择

根据《110~500kV架空送电线路设计技术规程》DL/T 5092-1999的规定，导、地线的安全系数不应小于2.5，地线的设计安全系数宜大于导线的设计安全系数。一般的铁塔线路，导线安全系数取2.5，地线安全系数按满足导、地线档中距离S≥0.012L+1的条件选取；水平档距一般按标准铁塔允许的水平档距选择。采用钢管杆的架空送电线路，钢管杆的结构与铁塔不同，不能简单地套用铁塔的导、地线安全系数和档距的设计经验。那么对于钢管杆线路，导线安全系数及经济档距取多少比较合适？不同的工程可能不一定相同，但设计思路应该是一致的。

导线安全系数、水平档距、钢管杆呼高的关系如下：

导线安全系数一定的情况下，增大水平档距可以减少钢管杆数量，但增加钢管杆呼高、质量和基础量；减少水平档距可以减少钢管杆呼高、质量和基础量，但杆数量增加。

水平档距一定的情况下，增大导线安全系数可以减少钢管杆的导线应力，但呼高增加；减小导线安全系数可以减小呼高，但钢管杆的导线应力增加。

钢管杆呼高一定的情况下，增大导线安全系数可以减少杆质量和基础量，但档距要减小，杆数量增加；减小导线安全系数可以增大档距，减少杆数量，但要增加杆质量和基础量。

由上述关系可知，导线安全系数、水平档距、钢管杆呼高相互影响，设计选择时需要综合考虑。下面以金华110kV宾义线为例谈谈导线安全系数、水平档距、钢管杆呼高的选择设计。

金华110kV宾义线新建同杆双回线路长约10. 9km，其中约9.0km线路在规划公路的绿化带上走。按规划部门意见，在公路绿化带上走的线路全部采用钢管杆，导线最大弧垂时最低点距地要求大于15m；其余采用铁塔。该工程导线选用LGJ-240/30，地线采用GJ-50；气象条件采用浙IV区，最大风速25m/s，覆冰5mm。按规范及各塔型允许的应力条件，铁塔段的线路的导、地线安全系数分别为2.5和3.75。现对钢管杆段线路导、地线安全系数及经济档距、呼高进行优化选择。

取一段约3km的耐张段进行分析，分别取不同的安全系数3、4、5、6、7，不同的呼高21、24、27，根据导线最低点距地要求大于15m的约束，分别计算出允许的水平档距，从而得出各种情况下所需的直线杆塔数量，对比分析不同方案的造价变化情况，选择出最经济的线路档距、杆高和安全系数的组合。详见表3-1及表3-2。

表3-1 110 kV双回钢管杆不同安全系数及不同呼高下的最大档距

呼称高度/m 21 24 27

最大弧垂 5.9 8.9 12.0 K=3

最大档距270 340 400

最大弧垂 5.7 8.6 11.5 K=4

最大档距230 290 340

最大弧垂 5.9 8.6 11.8 K=5

最大档距210 260 310

最大弧垂 5.7 8.7 11.5 K=6

最大档距190 240 280

最大弧垂 5.9 8.4 11.5 K=7

最大档距180 220 260 表3-2 110 kV双回钢管杆不同安全系数及不同呼高下的综合造价

呼称高度/m 21 24 27

总基数11 8 7 K=3

综合造价/万元180.4 148.0 158.2

总基数13 10 8 K=4

综合造价/万元185.9 161.0 157.6

总基数14 11 9 K=5

综合造价/万元165.2 146.3 146.7

总基数15 12 10 K=6

综合造价/万元160.5 144.0 148.0

总基数16 13 11 K=7

综合造价/万元159.4 145.6 150.7 从表中可以看出，在所有15种安全系数、杆高的组合中，安全系数取6时，直线呼称高24 m的钢管杆线路造价最低；安全系数取7和5时，直线呼称高24 m的钢管杆线路造价也较低。

根据以上分析计算，110kV宾义线钢管杆段导线安全系数取6，地线安全系数取8可满足要求。考虑对跨越物一定的裕度，实际钢管杆大部分采用的呼高为26m，水平档距取220m左右。

4OPGW的参数选择

4.1 OPGW热容量选择

为满足光缆中信息的传输和通信的要求，OPGW的载流容量必须满足热稳定的要求，防止因其过热而引起OPGW烧伤。OPGW热容量选择涉及到单相短路电流计算和短路电流持续时间的选取。

当线路发生短路故障时，流经OPGW中的短路电流随着故障点远离变电所而逐渐减小，靠近变电所的几档线OPGW中的电流急剧增大。进行单相短路电流分流计算后，可得流经OPGW的最大短路电流。

对220kV配置了两套全线速动主保护的线路，短路电流持续时间计算公式如下：

Te=Tm+Tf+To+Tfz

其中Te为短路电流持续时间，Tm为主保护动作时间，Tf为断路器失灵保护时间，To为断路器开断时间，Tfz为非周期分量的热效应时间。

对110kV及以下的线路，短路电流持续时间计算公式如下：

Te=T2+ To+tTfz

其中T2为线路二段保护时间。

现以金华110kV武桐线为例说明OPGW热容量选择设计。

根据远期系统分流计算，OPGW最大的单相短路电流取7.1kA。根据系统提供的资料，220kV十里岗变110kV线路二段保护时间为0.6s，断路器开断时间为0.05s，非周期分量的热效应时间为0.05s，故短路电流等效持续时间取0.7s。故短路热容量为7.12×0.7=35.3 kA2S。根据系统的发展以及OPGW的寿命，110kV 武桐线OPGW热容量值取50kA2S。

4.2 OPGW结构选择

OPGW结构有缓冲紧套结构、松套结构等，要根据工程具体情况来选择绞线结构及光单元结构。

4.2.1 缓冲紧套结构

缓冲紧套结构的基本理论依据：紧套光纤束一般在伸长2%的情况下光纤可能被拉断(单根光纤伸长1%后拉断)。然而，实际运行中的裸地线最大伸长才千分之几的数量级。因此，采用这种结构的厂商认为光纤允许的伸长远大于地线的实际伸长，光纤衰耗等指标可以满足工程通信部分要求。

缓冲紧套结构特点：紧缓冲结构对光纤提供保护，加大抗微弯曲的能力；由于具有金属分隔定位槽，因而具有高抗挤压能力，据实测抗外力破坏强度骨架型为200kg/cm，松套铝管型为90kg/cm；同松套结构相比，单位价格要高10%左右。

可见，这种结构的主要优点是抗外荷载的能力比较强，适合使用条件恶劣的工程采用。例如浙江省的500kV天瓶线、金温线、绍金线工程均采用了该结构。

4.2.2 松套结构

松套结构的基本理论依据：置于由不同材料制造的保护管中的光纤通过填充物的稠密程度的调整，或不同的结构形式来处理光纤余长。在OPGW中的光纤实际长度大于地线在受张情况下的长度，因此能够做到光纤不受力或受力很小。

松套结构形式分中心光纤式、层绞式及骨架式松套结构。综合比较松套结构中的几种形式，由于束管层绞式一般将六根小的光单元缠绕在中心加强件上，再外套铝管，在铝管与光单元之间又布置有一隔热层，保护光纤的手段比较多，因此在欧洲国家约占60%的OPGW采用了这种光单元结构，浙江省的秦杭线也采用了这种形式。不锈钢管层绞式结构是近年来广泛采用的一种形式，结构紧凑简单、与普通地线机械性能接近，同时允许放置的光纤数量比较多，但不锈钢管直径小、壁薄，难以采取有效的隔热措施，因此光单元内光纤余长处理工艺要求非常高。浙江省的北绍III回线、瓶南II回、杭瓶线就采用了这种形式。

4.2.3 选择原则

应该讲缓冲紧套结构与松套管结构各有利弊，不能简单地说哪种结构能用，哪种结构不能用，只要通过试验而且能够满足工程使用要求，就应该认为是合理的。但工程条件不同，则选择的侧重面应该有所不同，例如工程条件恶劣，外荷载大，公路运输条件差等，首先应考虑安全问题，往往应该侧重于OPGW的抗外力破坏的能力；当工程条件良好，则可考虑选择结构简单、光纤保护手段较多的结构。

根据我国裸线生产标准，外层绞向应采用右手绞向，所以OPGW也应该与之一致，便于附件匹配。为了保护光纤单元，光单元结构至少外绞一层绞线。另一方面，为了避免抗雷击水平下降，单丝直径不应小于2.0mm。

在金华110kV武桐线OPGW结构型式的选择上，综合分析各方面因素，结

合省内外已建OPGW 工程和厂家介绍的情况，考虑到该工程线路地处金衢盆地，且山区地势较缓，因此，该工程OPGW 结构采用松套结构。

4.3 OPGW 机械特性的选择

在选择OPGW 的机械物理特性时，应使各项参数（如截面、单位质量、综合弹性系数、综合温度膨胀系数、破坏张力等）同另外一根地线相匹配。同时，要考虑OPGW 的实际使用张力不能超过耐张塔的允许最大使用张力。

金华110kV 武桐线OPGW 主要技术参数的选择情况见表4-1。

表4-1 金华110kV 武桐线OPGW 主要技术参数 型 号

GJ-50 OPGW85 铝合金丝 7/3.0（钢）

9/2.5 铝包钢（LB20）

—— 8/2.5 结构 不锈钢管

—— 2/2.5 铝合金丝 49.46（钢）44.2 铝包钢（LB20）

—— 39.3 计算截面

mm 2 总计 49.46 83.5

外层绞向

—— —— Right-hand 计算外径

mm 9 12.5 计算极限抗拉强度(UTS)

N 58204 Min.66600 每日平均应力

%UTS 25 Max.20 计算重量

kg/km 423.7 407.2 弹性系数 Mpa 181423 110700

线胀系数 10-6/℃ 11.5 16.1

20℃时直流电阻 Ω/km 2.082 0.552

允许短路热容量

kA 2s —— 57.6 短路电流允许温度范围

℃ 40-200 最小弯曲半径 mm 30D

5 OPGW 与地线的配合

普通架空线路的地线（钢绞线GJ 或钢芯铝绞线LGJ ）以两个耐张塔之间的距离为一个耐张段，在耐张段内每一档地线水平张力一样，安全系数取值一致。然而，复合架空地线OPGW 的分段不是以耐张塔来划分耐张段，而是以地形有利原则来确定耐张段，且OPGW 每盘长度有限；同时，OPGW 与钢绞线或钢芯

因此，对每一个OPGW耐张段，先计算代表档距，再根据相同代表档距下另一根普通地线年平工况下的弧垂，反推确定OPGW耐张段的安全系数及相应的年平使用张力，然后根据该安全系数计算OPGW的架线弧垂。用这种方法能够保证年平工况下，OPGW与另一根地线的弧垂基本一致。

如果反推确定的OPGW安全系数下的年平使用张力大于OPGW允许的年平使用张力（一般为20%UTS），则应计算出OPGW在最大允许年平使用张力条件下的弧垂，重新校核导、地线配合，再根据弧垂在年平工况下要基本一致的原则，反推确定另一根普通地线的安全系数，然后根据该安全系数计算普通地线的架线弧垂。

仍以金华110kV武桐线的11~25号塔的设计为例。该线路一根地线为GJ-50，安全系数取 3.6，计算架线弧垂时降温10℃以补偿初伸长；另一根地线为OPGW，采用江苏亨通光电股份有限公司的OPGW-85，计算架线弧垂时降温8℃以补偿初伸长；气象条件为浙II类。11~25号塔间的耐张段长及代表档距如表5-1所示。

表5-1 金华110kV武桐线11~25号塔间的耐张段长及代表档距

耐张段耐张段长（m）代表档距（m）

11号塔~14号塔974 333

14号塔~19号塔2078 572

19号塔~25号塔1768 302 该线路设计采用的软件是北京道亨兴业科技发展有限公司开发的SLCAD架空送电线路平断面图处理及定位CAD系统。先在该软件的导线参数库中自定义名称为“OPGW-85”的地线，输入该OPGW的有关参数。然后应用“应力弧垂计算”功能，采用试凑法，找到与GJ-50在年平工况、相同代表档距下弧垂基本一致时的OPGW安全系数，然后根据该软件的“架线弧垂计算”功能，计算该安全系数下的OPGW架线弧垂。

根据计算，对于11~14号塔、19~25号塔，OPGW安全系数取3.950；对于14~19号塔，OPGW安全系数取3.820。通过弧垂配合后各代表档距下GJ-50与OPGW的年平弧垂和架线弧垂（架线弧垂取的是气温20℃时的值）如表5-2所示。

表5-2 弧垂配合后各代表档距下GJ-50与OPGW的年平弧垂和架线弧垂

代表档距（m）

GJ-50

年平弧垂（m）

OPGW-85

年平弧垂（m）

GJ-50

架线弧垂（m）

OPGW-85

架线弧垂（m）

333 4. 4. 4.53 4.55

572 14.71 14.69 14.54 14.58

302 3.75 3.73 3.65 3.65 实践证明，这是一种有效的计算普通地线与OPGW弧垂配合的方法。

6结语

以上所述，只是笔者在高压架空输电线路设计工作中的点滴体会，可以归纳总结如下：

动态GPS与全站仪相结合的测量方法是今后高压架空输电线路现场测量的发展方向，其便利性和快速性已在实践中充分证实。

对于钢管杆线路，选择合适的导、地线安全系数及经济档距、钢管杆呼高可以使工程造价更加合理。根据理论计算和工程经验，导线安全系数一般分别取5或6比较合适，经济水平档距一般取200m左右。

电力电网中输电线路避雷线采用复合光缆OPGW在未来将是发展趋势，因此在设计中OPGW的参数选择以及OPGW与普通地线的弧垂配合将不可避免。在SLCAD线路设计软件的辅助下，反推法不失为一种弧垂配合较好的方法。

参考文献

1 电力工程高压送电线路设计手册（第二版）。北京：中国电力出版社，2002。

2 DL/T 5092-1999，110~500kV架空送电线路设计技术规程。

作者简介

嵇建飞（1974-），男，浙江衢州人，中国水电顾问集团华东勘测设计研究院电气工程师，长期从事高压架空送电线路及大中型水电站电气专业设计工作。下载本文