摘要

在電力通信中，OPGW光纜起著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，二級(jí)電站所轄OPGW進(jìn)站通信光纜頻繁出現(xiàn)遭受雷擊或電網(wǎng)過(guò)電壓間隙放電情況，導(dǎo)致OPGW光纜導(dǎo)線斷股纖芯中斷故障，對(duì)電站通信業(yè)務(wù)的傳輸造成了極大的威脅。如何提高OPGW光纜的防雷水平，讓OPGW光纜安全可靠地為電力通信服務(wù)，這是值得我們探討的問(wèn)題。本文從雷擊造成OPGW光纜損壞的機(jī)理入手，分析了OPGW光纜斷股的原因，闡述了OPGW光纜防雷水平的改進(jìn)措施，進(jìn)一步提出了通過(guò)良好接地方式有效提高OPGW光纜防雷水平的方法。

1、引言

光纖復(fù)合架空地線（OPGW――OpticalFiberCompositeOverheadGroundWire）兼具通信光纜與地線雙重功能，被安裝在電力架空線桿塔頂部，與ADSS光纜相比，無(wú)需考慮電磁腐蝕、人為破壞等不利因素，OPGW以其高可靠性、優(yōu)越的機(jī)械、電氣性能及良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性得到廣泛地運(yùn)用。筆者根據(jù)多年的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，就OPGW光纜的防雷接地技術(shù)問(wèn)題與大家交流。

2、雷擊造成OPGW光纜損壞的機(jī)理

OPGW光纜在運(yùn)行中發(fā)生外層鋁合金線斷股的主要原因來(lái)自兩方面：一是工頻接地短路電流形成溫升造成的;另一個(gè)是遭受雷擊時(shí)的雷擊電流沖擊而形成的電弧溫升造成的。雷擊時(shí)，雷擊電流非常集中，其集中點(diǎn)處的溫度可達(dá)到600℃。在此高溫下，若OPGW光纜外層鋁合金絲的熔點(diǎn)與其接近，則必然會(huì)發(fā)生斷股。雷擊過(guò)程的發(fā)生，大體上可分為主放電階段和余光階段兩個(gè)過(guò)程。

（1）主放電階段。雷云中的電荷分布極不均勻，往往會(huì)形成幾個(gè)電荷密集中心。當(dāng)密集電荷區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2500―3000kV/m時(shí)，先導(dǎo)放電現(xiàn)象發(fā)生。此時(shí)，其下行的大地電荷將分為負(fù)極性和正極性的兩種電荷。雷擊的發(fā)生，95%是由負(fù)極性電荷引發(fā)的，而只有5%是由正電荷引發(fā)的。下行先導(dǎo)的雷擊電流約為100A，其中心點(diǎn)的溫度可達(dá)3×104℃。

當(dāng)先導(dǎo)放電通道逐漸下移時(shí)，由于空氣中隨機(jī)存在的離子團(tuán)的阻擋，下行負(fù)先導(dǎo)在發(fā)展過(guò)程中會(huì)分成數(shù)支。當(dāng)負(fù)先導(dǎo)接近地面或架空地線是，地面或架空地線表面將有正電荷聚集。

如果負(fù)先導(dǎo)與這些正電荷聚集點(diǎn)間的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了其他地方，則雷電的發(fā)展開(kāi)始“定向”發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)。這些迎面先導(dǎo)與下行負(fù)先導(dǎo)中的一支相遇時(shí)，就發(fā)生強(qiáng)烈的“中和”過(guò)程，引發(fā)出強(qiáng)度達(dá)數(shù)十到數(shù)百千安的電流。這就是主放電階段。此時(shí)，將有閃電和雷鳴發(fā)生。主放電階段時(shí)間極短，約為50～100/s。放電速度極快，放電時(shí)間極短的放電，將引發(fā)電弧，其溫度高達(dá)600℃。這種高溫可將OPGW光纜外層鋁合金絲燒蝕、熔化或最后燒斷。

（2）余光階段。主放電階段達(dá)到云端時(shí)就結(jié)束了，然后，云中的殘余電荷經(jīng)過(guò)剛才主放電的通道向下流，成為余光階段。由于云中電阻很大，余光階段的電流也不大，約數(shù)十安。余光階段的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約為0.03―0.15s。余光階段對(duì)光纜基本上無(wú)損傷。

3、OPGW光纜接地方式及斷股原因分析

OPGW可能的接地方式與普通地線一樣，包括逐塔接地、分段絕緣單點(diǎn)接地（以下簡(jiǎn)稱單點(diǎn)接地）和全線絕緣3種方式。OPGW和普通地線均逐塔接地時(shí)，導(dǎo)線電流對(duì)OPGW和普通地線產(chǎn)生的互感電壓將在OPGW、普通地線和大地之間形成電流，從而產(chǎn)生一定的電能損耗，其中OPGW和普通地線的電能損耗占了大部分。因此普通地線一般改用單點(diǎn)接地方式減少地，OPGW流。OPGW可采用單點(diǎn)接地方式，此時(shí)OPGW中將僅流過(guò)很小的靜電感應(yīng)電流。若OPGW采用全線絕緣，則線路損耗接近零。以一條500kV同塔雙回線路為例，線路總長(zhǎng)L為115km，雙回導(dǎo)線逆相序排列并采用L/3+L/3+L/3反向兩次換位，每回線路正常輸送潮流功率約1150MW，最大輸送潮流功率2400MW，電網(wǎng)最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)6500h，功率因數(shù)0.95，對(duì)應(yīng)最大損耗小時(shí)數(shù)取5000h，平均檔距450m，鐵塔接地電阻10Ω，采用OPGW-145光纜（纜徑16mm、單位長(zhǎng)度直流電阻0.3Ω/km）、JLB40-150和GJ-100普通地線，經(jīng)計(jì)算結(jié)果表明，OPGW采用逐塔接地方式的電能損耗很大，采用單點(diǎn)接地或全線絕緣方式可大大降低電能損耗。

4、對(duì)提高OPGW光纜防雷水平的改進(jìn)措施及方法

在輸電線路上使用兩根相同的鍍鋅鋼絞線（或鋁包鋼絞線）或鋼芯鋁絞線作為地線已經(jīng)有幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)了，很少發(fā)現(xiàn)有雷擊斷股的情況發(fā)生。然而，大面積使用普通地線配OPGW后的雙地線系統(tǒng)情況就不同了，都是OPGW遭受雷擊以致斷股，而與之配合的普通地線卻相安無(wú)恙，因此，有必要對(duì)OPGW與普通地線的使用情況做一些比較。

（1）同一線路中普通地線的單位長(zhǎng)度電阻總是大于OPGW。

（2）同一線路中OPGW總是全線每基塔直接接地，普通地線按不同情況可以采用不同接地方式，一般除在變電站出線附近外，普通地線側(cè)的接地點(diǎn)要少于OPGW側(cè)。

（3）從地線到塔身的接地連接方式中，通常OPGW側(cè)的連接電阻要小于普通地線側(cè)。

架空線的避雷線功能一般有引雷、充當(dāng)通信通道減小系統(tǒng)潛供電流等，其中最主要和最原始的作用是引雷。由此不難推想，是否因?yàn)镺PGW的接地通道電阻太小，導(dǎo)致它比普通地線更容易遭雷擊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%左右的雷是負(fù)極性的。以往的模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、雷擊物理過(guò)程的仿真計(jì)算以及雷電的光學(xué)照片說(shuō)明，由負(fù)雷云向下發(fā)展的先導(dǎo)不是連續(xù)向下發(fā)展的，是一種超長(zhǎng)間隙放電。通常的下行負(fù)雷擊從雷云下部負(fù)電荷中心的某處開(kāi)始，以階梯先導(dǎo)的形式向地面發(fā)展。下行先導(dǎo)從云到地的發(fā)展分為觸發(fā)先導(dǎo)、自由先導(dǎo)和約束先導(dǎo)三個(gè)階段。在觸發(fā)先導(dǎo)階段，由于先導(dǎo)離雷云較近而離地很遠(yuǎn)，先導(dǎo)的發(fā)展主要受雷云電場(chǎng)和先導(dǎo)頭部空間電荷電場(chǎng)的影響;隨著先導(dǎo)的向下發(fā)展，由于離雷云和地面都較遠(yuǎn)，先導(dǎo)的發(fā)展僅受先導(dǎo)頭部空間電荷影響，先導(dǎo)的發(fā)展具有相當(dāng)?shù)娜我庑裕葘?dǎo)的發(fā)展曲曲折折，并呈現(xiàn)分支現(xiàn)象，因而成為自由先導(dǎo)階段;隨著下行先導(dǎo)的向地面逼近，地面物體的表面場(chǎng)強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，并在某一時(shí)刻產(chǎn)生迎面先導(dǎo)放電。當(dāng)?shù)孛婺康奈锢淼挠娣烹娕c下行雷先導(dǎo)間形成貫穿型流注時(shí)，下行先導(dǎo)的發(fā)展受到約束，擊穿成為必然，擊中點(diǎn)被確定。因此OPGW與大地良好接觸，可能就導(dǎo)致了它比普通地線更容易遭雷擊。根據(jù)OPGW的接地通道電阻小的情況，也可以推想遭受雷擊后，OPGW比較容易發(fā)生斷股的原因。我們以常見(jiàn)的電弧焊工作做一個(gè)解釋：在電焊時(shí)，被施焊的工件先要接好地線，然后電焊條再去接近工作，當(dāng)電焊條離工件距離足夠近而且不與工件接觸時(shí)，產(chǎn)生電弧，此時(shí)熱容量較小者被熔化。注意，但是如果當(dāng)工件的接地線與工件接觸不良時(shí)，往往會(huì)發(fā)生電焊條與工件很難起弧，直到焊條碰到工件，地線與工件之間產(chǎn)生電弧。這說(shuō)明電弧發(fā)生在接觸電阻相對(duì)大的地方。可以推測(cè)，因?yàn)镺PGW的接地通道導(dǎo)電良好，在發(fā)生雷擊前，大地與雷電的通道間電阻最大的地方就在OPGW和雷電之間，所以雷擊時(shí)電弧則會(huì)發(fā)生在OPGW表面。

根據(jù)以上分析，提高OPGW耐雷水平除了合理選擇OPGW的導(dǎo)線材料以外，更應(yīng)該注意接地方式，對(duì)于雷害比較嚴(yán)重且大地電阻率較小的地區(qū)，可以考慮在OPGW接地引線和桿塔之間適當(dāng)留點(diǎn)間隙，以使將燃弧點(diǎn)移到OPGW以外。www.wefgl.com

5、結(jié)語(yǔ)

目前，除了根據(jù)OPGW受雷擊的原理采取常用的耐雷措施外，還有必要進(jìn)一步的關(guān)注研究分流地線的配合，使之與OPGW具有相同的系統(tǒng)電氣性能以期降低OPGW受雷擊的概率。接地要確保OPGW光纜門(mén)型構(gòu)架引下線與變電站接地網(wǎng)有兩個(gè)以上的接地點(diǎn);另外確保OPGW光纜引下線與門(mén)型構(gòu)架所有金屬體不存在非安裝性接觸點(diǎn)，OPGW光纜外體與所有構(gòu)架之間至少保持20mm以上的距離要求。對(duì)于OPGW的防雷保護(hù)，則應(yīng)從OPGW設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、日常運(yùn)行維護(hù)等方面經(jīng)常關(guān)注，以提高通信的可靠性。