進(jìn)站OPGW門型架引下安全性研究

戚力彥，楊斌，范冕（.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京　009；.國(guó)家電網(wǎng)公司信通部，北京　0003）

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進(jìn)站OPGW門型架引下安全性研究

戚力彥1，楊斌2，范冕1
（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.國(guó)家電網(wǎng)公司信通部，北京100031）

摘要：近年來，進(jìn)站光纖復(fù)合架空地線（OPGW）引下線經(jīng)常出現(xiàn)燒斷的現(xiàn)象，引起了通信業(yè)務(wù)中斷，進(jìn)而危害了電網(wǎng)的安全。本文在分析OPGW進(jìn)入變電站后各類故障及事故隱患的基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)站OPGW門型架引下安全性進(jìn)行了研究，對(duì)工頻接地短路及雷電情況下進(jìn)站OPGW的安全性進(jìn)行了研究，提出了進(jìn)站OPGW的塔上兩點(diǎn)接地引下方法，全面分析解決了進(jìn)站OPGW門型架引下的安全性問題。

關(guān)鍵詞：OPGW；感應(yīng)電壓；感應(yīng)電流；工頻

Project Supported by Science and Technology Project of SGCC （TX71-13-035）.

長(zhǎng)期以來，光纖復(fù)合架空地線（Optical fiber composite overhead ground wires，OPGW）設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了線路鐵塔接地問題，并未考慮OPGW進(jìn)站段光纜的塔上引下接地問題，由于門型架至終端塔OPGW光纜懸空，從而使得該段光纜未受到保護(hù)，一旦出現(xiàn)雷擊或變電站母線短路等情況時(shí)將產(chǎn)生極大的電流通過光纜，如果超過光纜的短路容量，就會(huì)發(fā)生損壞甚至燒斷光纜的情況，從而中斷通信業(yè)務(wù)，危害電網(wǎng)安全。

近年來，國(guó)內(nèi)已有部分設(shè)計(jì)單位與網(wǎng)省公司開始在設(shè)計(jì)時(shí)考慮OPGW引下接地方式[1-3]，并要求對(duì)OPGW進(jìn)站構(gòu)架處進(jìn)行絕緣處理，如安裝絕緣子，增加絕緣橡膠墊等，以解決構(gòu)架、變電站光纜的引下接地安全連接問題。但由于目前國(guó)內(nèi)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，各地構(gòu)架及變電站的接地安全處理方式也不一樣，沒有統(tǒng)一的施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過研究OPGW進(jìn)入變電站后各類故障及事故隱患的內(nèi)在原因，通過對(duì)典型案例的分析，并應(yīng)用過電壓理論分析論證，驗(yàn)證了當(dāng)OPGW與門型架金屬構(gòu)件間隙足夠少時(shí)，在雷電或電力系統(tǒng)過電壓作用下，將可能導(dǎo)致OPGW與門型架金屬構(gòu)件之間放電，從而擊穿熔斷纖芯，造成通信中斷事故。本文研究了電網(wǎng)工頻接地短路情況下進(jìn)站OPGW的安全性，研究了雷電對(duì)進(jìn)站OPGW安全性的影響，提出了進(jìn)站OPGW的塔上引下接地方式，從而全面分析解決了進(jìn)站OPGW門型架引下的安全性問題。

1進(jìn)站OPGW斷股損傷問題

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行電力規(guī)程規(guī)定：“110 kV及以上配電裝置，可將線路的避雷線引接到出線門型架構(gòu)上”[4]，且“變電所的接地裝置應(yīng)與線路的避雷線相連，且有便于分開的連接點(diǎn)”[5]。所以在現(xiàn)有變電所進(jìn)線段地線的設(shè)計(jì)中，一般遵循了2個(gè)原則：一是變電所出線門型架構(gòu)與線路的避雷線相連；二是有便于分開的連接點(diǎn)。前者的目的是增強(qiáng)地線的分流和屏蔽作用，有利于防雷；后者的目的是有利于變電所接地電阻的準(zhǔn)確測(cè)量。

但是，OPGW的接地和普通地線的接地有所不同，OPGW有一段垂直引下線，相關(guān)規(guī)定未具體說明OPGW的接地方式和接地位置。在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行過程中，OPGW引下線通常是未充分接地而直接懸空接入光纜接續(xù)盒，而變電所出線門型架構(gòu)與線路的避雷線是相連的。這導(dǎo)致了OPGW引下線經(jīng)常出現(xiàn)燒斷的現(xiàn)象。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這種OPGW引下線燒斷的現(xiàn)象大量出現(xiàn)在各電壓等級(jí)的變電站中，僅浙江省電網(wǎng)公司所轄地區(qū)3 a內(nèi)就發(fā)生了8次類似事故，2010年—2011年湖南境內(nèi)也發(fā)生2例因光纜遭受雷擊影響國(guó)家電網(wǎng)一級(jí)骨干電路運(yùn)行安全的事件[6]，并且均發(fā)生在門型架處?，F(xiàn)場(chǎng)事故照片如圖1和圖2所示。

圖1浙江省電力公司所轄變電站的OPGW引下線燒斷現(xiàn)象Fig. 1 The fusing phenomenon of the OPGW in the substation of the Zhejiang Electric Power Corporation

圖2湖南沙撈Ⅱ線OPGW門型架引下線及鋼帶熔斷情況Fig. 2 The fusing phenomenon of the OPGW leading down from the portal frame and steel strip on Sarawak IIline constructed by Hunan Power Transmission Engineering Company

經(jīng)調(diào)研分析，變電站進(jìn)站OPGW斷股事故的放電故障位置及直接原因基本可分為2類：一類是OPGW對(duì)構(gòu)架和構(gòu)架上踏腳釘放電；一類是OPGW對(duì)余纜架放電。OPGW在輸電狀態(tài)下將長(zhǎng)期產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)在雷電、短路、操作過電壓期間也會(huì)短時(shí)產(chǎn)生大量感應(yīng)電流，因OPGW門型架處引下方式不規(guī)范，致使OPGW發(fā)生熔斷，導(dǎo)致纖芯受損。雖然一些故障得到臨時(shí)解決，但這一普遍現(xiàn)象需要進(jìn)行深入研究，目前未發(fā)生事故的進(jìn)站OPGW仍存在一定安全隱患，需要切實(shí)有效地從事故根源解決問題。

2進(jìn)站OPGW運(yùn)行安全性研究

從以上案例可歸納總結(jié)出，造成OPGW及其導(dǎo)引光纜損傷的主要原因有以下幾點(diǎn)。

2.1工頻接地短路或雷擊時(shí)的反擊過電壓

當(dāng)線路故障短路電流沖擊OPGW時(shí)，光纜內(nèi)部不銹鋼光單元瞬時(shí)高溫，會(huì)影響光纖的傳輸性能甚至熔斷光纖，必須提高光纜的短路電流容量，以降低短路故障對(duì)光纜的影響。

雷擊是造成OPGW瞬時(shí)高溫的另一個(gè)因素[7-9]。由于變電站周圍有許多避雷針，從故障現(xiàn)場(chǎng)看，避雷針的位置都高于光纜故障點(diǎn)，直擊雷和雷電繞擊的可能性很小。光纜斷股的原因很可能是在OPGW上的雷電行波通過桿塔向大地放電的過程中，碰到桿塔上的鐵梯繼而向抱箍放電；或是雷擊變電站避雷針引起地電位反擊造成地電位升高，使得桿塔上金屬構(gòu)架與OPGW之間產(chǎn)生電位差，引起放電拉弧。

從以上2種現(xiàn)象來看，電力系統(tǒng)發(fā)生工頻接地短路或雷擊時(shí)，設(shè)備接地點(diǎn)可能具有升高的電位，從而產(chǎn)生可能使設(shè)備損壞的高電壓，即反擊過電壓。

2.2間隙放電

部分變電站OPGW引下線未與變電站門型架金屬構(gòu)件及地網(wǎng)系統(tǒng)連接，OPGW引下線與金屬構(gòu)架沒有固定連接，而只是緊靠在一起，當(dāng)OPGW與金屬構(gòu)架的間隙足夠小時(shí)，這時(shí)放電點(diǎn)兩邊只要有很低的電位差，就會(huì)產(chǎn)生熔化能量很大的燃弧，足以把光纜外層甚至內(nèi)層的股線熔斷。工頻擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系曲線[10]如圖3所示。

2.3電弧燒傷

在OPGW接入變電站構(gòu)架時(shí)，存在著OPGW未與變電站構(gòu)架接地網(wǎng)連接、OPGW與變電站構(gòu)架接地網(wǎng)的連接面積過小和接觸不良、OPGW從構(gòu)架頂部引下時(shí)其外體與構(gòu)架金具構(gòu)件有非固定性接觸的現(xiàn)象。運(yùn)行中的OPGW存在較強(qiáng)的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓，在釋放電荷能量入變電站接地網(wǎng)的過程中，由于存在OPGW接地線線耳有效接觸面積過小，線耳材質(zhì)與構(gòu)架材質(zhì)不同，構(gòu)架接觸面不夠平整光滑，以及連接不夠牢固等因素，造成OPGW接地線線耳與變電站接地網(wǎng)連接處出現(xiàn)感應(yīng)放電燒傷的情況。在OPGW接地線因放電燒傷線耳引起接地電阻增大時(shí)，OPGW外體與構(gòu)架金屬構(gòu)件非固定性接觸處形成新的放電回路而產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致OPGW外層絞線逐漸熔化斷股。

3理論分析與仿真計(jì)算

3.1工頻感應(yīng)電壓和電流研究

研究過程將結(jié)合我國(guó)1 000 kV交流特高壓工程的實(shí)際情況，通過EMTP程序建立仿真計(jì)算模型，計(jì)算變電站內(nèi)OPGW引下線末端感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，判斷是否可能造成OPGW對(duì)變電站門型構(gòu)架放電。

分別考慮3種OPGW接地方式，計(jì)算OPGW上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流值結(jié)果，如表1所示。

表1 OPGW不同接地方式時(shí)的感應(yīng)電壓電流Tab. 1 OPGW induction voltage and current in different grounding modes

可以看到，在OPGW和門型架的頂部、末端絕緣的情況下，OPGW上的感應(yīng)電壓最高，為61.6 V。OPGW和門型架的頂部絕緣、末端經(jīng)余纜段后接地情況下，OPGW上的感應(yīng)電流最大，為17.5 A。

3.2工頻短路故障情況下OPGW上的過電壓研究

對(duì)于交流線路，導(dǎo)線單相接地故障時(shí)，在地線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小與系統(tǒng)的運(yùn)行方式（短路電流大小）、故障時(shí)刻和接地點(diǎn)位置等因素均有關(guān)，如圖4所示。線路單相接地短路情況下，部分短路電流經(jīng)OPGW流回變電站。三相導(dǎo)線電流嚴(yán)重不平衡，在OPGW上也會(huì)感應(yīng)電壓和電流。

圖4單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)處地線上的感應(yīng)電壓（50 km）Fig. 4 Induction voltage of GW under the single-phaseto-ground fault conditions

表2為單相接地，OPGW不同接地方式下的電壓（構(gòu)架頂端處的OPGW對(duì)地電壓）和電流。通過計(jì)算可以看到：OPGW末端應(yīng)接地。

表2單相接地故障情況下OPGW上的電壓和電流Tab. 2 Voltage and current of OPGW under thesingle-phase-to-ground fault conditions

3.3雷擊故障情況下OPGW上的過電壓研究

表3列出了幅值為5 kA和100 kA的雷電流雷擊進(jìn)線段時(shí)，OPGW與構(gòu)架3種不同連接方式下，在余纜的頭部位置OPGW和構(gòu)架之間的瞬態(tài)電壓水平。可以看到第3種方式瞬態(tài)電壓降到很低，所以，推薦在余纜的頭部位置把OPGW引下線和構(gòu)架之間宜用金屬線夾固定和連接。

3.4進(jìn)站OPGW的塔上引下接地方式

在正常運(yùn)行時(shí)，OPGW宜和門型構(gòu)架頂部電氣直接相連接，OPGW末端（余纜頭部位置）宜和地網(wǎng)連接。測(cè)量變電站接地電阻時(shí)，OPGW應(yīng)該可以比較方便地和門型構(gòu)架分開。在余纜頭部位置，宜把OPGW引下線和門型構(gòu)架用金屬線夾固定和短接，在余纜架上，可以把OPGW和余纜架用金屬線綁緊，使其接觸良好。

表3雷擊進(jìn)線段時(shí)在余纜頭部位置OPGW引下線和構(gòu)架之間的瞬態(tài)電壓（kV）Tab. 3 Transient voltage（kV）between the OPGW and the frame in the head position of the residual cable when lightning strikes the line

4進(jìn)站OPGW各類故障及事故隱患分析

4.1故障案例分析

山東臨沂供電公司沈泉站中的220 kV京滬線OPGW，于2014年5月17日發(fā)生光路中斷，通過現(xiàn)場(chǎng)檢查測(cè)試，確定故障點(diǎn)在220 kV沈泉站內(nèi)京滬線門型架懸掛點(diǎn)處，OPGW被燒灼導(dǎo)致光單元中光纖斷裂，如圖5所示。

圖5光纜故障部位斷股情況Fig. 5 The broken strand situation of the fiber optic cable

京滬線在故障前，OPGW由構(gòu)架頂端直接引下，無專用接地線，只是由1.6 mm鍍鋅鐵絲將OPGW光纜綁在門型架頂端，然后，OPGW光纜沿門型架及水泥桿引下，其引下的其他位置均采用絕緣夾具與門型形架或水泥桿梯子連接，所以該部分引下光纜與構(gòu)架基本處于絕緣狀態(tài)。OPGW引下后在接頭盒處接續(xù)并接地（由于接頭盒所處的水泥柱沒有接地端子，OPGW光纜采用接線夾具與鐵梯子連接在一起，鐵梯子通過A形水泥柱的另一個(gè)柱子接入地網(wǎng)）。

OPGW進(jìn)站時(shí)，感應(yīng)電流較大。經(jīng)實(shí)測(cè)，線路正常運(yùn)行條件下，個(gè)別線路OPGW感應(yīng)電流可達(dá)25 A，若OPGW進(jìn)站后等電位連接不良（包括接地不良），在不良等電位連接處會(huì)產(chǎn)生持久電弧燒蝕，可造成OPGW燒斷。若線路發(fā)生雷擊、操作過電壓、短路故障等非正常運(yùn)行狀況，工頻續(xù)流造成的感應(yīng)電流可高達(dá)數(shù)千安培，OPGW在不良等電位連接處也容易燒斷（或燒蝕）。

沈泉站京滬線發(fā)生OPGW斷芯故障前，OPGW與門型架之間采用鍍鋅鐵絲綁扎，另有一處搭接在一起，屬于不良等電位連接，因而由于連接不良產(chǎn)生持久電弧燒蝕造成燒斷（見圖6）。

圖6京滬線故障前OPGW與門型架的等電位連接不良Fig. 6 Equal potential bad connection between the OPGW and portal frame before the Beijing Shanghai transmission line failure

4.2進(jìn)站OPGW故障隱患分析

沈泉站寶沈線和沈臨線OPGW的接地方式為OPGW與門型架之間用帶間隙的絕緣子連接，無專用接地線，如圖7所示。同時(shí)，OPGW與門型架采用鍍鋅鐵絲捆扎連接，OPGW與A型水泥桿用不銹鋼固定卡具固定，OPGW與水泥桿底部接地端子通過匹配的專用地線進(jìn)行可靠電氣連接。

分別對(duì)OPGW的余纜前后進(jìn)行感應(yīng)電流測(cè)試。經(jīng)測(cè)量，兩點(diǎn)電流分別為14.0 A和14.2 A，兩處均存在一定的感應(yīng)電流。因此，該OPGW引下方式同樣存在較大隱患。

圖8為堰頭站一條線路的進(jìn)站OPGW的引下方式，OPGW與建筑防雷線之間有一處搭接，無固定措施，存在較大隱患。

圖7寶沈線、沈臨線OPGW與門型架用鐵絲綁扎Fig. 7 Binding with iron wire between the OPGW and portal frame at Baoshen line and Shenlin line

圖8堰頭站OPGW引下方式Fig. 8 The way of OPGW leading down atYantou Substation

5　結(jié)語(yǔ)

OPGW具有地線和光纜的雙重作用，其引下光纜處于線路、變電、通信專業(yè)維護(hù)的分界點(diǎn)，由于其故障的處理涉及多個(gè)專業(yè)，今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)線路、通信、保護(hù)等專業(yè)共同處理的能力，從設(shè)計(jì)方案、工程建設(shè)、運(yùn)行管理等方面著手開展整治工作。

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戚力彥（1969—），女，碩士，研究方向?yàn)楣饫w通信、電力特種光纜；

楊斌（1977—），男，博士，研究方向?yàn)橥ㄐ判录夹g(shù)及應(yīng)用；

范冕（1982—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)防雷與接地技術(shù)。

（編輯黃晶）

Research on the Safety of Substation OPGW Leading Down from the Portal Frame

QI Liyan1，YANG Bin2，F(xiàn)AN Mian1
（1. China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2. Dept. of Information and Communication Technology，SGCC，Beijing 100031，China）

ABSTRACT：In recent years，the substation OPGW often appears to burn off the phenomenon，causing the interruption of communication services，and thus endanger the safety of power grid. On the basis of analysis of various faults and accidents in the substation，this paper studies the safety of OPGW leading down from the portal frame. The safety of the OPGW in the case of power frequency grounding fault and lightning is studied，and the two-point grounding method of the OPGW leading down from the tower is put forward，comprehensive analysis to solve the problem of the safety of the OPGW leading down from the portal frame.

KEY WORDS：OPGW；induction voltage；induction current；power frequency

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-08-15。

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（TX71-13-035）。

文章編號(hào)：1674- 3814（2016）02- 0026- 05

中圖分類號(hào)：TM866

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A