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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――Optical FiberCompositeOverhead GroundW ire)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500 kV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2400 MW，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5000 h，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.
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