輸電線路復(fù)合光纖架空地線接地調(diào)查及改進(jìn)措施

袁志堅(jiān) 李 為 鄧藝娜 王遠(yuǎn)路

（1. 廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞 523106；2. 重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶 400044）

復(fù)合光纖架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）將光纖內(nèi)置于架空輸電線路的地線中，構(gòu)成依托輸電線路的光纖通信網(wǎng)，以承載著傳輸遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)和調(diào)度電話等重要通信業(yè)務(wù)。近年來(lái)，運(yùn)行中的OPGW多次發(fā)生雷擊斷股問(wèn)題，斷股大多出現(xiàn)在檔距中，OPGW較GJ（鋼絞線）更易遭受雷擊斷股。其主要原因在于OPGW與普通地線因接地方式不同，對(duì)地電阻存在較大差異。在遭遇雷擊時(shí)，雷電流優(yōu)先選擇電阻值較小的OPGW進(jìn)行泄流；另外，逐塔接地的OPGW上會(huì)感應(yīng)出更多與雷電流先導(dǎo)極性相反的異性電荷，使二者間的電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致雷擊OPGW更容易發(fā)生[1]。因此研究OPGW接地工程對(duì)雷擊的影響，對(duì)提高輸電線路故障防范和防雷技術(shù)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。

本文首先介紹了針對(duì)變電站 OPGW 及不同電壓等級(jí)線路OPGW接地系統(tǒng)的調(diào)研情況，指出安全隱患的問(wèn)題所在。然后，針對(duì)OPGW逐塔接地，GJ的不同接地方式進(jìn)行了雷擊擊著概率實(shí)驗(yàn)，探尋減小OPGW遭受雷擊擊中概率的方式。最后提出了對(duì)現(xiàn)有OPGW接地系統(tǒng)的整治及改進(jìn)建議。

1 實(shí)際OPGW接地系統(tǒng)情況統(tǒng)計(jì)及分析

對(duì)轄區(qū)內(nèi) 220kV和 500kV電壓等級(jí)變電站OPGW接地系統(tǒng)缺陷進(jìn)行了排查，共查勘變電站56個(gè)，其中220kV變電站46個(gè)，500kV變電站10個(gè)；查勘110kV線路520余條，220kV線路300余條，500kV線路30余條。在對(duì)OPGW接地系統(tǒng)缺陷排查的統(tǒng)計(jì)分析表明，220kV及以上電壓等級(jí)的變電站進(jìn)行了系統(tǒng)的OGPW接地系統(tǒng)缺陷排查，接地系統(tǒng)主要存在以下缺陷。

1）接地扁鐵不規(guī)范：接地扁鐵不規(guī)范主要表現(xiàn)在：①無(wú)接地扁鐵或?qū)拥乇忤F“視而不用”，采取“間接接地”方式。如圖1所示，線路的OPGW光纜三點(diǎn)均未接地，一旦遭受雷擊，雷電流將不能從這里導(dǎo)入地下，埋下了事故隱患；②三點(diǎn)接地線與接地鐵排之間的螺絲脫落或接觸不可靠等問(wèn)題。如圖2所示，三點(diǎn)接地線接在鐵塔上一個(gè)螺絲點(diǎn)（通常稱為“間接接地”）?！伴g接接地”未將三點(diǎn)接在接地扁鐵上，而是與鐵塔內(nèi)層的鋼筋支架連接，這種方式是一種不規(guī)范的“隱形”接地方式。

圖1 接地扁鐵不規(guī)范現(xiàn)象

2）盤纜余纜架接地不規(guī)范：盤纜余纜架接地不規(guī)范主要表現(xiàn)為：①余纜架未接地；②余纜架與接地線接觸不可靠；③接地線橫截面積不合要求；④余纜架里的光纜脫落或盤纜彎曲度過(guò)大、安裝位置過(guò)低或過(guò)高等。

盤纜余纜架接地不規(guī)范如圖3所示，可以看出接地存在三個(gè)問(wèn)題：①盤纜余纜架接地線、光纖接續(xù)盒和OPGW余纜接地線分開(kāi)連接且分開(kāi)接地，不符合分別連接，統(tǒng)一接地的要求；②盤纜余纜架的接地線橫截面積小于25mm2，非鋁合金線或鋁鋼包線，易受外界風(fēng)雨腐蝕而脫落；③盤纜余纜架接地線與接地排接地點(diǎn)油漆未磨光。由于油漆為絕緣物質(zhì)，余纜架的接地電阻將增大，影響其導(dǎo)雷電流的效果。

圖3 盤纜余纜架接地不規(guī)范現(xiàn)象

3）光纖接續(xù)盒接地不規(guī)范：光纖接續(xù)盒接地不規(guī)范主要表現(xiàn)在：①光纖接續(xù)盒未接地；接續(xù)盒與接地線接觸不可靠；②接地線橫截面積不合要求；③接續(xù)盒脫落等。光纖接續(xù)盒接地不規(guī)范如圖4所示，該類型接地方式存在以下問(wèn)題：①光纖接續(xù)盒脫落，如果持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于重力原因，接續(xù)盒會(huì)徹底掉落，可能會(huì)將光纜折斷或?qū)⒔永m(xù)盒內(nèi)熔接的光纖震斷，造成通信業(yè)務(wù)中斷，引起障礙或事故；②光纖接續(xù)盒、盤纜余纜架、OPGW余纜均未接地，一旦遭受雷擊，極易導(dǎo)致OPGW斷股；③光纖接續(xù)盒脫落，導(dǎo)致光纜彎曲度過(guò)大，影響光通信質(zhì)量。

圖4 光纖接續(xù)盒接地不規(guī)范現(xiàn)象

4）OPGW 余纜接地不規(guī)范：OPGW 余纜接地不規(guī)范主要表現(xiàn)在：①OPGW余纜未接地；②OPGW余纜與接地線未用金屬線夾可靠連接；③接地線橫截面積不合要求等。如圖5所示，OPGW余纜與接地線僅用細(xì)鋼絲連接，在一些低電壓等級(jí)OPGW余纜接地中比較常見(jiàn)的缺陷。此外，還發(fā)現(xiàn)一些回路的OPGW余纜在余纜架上盤纜不規(guī)范，雖然不會(huì)直接影響OPGW的防雷效果，但由于光纜盤纜混亂，會(huì)導(dǎo)致日常巡檢難以發(fā)現(xiàn)存在的缺陷隱患。

由以上實(shí)際情況調(diào)研總結(jié)，可以看出，在電網(wǎng)實(shí)際安裝架設(shè)運(yùn)行中，接地方式不規(guī)范情況非常常見(jiàn)，因此明確OPGW接地系統(tǒng)規(guī)范，提出整治預(yù)防措施，對(duì)于保證電網(wǎng)輸電線路安全正常運(yùn)行，減少OPGW遭受雷擊的概率非常必要。

圖5 余纜接地不規(guī)范現(xiàn)象

OPGW在進(jìn)入變電站后，無(wú)論電壓等級(jí)如何，按照電力系統(tǒng)規(guī)范，必須嚴(yán)格做到三點(diǎn)可靠接地，即OPGW余纜接地、光纖接續(xù)盒接地、盤纜余纜架接地，如圖6和圖7所示。

圖6 三點(diǎn)接地位置

圖7 三點(diǎn)接地要求

2 雷擊實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際運(yùn)行情況中發(fā)現(xiàn)，OPGW 與 GJ不同接地方式組合，對(duì)OPGW遭雷擊概率及電能損耗有很大的影響[4-6]。為探究不同接地方式對(duì)雷擊的影響特性與規(guī)律，針對(duì)雙避雷線不同接地方式下進(jìn)行雷擊選擇性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中使用2400V的沖擊電壓發(fā)生器生成雷電電壓，波形為1.2/50μs的正極性雷電波形，用靜止照相機(jī)B門記錄放電過(guò)程，放電路徑和擊著點(diǎn)的判斷以照片為依據(jù)統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)的塔桿模型橫截面如圖6所示，實(shí)驗(yàn)裝置搭建過(guò)程中，按照380∶1的尺寸模擬[3,7-8]。模擬避雷線和塔頂高為10cm，模擬避雷線間距為 5.3cm。雷電模擬先導(dǎo)使用直徑為1mm的鋼針（頭部帶尖端），布置雷電先導(dǎo)在模擬線路的檔中間，準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)兩避雷線中間，并連接到?jīng)_擊電壓發(fā)生器的輸出端。采用三根4mm2的銅線焊接并加水平橫擔(dān)模擬鐵塔，在橫擔(dān)兩側(cè)布置避雷線GJ，GJ線和OPGW嚴(yán)格與塔中心點(diǎn)等距。

圖8 桿塔模型橫截面

主要對(duì)以下幾種情況下的雷擊放電擊著點(diǎn)情況進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

1）兩避雷線水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ線全線不接地（A方式）。

2）兩避雷線水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ線全線一端接地（B方式）。

3）兩避雷線水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ線全線兩端接地（C方式）。

4）兩避雷線水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ線分兩段，分段分別一端接地（D方式）。

5）GJ線比OPGW高1.8mm，OPGW逐塔接地，GJ線全線一端接地（E方式）。

6）兩避雷線水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ線全線一端接地，并在檔中先導(dǎo)下方的GJ線上加2.2mm的放電尖（F方式）。

7）兩避雷線水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ線全線一端接地，并在檔中先導(dǎo)下方的GJ線上加5mm的放電尖（G方式）。

不同接地方式下雙避雷線遭雷擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從以上模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出：①A方式時(shí)，OPGW遭雷擊概率仍占絕大多數(shù)，說(shuō)明OPGW上會(huì)感應(yīng)出與先導(dǎo)極性相反的異性電荷，導(dǎo)致放電更易于在OPGW上發(fā)生；②B方式和C方式時(shí)，不能有效的降低OPGW的擊著概率，OPGW的擊著概率仍略高于 GJ；③F方式和 G方式時(shí)可以有效降低OPGW遭雷擊的概率；④E方式時(shí)，GJ的擊著概率高于OPGW，可對(duì)OPGW起到一定的保護(hù)作用。

由上述分析可知，目前廣泛采用的OPGW逐塔接地的接地方式損耗較大，易使OPGW遭雷擊斷股從而影響電力系統(tǒng)的可靠通信。因此，探討OPGW合理的接地方式十分必要。

普通避雷線為減少環(huán)流損耗可采用絕緣地線或分段絕緣、一點(diǎn)接地的方式，OPGW要起到避雷線和通信通道的雙重作用，不能采用分段絕緣、一點(diǎn)接地的方式，可采用絕緣地線的方式。

3 OPGW接地缺陷整治及改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析可以看出，電網(wǎng)實(shí)際安裝架設(shè)運(yùn)行中，接地方式不規(guī)范情況非常常見(jiàn)，并且OPGW與 GJ的不同的接地方式對(duì)雷電擊著概率有一定的影響，因此需要合理設(shè)計(jì)接地方式，對(duì)現(xiàn)有實(shí)際接地方式進(jìn)行整治以保證電網(wǎng)輸電線路安全正常運(yùn)行，減少OPGW遭受雷擊的概率。針對(duì)OPGW接地系統(tǒng)存在缺陷的實(shí)際調(diào)研情況與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，提出如下整治及改進(jìn)措施：

1）對(duì)所有電壓等級(jí)的變電站內(nèi)各條線路OPGW接地系統(tǒng)進(jìn)行缺陷排查、統(tǒng)計(jì)，為隱患處理準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和材料。

2）根據(jù)排查結(jié)果，確認(rèn)消除隱患所需的接地扁鐵、接地線、金屬線夾等材料的數(shù)量。

3）以變電站為單位，逐個(gè)消除 OPGW 接地系統(tǒng)缺陷，確保OPGW三點(diǎn)接地可靠。保證站外進(jìn)入的 OPGW 光纜與站內(nèi)光纜在物理上嚴(yán)格隔離或良好絕緣。

表1 不同接地方式下雙避雷線遭雷擊試驗(yàn)結(jié)果

4）以變電站為單位，用地阻儀對(duì)各條 OPGW線路地阻值進(jìn)行全面測(cè)量，確保在正常范圍內(nèi)。

5）由于GJ線熔點(diǎn)高，雷擊時(shí)不易發(fā)生斷股。對(duì)于雷擊OPGW頻繁地段，通過(guò)GJ加裝放電尖，將雷電擊著點(diǎn)盡量引向GJ線，保護(hù)OPGW免受雷擊。

6）材料方面，需選用直徑較大的鋁包鋼線單絲，并從OPGW光纜外層單絲的抗拉、防腐等各方面綜合考慮。

7）在新架設(shè)OPGW線路前，對(duì)OPGW選型先進(jìn)行短路熱穩(wěn)定計(jì)算，選取合適的型號(hào)和截面，使得短路故障不會(huì)對(duì)OPGW造成危害。

8）在保證電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的前提下，將OPGW逐塔接地方式改為分段絕緣方式，以減小電能損耗和降低OPGW遭雷擊概率。

4 結(jié)論

針對(duì)電網(wǎng)實(shí)際 OPGW 接地系統(tǒng)狀況進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)接地系統(tǒng)存在的缺陷進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)。構(gòu)建了 OPGW 逐塔接地，GJ不同接地方式的多種典型雷擊場(chǎng)景，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。并針對(duì)電網(wǎng)實(shí)際調(diào)研狀況，給出了缺陷整治及預(yù)防措施。

[1] Serizawa Y. Additive time synchronous system in existing SDH networks[J]. Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE, 1999, 14(2): 19-28.

[2] Suzuki T, Miyake K, Shindo T. Discharge path model in model test of lightning strokes to tall mast[J]. Power Engineering Review, IEEE, 1981, PER-1(7): 54-54.

[3] 胡毅, 劉凱. 輸電線路 OPGW 接地方式的分析研究[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(9): 1885-1888.

[4] 繆晶晶, 徐志磊, 冒新國(guó), 等. OPGW接地方式研究及分段絕緣方案設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)通信, 2012, 33(1):47-51.

[5] 李振強(qiáng), 戴敏, 婁穎, 等. 特高壓線路地線布置方式對(duì)地線電能損耗及潛供電流的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2010, 34(2): 24-28.

[6] 黃旭峰. 光纖復(fù)合架空地線接地方式的改進(jìn)[J]. 高電壓技術(shù), 2010, 36(2): 356-364.

[7] Miyake K, Kishizima I, Suzuki T. Study on experimental simulation of lightning strokes[J]. Power Engineering Review, IEEE, 1981, PER-1(4): 41-42.

[8] Banwell T, Galli S. A novel approach to the modeling of the indoor power line Channel part I: circuit analysis and companion model[J]. Power Delivery,IEEE Transactions on, 2005, 20(2): 655-663.