电力系统中 OPGW 光缆防雷接地技术

电力系统中OPGW光缆防雷接地技术摘要：在电力通信中，OPGW光缆起着至关重要的作用。近年来，二级电站所辖OPGW进站通信光缆频繁出现遭受雷击或电网过电压间隙放电情况，导致OPGW光缆导线断股纤芯中断故障，对电站通信业务的传输造成了极大的威胁。如何提高OPGW光缆的防雷水平，让OPGW光缆安全可靠地为电力通信服务，这是值得我们探讨的问题。本文从雷击造成OPGW光缆损坏的机理入手，分析了OPGW光缆断股的原因，阐述了OPGW光缆防雷水平的改进措施，进一步提出了通过良好接地方式有效提高OPGW光缆防雷水平的方法。关键词：OPGW损坏机理耐雷击水平接地方式1、引言光纤复合架空地线(OPGW――OpticalFiberCompositeOverheadGroundWire)兼具通信光缆与地线双重功能，被安装在电力架空线杆塔顶部，与ADSS光缆相比，无需考虑电磁腐蚀、人为破坏等不利因素，OPGW以其高可靠性、优越的机械、电气性能及良好的经济性和实用性得到广泛地运用。笔者根据多年的运行维护经验，就OPGW光缆的防雷接地技术问题与大家交流。2、雷击造成OPGW光缆损坏的机理OPGW光缆在运行中发生外层铝合金线断股的主要原因来自两方面：一是工频接地短路电流形成温升造成的;另一个是遭受雷击时的雷击电流冲击而形成的电弧温升造成的。雷击时，雷击电流非常集中，其集中点处的温度可达到600℃。在此高温下，若OPGW光缆外层铝合金丝的熔点与其接近，则必然会发生断股。雷击过程的发生，大体上可分为主放电阶段和余光阶段两个过程。(1)主放电阶段。雷云中的电荷分布极不均匀，往往会形成几个电荷密集中心。当密集电荷区的电场强度达到2500―3000kV/m时，先导放电现象发生。此时，其下行的大地电荷将分为负极性和正极性的两种电荷。雷击的发生，95%是由负极性电荷引发的，而只有5%是由正电荷引发的。下行先导的雷击电流约为100A，其中心点的温度可达3×104℃。当先导放电通道逐渐下移时，由于空气中随机存在的离子团的阻挡，下行负先导在发展过程中会分成数支。当负先导接近地面或架空地线是，地面或架空地线表面将有正电荷聚集。如果负先导与这些正电荷聚集点间的电场强度超过了其他地方，则雷电的'发展开始“定向”发出向上的迎面先导。这些迎面先导与下行负先导中的一支相遇时，就发生强烈的“中和”过程，引发出强度达数十到数百千安的电流。这就是主放电阶段。此时，将有闪电和雷鸣发生。主放电阶段时间极短，约为50～100/s。放电速度极快，放电时间极短的放电，将引发电弧，其温度高达600℃。这种高温可将OPGW光缆外层铝合金丝烧蚀、熔化或最后烧断。(2)余光阶段。主放电阶段达到云端时就结束了，然后，云中的残余电荷经过刚才主放电的通道向下流，成为余光阶段。由于云中电阻很大，余光阶段的电流也不大，约数十安。余光阶段的持续时间较长，约为0.03―0.15s。余光阶段对光缆基本上无损伤。3、OPGW光缆接地方式及断股原因分析OPGW可能的接地方式与普通地线一样，包括逐塔接地、分段绝缘单点接地(以下简称单点接地)和全线绝缘3种方式。OPGW和普通地线均逐塔接地时，导线电流对OPGW和普通地线产生的互感电压将在OPGW、普通地线和大地之间形成电流，从而产生一定的电能损耗，其中OPGW和普通地线的电能损耗占了大部分。因此普通地线一般改用单点接地方式减少地，OPGW流。OPGW可采用单点接地方式，此时OPGW中将仅流过很小的静电感应电流。若OPGW采用全线绝缘，则线路损耗接近零。以一条500kV同塔双回线路为例，线路总长L为115km，双回导线逆相序排列并采用L/3+L/3+L/3反向两次换位，每回线路正常输送潮流功率约1150MW，最大输送潮流功率2400MW，电网最大负荷利用小时数6500h，功率因数0.95，对应最大损耗小时数取5000h，平均档距450m，铁塔接地电阻10Ω，采用OPGW-145光缆(缆径16mm、单位长度直流电阻0.3Ω/km)、JLB40-150和GJ-100普通地线，经计算结果表明，OPGW采用逐塔接地方式的电能损耗很大，采用单点接地或全线绝缘方式可大大降低电能损耗。4、对提高OPGW光缆防雷水平的改进措施及方法在输电线路上使用两根相同的镀锌钢绞线(或铝包钢绞线)或钢芯铝绞线作为地线已经有几十年的运行经验了，很少发现有雷击断股的情况发生。然而，大面积使用普通地线配OPGW后的双地线系统情况就不同了，都是OPGW遭受雷击以致断股，而与之配合的普通地线却相安无恙，因此，有必要对OPGW与普通地线的使用情况做一些比较。(1)同一线路中普通地线的单位长度电阻总是大于OPGW。(2)同一线路中OPGW总是全线每基塔直接接地，普通地线按不同情况可以采用不同接地方式，一般除在变电站出线附近外，普通地线侧的接地点要少于OPGW侧。(3)从地线到塔身的接地连接方式中，通常OPGW侧的连接电阻要小于普通地线侧。架空线的避雷线功能一般有引雷、充当通信通道减小系统潜供电流等，其中最主要和最原始的作用是引雷。由此不难推想，是否因为OPGW的接地通道电阻太小，导致它比普通地线更容易遭雷击。据统计，90%左右的雷是负极性的。以往的模拟、实验室试验、雷击物理过程的仿真计算以及雷电的光学照片说明，由负雷云向下发展的先导不是连续向下发展的，是一种超长间隙放电。通常的下行负雷击从雷云下部负电荷中心的某处开始，以阶梯先导的形式向地面发展。下行先导从云到地的发展分为触发先导、自由先导和约束先导三个阶段。在触发先导阶段，由于先导离雷云较近而离地很远，先导的发展主要受雷云电场和先导头部空间电荷电场的影响;随着先导的向下发展，由于离雷云和地面都较远，先导的发展仅受先导头部空间电荷影响，先导的发展具有相当的任意性，先导的发展曲曲折折，并呈现分支现象，因而成为自由先导阶段;随着下行先导的向地面逼近，地面物体的表面场强逐渐增强，并在某一时刻产生迎面先导放电。当地面目的物理的迎面放电与下行雷先导间形成贯穿型流注时，下行先导的发展受到约束，击穿成为必然，击中点被确定。因此OPGW与大地良好接触，可能就导致了它比普通地线更容易遭雷击。根据OPGW的接地通道电阻小的情况，也可以推想遭受雷击后，OPGW比较容易发生断股的原因。我们以常见的电弧焊工作做一个解释：在电焊时，被施焊的工件先要接好地线，然后电焊条再去接近工作，当电焊条离工件距离足够近而且不与工件接触时，产生电弧，此时热容量较小者被熔化。注意，但是如果当工件的接地线与工件接触不良时，往往会发生电焊条与工件很难起弧，直到焊条碰到工件，地线与工件之间产生电弧。这说明电弧发生在接触电阻相对大的地方。可以推测，因为OPGW的接地通道导电良好，在发生雷击前，大地与雷电的通道间电阻最大的地方就在OPGW和雷电之间，所以雷击时电弧则会发生在OPGW表面。根据以上分析，提高OPGW耐雷水平除了合理选择OPGW的导线材料以外，更应该注意接地方式，对于雷害比较严重且大地电阻率较小的地区，可以考虑在OPGW接地引线和杆塔之间适当留点间隙，以使将燃弧点移到OPGW以外。5、结语目前，除了根据OPGW受雷击的原理采取常用的耐雷措施外，还有必要进一步的关注研究分流地线的配合，使之与OPGW具有相同的系统电气性能以期降低OPGW受雷击的概率。接地要确保OPGW光缆门型构架引下线与变电站接地网有两个以上的接地点;另外确保OPGW光缆引下线与门型构架所有金属体不存在非安装性接触点，OPGW光缆外体与所有构架之间至少保持20mm以上的距离要求。对于OPGW的防雷保护，则应从OPGW设计、工程建设、日常运行维护等方面经常关注，以提高通信的可靠性。参考文献：[1]DL/T741-2001，架空送电线路运行规程[S].[2]张建明.OPGW光缆的应用[J].光通信技术，2001，25(4)：286-289.