面向分段絕緣OPGW的新型接頭盒技術研究

王國彬，馮學斌，侯繼勇

(中國電力科學研究院有限公司信息通信研究所，北京 100192)

0 引言

我國大多數光纖復合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)采用逐塔接地的安裝方式[1-3]。其特點是接地方式可靠，能夠有效防止雷擊電流造成的破壞。但是與之相關的裝置較多，安裝不夠簡潔，而且地線感應電能損失較嚴重。解決這個問題的有效措施就是采用絕緣安裝的方式來安裝OPGW。

OPGW分段絕緣接地方式是在電力區(qū)段內只有一點接地，不會形成感應電流流失，從而有效降低輸電線路的電能損耗[4-7]。以該方式為基礎的光電分離接頭盒在我國多條輸電線路得到了應用。但是經過一個階段的運行實踐，相繼發(fā)生了多起因放電造成光纜、接頭盒灼蝕而導致光纜中斷等故障[8-10]。據統(tǒng)計，現有分段絕緣安裝方式OPGW線路的故障中，80%以上是由接頭盒故障引起的。如不能較好地解決光纜接頭盒的問題，會給電網調度、繼保、通信和運維等重要業(yè)務的安全運行埋下隱患。

1 分段絕緣OPGW接頭盒應用現狀

1.1 分段絕緣接地方式

OPGW光纜逐塔接地方式如圖1所示。

圖1 OPGW光纜逐塔接地方式示意圖Fig.1 OPGW optical tower-by-tower grounding method

由圖1可知，當OPGW與大地構成回路，高壓線路未均勻換位時，導線磁場將在OPGW上感應出較大的電磁感應縱電動勢和電流，由此產生較大的電能損耗。

OPGW光纜分段絕緣接地方式則是將接續(xù)塔一側接地、另一側絕緣，或一端接續(xù)塔兩側全接地、另一端的接續(xù)塔兩側全絕緣[11]。分段絕緣接地方式在電力區(qū)段內只有一點接地，正常運行無感應電流接地通路，線路感應電損耗很小。但設備和接線方式略為復雜，在工程使用時需處理好運行檢修時OPGW絕緣端感應電壓偏高的問題。當前，尚無一種可以滿足分段絕緣方式的光纜接續(xù)裝置。這已成為制約絕緣OPGW技術推廣的關鍵原因。

OPGW分段絕緣的接地方式如圖2所示。

圖2 OPGW分段絕緣接地方式示意圖Fig.2 OPGW segmented insulation grounding method

1.2 光電分離接頭盒技術分析

目前，輸電線路應用的光電分離絕緣接頭盒結構一般分為隔離型、接續(xù)型和終端型[12]。通過中空復合絕緣子使盒體兩側需要接續(xù)的OPGW光纜的外包絞線絕緣，同時采用光電分離技術使OPGW光纜中的光纖在進入上下熔接盒后從鎧裝層中剝離出來，并與預埋在中空復合絕緣子內的光纖接續(xù)，從而實現OPGW光纜外包絞線絕緣、光纖接續(xù)的功能。

OPGW絕緣接頭盒典型結構如圖3所示。

圖3 OPGW絕緣接頭盒典型結構Fig.3 Typical structure of insulated joint box of OPGW

輸電線路正常運行時，絕緣接頭盒處于絕緣狀態(tài)。當線路遭受雷擊或者發(fā)生短路等故障時，接頭盒兩側的電勢差大于放電間隙的擊穿值，放電間隙被擊穿，OPGW光纜通過放電間隙電氣導通接地，從而對絕緣接頭盒進行保護。故障排除后，放電間隙恢復電氣斷開狀態(tài)，OPGW重新進入正常運行狀態(tài)。

1.3 絕緣接頭盒故障分析

1.3.1 雷電流沖擊燒損盒內光單元

某500 kV分段絕緣OPGW線路發(fā)生通信中斷故障?，F場勘察結果表明，該故障是光纜接頭盒故障所致。打開接頭盒發(fā)現盒內光纖全部燒毀，光單元受損嚴重。接頭盒安裝不當是導致此故障的直接原因。安裝時，不銹鋼管光單元整體通過接頭盒側翼進入盒體內部。發(fā)生雷電流沖擊時，套在不銹鋼管上的絕緣保護管被燒損，側翼空心絕緣子實際上已經被短路，不銹鋼管光單元作為導體與金屬盒體長時間放電導致光纖單元燒損。

1.3.2 雷電流沖擊引起絕緣子炸裂

某500 kV分段絕緣OPGW線路發(fā)生通信中斷故障，現場發(fā)現接頭盒一側復合絕緣子脫落并炸裂。經查發(fā)現發(fā)生故障當天為雷雨天氣，因光電分離接頭盒內部絕緣距離不足，接頭盒兩側電勢差較大，高能量雷電流產生高溫導致接頭盒側翼復合絕緣子炸裂，造成通信中斷。

2 新型分段絕緣OPGW接頭盒研制

2.1 設計方案

為了從根本上解決現有分段絕緣OPGW接頭盒的故障隱患，本文結合實際線路情況，設計了一種新型分段絕緣光纜中間接頭盒。該接頭盒安裝在耐張塔跳線位置，進行光纜接續(xù)。接頭盒本體材料為鋁合金，炮彈式形狀，懸掛方式既具有跳線簡潔的效果，又不至于因為掛裝導致與桿塔的絕緣距離變化。

新型分段絕緣OPGW光纜接頭盒由殼體、連接端蓋、殼體蓋、夾塊、預絞絲等組成。新型分段絕緣OPGW光纜接頭盒結構如圖4所示。殼體兩端分別設置有穿線孔，形成炮彈形狀的過渡面，便于外層預絞絲的纏繞；同時，傾斜的迎風面能夠有效減小風阻，可避免因強風而造成的線纜損壞，增加了防風偏性能。

圖4 新型分段絕緣OPGW光纜接頭盒結構Fig.4 New segmented insulation OPGW fiber optic cable joint box structure

2.2 加工制作

新型分段絕緣OPGW接頭盒在生產制造過程中嚴格按國家及行業(yè)標準執(zhí)行，所涉及的成型等方式都是成熟的工藝。加工工藝流程如圖5所示。加工過程中在產品材料、密封性、結構尺寸配合上保證質量，同時通過試驗驗證優(yōu)化結構設計，使產品滿足《架空線路用預絞式金具技術條件、YDT 814.2光纜接頭盒 第二部分：光纖復合架空地線光纜接頭盒》(DL/T 763)的要求。

圖5 加工工藝流程Fig.5 Processing process flowchart

3 接頭盒安裝及線路布置

3.1 安裝關鍵

新型絕緣OPGW接頭盒結構要求每個零部件安裝緊密配合，特別是光纖熔纖盤應與殼體緊密連接。熔纖盤沿內筒導軌裝入固定位置。裝配時，應防止光纜轉動，避免組裝時因光纜扭轉導致已熔接的光纖受損。

光纜開剝接纖時，應提前做好各項準備工作，包括計算熔接所需的光纜長度，并剝出光纖，固定好纖芯束管位置，不能讓纖芯束管變形或者發(fā)生斷裂。光纜切割端面應與夾塊端面平齊，避免與殼體內筒接觸導致殼體蓋無法擰緊。內外筒安裝時，應將內筒帶孔一端安裝在外筒開口處，避免裝反。

3.2 線路布置方式

在500 kV及以上輸電線路電磁環(huán)境下，OPGW接頭盒安裝距離、感應電壓和電勢是分段絕緣接地方式應用的關鍵。新型絕緣OPGW接頭盒具有免維護、良好接續(xù)的特點，無需改變現有光纜線路設計，同時解決了現有帽式接頭盒的許多問題，實現了絕緣性能的提升，更適合在各種電磁環(huán)境下應用，可在電網推廣。

輸電線路接續(xù)塔兩側OPGW經余纜盤后，將OPGW光纜用跳線方式與新型絕緣接頭盒連接。接頭盒內電氣隔離。OPGW經帶有放電間隙的絕緣子與塔頭連接。接頭盒在桿塔橫擔跳線布置如圖6所示。在與它相鄰的前后兩基OPGW 接續(xù)塔上，兩側OPGW 均采用這種新型分段絕緣接頭盒，不再采用常規(guī)光纜接頭盒。

圖6 接頭盒在桿塔橫擔跳線布置示意圖Fig.6 Jumper arrangement of joint box on tower cross arm

4 測試分析

4.1 抗拉性能

OPGW絕緣接頭盒抗拉性能測試的目的是檢驗接頭盒夾塊加持OPGW的能力。將其加載至3 kN，并保持1 min。如未發(fā)生滑移，則滿足標準和工程要求。測試結果為加載至5.08 kN時樣品滑移，滿足要求。

4.2 短路電流試驗

短路電流試驗的目的是評估在典型短路條件下的接頭盒溫度變化和光纖的光學性能。接頭盒在短路電流的影響下，內部盤纖盤溫度和殼體溫度都不應急劇上升。短路電流試驗溫度變化曲線如圖7所示。試驗結果表明，接頭盒表面最大溫度(18 ℃)和接頭盒內部最大溫度(22.7 ℃)均小于OPGW光單元最高溫度(26.5 ℃)，證明OPGW在規(guī)定的最高溫度下其性能未受影響。

圖7 短路電流試驗溫度變化曲線Fig.7 Short-circuit current test temperature change curves

4.3 工頻耐受電壓試驗

OPGW絕緣接頭盒樣品經過試驗后不應有損壞，包括絕緣體的擊穿，但不包括絕緣件表面上的輕微放電痕跡或膠裝物及其他材料的碎片脫落。試驗要求為工頻1 min耐受電壓(干)工頻電壓試驗。耐受試驗依據GB/T 19519—2014校正電壓進行。接頭盒工頻耐受電壓試驗結果如表1所示。

表1 接頭盒工頻耐受電壓試驗結果Tab.1 Joints box frequency with stand voltage test results

測試結果表明，在耐受電壓和耐受時間條件下，2個接頭盒樣品經過試驗后未發(fā)生閃絡，盒內絕緣體沒有被擊穿且表面質量良好，溫升性能良好。這一結果滿足500 kV電壓等級下輸電線路分段絕緣方式OPGW光纜工程條件要求。

4.4 雷電全波沖擊耐受電壓試驗

試驗按GB/T 19519—2014校正電壓進行。試驗時，調整沖擊電壓發(fā)生器使之產生所需要的沖擊波形然后升高電壓至規(guī)定的耐受電壓，共施加 15 次的沖擊波。如果閃絡次數不超過 2 次，則試品通過本試驗。雷電全波沖擊耐受電壓試驗結果如表2所示。

表2 雷電全波沖擊耐受電壓試驗結果Tab.1 Lightning full wave impulse withstand voltage test results

測試結果表明，在雷電全波沖擊耐受電壓和耐受次數條件下，2個接頭盒樣品經過試驗后未發(fā)生閃絡，盒內絕緣體沒有被擊穿且表面質量良好。該結果滿足500 kV電壓等級下輸電線路分段絕緣OPGW光纜工程條件要求。

5 結論

本文通過分段絕緣OPGW光纜線路接頭盒故障分析，研制了一種新型OPGW絕緣接頭盒。該研究既保證了密封性能，又能實現接頭盒不與桿塔接觸，與OPGW光纜處于同等電位的一體化運行。新型絕緣OPGW接頭盒研制樣品經過機械、電氣和環(huán)境性能測試，滿足相關標準和工程條件要求。同時，本文提出了將其安裝懸掛在接續(xù)塔跳線位置，可以實現OPGW分段絕緣連接和跨越耐張段，不需要進行二次安裝。新型絕緣OPGW光纜接頭盒的成功研制，將有力地促進OPGW分段絕緣接地方式的推廣和應用，推動輸電線路節(jié)能和降耗。