解决方案︱输电线路复合光纤架空地线接地调查及改进措施
广东电网公司东莞供电局、重庆大学通信工程学院的研究人员袁志坚、李为等，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，复合光纤架空地线(optical fiber composite overhead ground wire, OPGW)由于具有防雷和光纤通信功能，在输电线路上得到了广泛应用。电网实际架设情况中，常常存在接地方式不规范现象，本文在调研输电线路OPGW接地系统现状的基础上，针对OPGW接地方式中的多种情况进行了雷击实验及结果分析得出，采用逐塔接地的OPGW以及分段绝缘、一点接地的普通地线方式使得OPGW容易遭受雷击，严重的情况下会造成OPGW断股。针对实际架设情况与实验结果，给出了接地系统的整治及改进建议。
复合光纤架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPGW）将光纤内置于架空输电线路的地线中，构成依托输电线路的光纤通信网，以承载着传输远动、保护和调度电话等重要通信业务。
近年来，运行中的OPGW多次发生雷击断股问题，断股大多出现在档距中，OPGW较GJ（钢绞线）更易遭受雷击断股。其主要原因在于OPGW与普通地线因接地方式不同，对地电阻存在较大差异。在遭遇雷击时，雷电流优先选择电阻值较小的OPGW进行泄流；另外，逐塔接地的OPGW上会感应出更多与雷电流先导极性相反的异性电荷，使二者间的电场增强，导致雷击OPGW更容易发生[1]。
因此研究OPGW接地工程对雷击的影响，对提高输电线路故障防范和防雷技术水平具有重要的现实意义和工程价值。
本文首先介绍了针对变电站OPGW及不同电压等级线路OPGW接地系统的调研情况，指出安全隐患的问题所在。然后，针对OPGW逐塔接地，GJ的不同接地方式进行了雷击击着概率实验，探寻减小OPGW遭受雷击击中概率的方式。最后提出了对现有OPGW接地系统的整治及改进建议。
1 实际OPGW接地系统情况统计及分析
对辖区内220kV和500kV电压等级变电站OPGW接地系统缺陷进行了排查，共查勘变电站56个，其中220kV变电站46个，500kV变电站10个；查勘110kV线路520余条，220kV线路300余条，500kV线路30余条。
在对OPGW接地系统缺陷排查的统计分析表明，220kV及以上电压等级的变电站进行了系统的OGPW接地系统缺陷排查，接地系统主要存在以下缺陷：
1）接地扁铁不规范：接地扁铁不规范主要表现在：无接地扁铁或对接地扁铁“视而不用”，采取“间接接地”方式。如图1所示，线路的OPGW光缆三点均未接地，一旦遭受雷击，雷电流将不能从这里导入地下，埋下了事故隐患。三点接地线与接地铁排之间的螺丝脱落或接触不可靠等问题。如图2所示，三点接地线接在铁塔上一个螺丝点（通常称为“间接接地”）。“间接接地”未将三点接在接地扁铁上，而是与铁塔内层的钢筋支架连接，这种方式是一种不规范的“隐形”接地方式。
2）盘缆余缆架接地不规范：盘缆余缆架接地不规范主要表现为：余缆架未接地；余缆架与接地线接触不可靠；接地线横截面积不合要求；余缆架里的光缆脱落或盘缆弯曲度过大、安装位置过低或过高等。
图1. 接地扁铁不规范现象
图2. 间接接地现象
图3. 盘缆余缆架接地不规范现象
图4. 光纤接续盒接地不规范现象
盘缆余缆架接地不规范如图3所示，可以看出接地存在三个问题：盘缆余缆架接地线、光纤接续盒和OPGW余缆接地线分开连接且分开接地，不符合分别连接，统一接地的要求。盘缆余缆架的接地线横截面积小于25mm2，非铝合金线或铝钢包线，易受外界风雨腐蚀而脱落。盘缆余缆架接地线与接地排接地点油漆未磨光。由于油漆为绝缘物质，余缆架的接地电阻将增大，影响其导雷电流的效果。
3）光纤接续盒接地不规范：光纤接续盒接地不规范主要表现在：光纤接续盒未接地；接续盒与接地线接触不可靠；接地线横截面积不合要求；接续盒脱落等。光纤接续盒接地不规范如图4所示，该类型接地方式存在以下问题：光纤接续盒脱落，如果持续时间过长，由于重力原因，接续盒会彻底掉落，可能会将光缆折断或将接续盒内熔接的光纤震断，造成通信业务中断，引起障碍或事故。光纤接续盒、盘缆余缆架、OPGW余缆均未接地，一旦遭受雷击，极易导致OPGW断股。光纤接续盒脱落，导致光缆弯曲度过大, 影响光通信质量。
4）OPGW余缆接地不规范：OPGW余缆接地不规范主要表现在：OPGW余缆未接地；OPGW余缆与接地线未用金属线夹可靠连接；接地线横截面积不合要求等。如图5所示，OPGW余缆与接地线仅用细钢丝连接，在一些低电压等级OPGW余缆接地中比较常见的缺陷。此外，还发现一些回路的OPGW余缆在余缆架上盘缆不规范，虽然不会直接影响OPGW的防雷效果，但由于光缆盘缆混乱，会导致日常巡检难以发现存在的缺陷隐患。
图5. 余缆接地不规范现象
由以上实际情况调研总结，可以看出，在电网实际安装架设运行中，接地方式不规范情况非常常见，因此明确OPGW接地系统规范，提出整治预防措施，对于保证电网输电线路安全正常运行，减少OPGW遭受雷击的概率非常必要。
OPGW在进入变电站后，无论电压等级如何，按照电力系统规范，必须严格做到三点可靠接地，即OPGW余缆接地、光纤接续盒接地、盘缆余缆架接地，如图6和7所示。
图6 三点接地位置
图7 三点接地要求
2 雷击实验
在实际运行情况中发现，OPGW与GJ不同接地方式组合，对OPGW遭雷击概率及电能损耗有很大的影响[4-6]。为探究不同接地方式对雷击的影响特性与规律，针对双避雷线不同接地方式下进行雷击选择性实验研究。
实验中使用2400V的冲击电压发生器生成雷电电压，波形为1.2/50μs的正极性雷电波形，用静止照相机B门记录放电过程，放电路径和击着点的判断以照片为依据统计。实验的塔杆模型横截面如图6所示，实验装置搭建过程中，按照380：1的尺寸模拟[3][7-8]。
模拟避雷线和塔顶高为10cm，模拟避雷线间距为5.3cm。雷电模拟先导使用直径为1mm的钢针（头部带尖端），布置雷电先导在模拟线路的档中间，准确对准两避雷线中间，并连接到冲击电压发生器的输出端。采用三根4mm2的铜线焊接并加水平横担模拟铁塔，在横担两侧布置避雷线GJ，GJ线和OPGW严格与塔中心点等距。
图8. 杆塔模型横截面
主要对以下几种情况下的雷击放电击着点情况进行实验：
1）两避雷线水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ线全线不接地(A方式)；2）两避雷线水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ线全线一端接地（B方式）；3）两避雷线水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ线全线两端接地（C方式）；4）两避雷线水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ线分两段，分段分别一端接地（D方式）；5） GJ线比OPGW高1.8mm，OPGW逐塔接地，GJ线全线一端接地（E方式）；6）两避雷线水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ线全线一端接地，并在档中先导下方的GJ线上加2.2mm的放电尖（F方式）；7）两避雷线水平等高布置，OPGW逐塔接地，GJ线全线一端接地，并在档中先导下方的GJ线上加5mm的放电尖（G方式）。
不同接地方式下双避雷线遭雷击试验结果表1所示。从以上模拟试验结果可以看出：
A方式时，OPGW遭雷击概率仍占绝大多数，说明OPGW上会感应出与先导极性相反的异性电荷，导致放电更易于在OPGW上发生。
B方式和C方式时，不能有效的降低OPGW的击着概率，OPGW的击着概率仍略高于GJ。
F方式和G方式时可以有效降低OPGW遭雷击的概率。
E方式时，GJ的击着概率高于OPGW，可对OPGW起到一定的保护作用。
由上述分析可知，目前广泛采用的OPGW逐塔接地的接地方式损耗较大，易使OPGW遭雷击断股从而影响电力系统的可靠通信。因此，探讨OPGW合理的接地方式十分必要。
普通避雷线为减少环流损耗可采用绝缘地线或分段绝缘、一点接地的方式，OPGW要起到避雷线和通信通道的双重作用，不能采用分段绝缘、一点接地的方式，可采用绝缘地线的方式。
3 OPGW接地缺陷整治及改进措施
根据以上分析可以看出，电网实际安装架设运行中，接地方式不规范情况非常常见，并且OPGW与GJ的不同的接地方式对雷电击着概率有一定的影响，因此需要合理设计接地方式，对现有实际接地方式进行整治以保证电网输电线路安全正常运行，减少OPGW遭受雷击的概率。针对OPGW接地系统存在缺陷的实际调研情况与实验研究结果，提出如下整治及改进措施：
1）对所有电压等级的变电站内各条线路OPGW接地系统进行缺陷排查、统计，为隐患处理准备数据和材料。
2）根据排查结果，确认消除隐患所需的接地扁铁、接地线、金属线夹等材料的数量。
3）以变电站为单位，逐个消除OPGW接地系统缺陷，确保OPGW三点接地可靠。保证站外进入的OPGW光缆与站内光缆在物理上严格隔离或良好绝缘。
表1.不同接地方式下双避雷线遭雷击试验结果
4）以变电站为单位，用地阻仪对各条OPGW线路地阻值进行全面测量，确保在正常范围内。
5）由于GJ线熔点高，雷击时不易发生断股。对于雷击OPGW频繁地段，通过GJ加装放电尖，将雷电击着点尽量引向GJ线，保护OPGW免受雷击。
6）材料方面，需选用直径较大的铝包钢线单丝，并从OPGW光缆外层单丝的抗拉、防腐等各方面综合考虑。
7）在新架设OPGW线路前，对OPGW选型先进行短路热稳定计算，选取合适的型号和截面，使得短路故障不会对OPGW造成危害。
8）在保证电网安全、可靠运行的前提下，将OPGW逐塔接地方式改为分段绝缘方式，以减小电能损耗和降低OPGW遭雷击概率。
4 结论
针对电网实际OPGW接地系统状况进行了调研，对接地系统存在的缺陷进行了分类统计。构建了OPGW逐塔接地，GJ不同接地方式的多种典型雷击场景，进行了实验分析。并针对电网实际调研状况，给出了缺陷整治及预防措施。
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