復合光纖架空地線在不同接地方式下的放電路徑選擇特性

鄭 鋼

（新疆維吾爾自治區送變電工程公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

從實際發展情況來看，光纖復合加工地線主要的接地形式為逐基接地，而普通避雷線多以分段絕緣、一點接地為主。站在斷股角度來說，由于雷電流的作用，導致弧根處的溫度提升。OPGW在使用過程中應用不同的接線方式，主要是為了提升對整個線路的保護。但是，實際中該種形式更容易發生雷擊和斷股事件，并存在巨大的環流損耗。

1 OPGW接地方式技術比較及工程實現

1.1 逐塔接地實施方案

OPGW逐塔接地方式是如今最成熟的基地技術之一，主要在產品設計、運行維護等方面發揮著重要作用，還可以在配套金具的作用下實施OPGW安裝。具體實施過程中，工作人員首先要做的是懸垂金具，如圖1所示。該種形式主要以預絞絲式懸垂線夾為主。其次是耐張金具，如圖2所示，主要以預絞絲式耐張線夾的使用為主。而在光纜接續盒的設計上，以金屬材料選擇為主，將其直接固定到塔角鋼之上。

圖1 懸垂金具

圖2 耐張金具

1.2 單點接地可行性

在OPGW單點接地過程中，主要包括三種接線方式。第一種，利用每基OPGW接續塔，在固定側使用絕緣夾具，另一層使用常規性夾具，可以維護接地引下不受到其他因素的影響，而在兩側高壓隔離上做好光纜的隔離工作，將其存放在接續盒中。此時，電氣隔離工作的開展也格外重要，為后續工作的開展創造了有利條件。第二種，由于每基OPGW接續塔的特點存在不同特性，此時OPGW絕緣夾具引下可以發揮巨大作用，可以實現盒內的電氣隔離。此外，還可以選擇每盤中間的鐵塔進行單點接地，并將放電間隙中的絕緣子與塔頭連接在一起。第三種，如果可以實現OPGW接續塔與某基點相連，則兩側的高壓隔離絕緣光纜也會在盒內實現電氣隔離。在相鄰的兩個OPGW接續塔中，主要以常規引下為主，而在光纜接續盒的選擇上，也會選擇一些常規性設備。

1.3 單點接地實施方案

工程建設過程中，OPGW單點接地方式有很多，主要的金具形式和技術方案如下。在金具形式的確定上，應以懸垂金具、耐張金具和防振金具等為主。如果放電間隙中的絕緣子可以保持正常的運行狀態，就可以在一定程度上承受住感應電壓的沖擊。當出現雷擊和線路故障時，工作人員可以通過放電間隙中的放電作用，將電流引入大地。在放電間隙絕緣子的選用上，主要以線型或盤型為主，這兩種結構滿足了所有的工作環境使用需求。為了避免電流過大而引起接觸電壓升高，可以在原有基礎上降低接觸電壓和跨步電壓值，避免施工人員受到傷害[1]。

2 輸電線路雷擊仿真實驗方式

2.1 雷電放電和長間隙

早期實驗時，為了提升研究效果，富蘭克林將棒性電極放置在棒-板間隙中，并對棒形電極進行有效保護，最終確定了避雷針的具體使用范圍。一般情況下，電極下行過程中會降低與地面之間的距離。當距離降低到一定程度后，人們才可以在雷擊點確認后將這一高度下的具體數值進行定位，該距離也被專業人員稱之為“擊距”。雷電的發展有90%的距離來源于先導，而在實驗上，先導的發展空間變成了30%～50%。由于長間距放電可以對雷電整個定位過程進行模仿，因此可以根據這一特性開展相關實驗。為了提升實驗效果，人們還可以利用棒電極對雷電下行先導進行定位，從而進行模擬選擇。

2.2 實驗電壓波形及極性

自然放電狀態下，主要以負極性雷為主。現有統計結果顯示，負極雷的所占比例在90%左右。因此，在雷電電壓模擬過程中，需確保雷電模擬情況與實際相近。著名科學家戈爾德在該項實驗中假設先導通道處于垂直狀態，長度為2.5 km。此時，通道中的分布電荷大小保持在1 C左右，具體的密度指數還會由上到下進行縮減。當與地面之間的距離達到50 m左右時，其電位的增長率處于150 kV/μs左右。此過程中，如果研究人員對3 MV的沖擊電壓進行應用，便可以使發生器展開工作。此時，實驗電壓的峰值保持時間將會超過40 μs。但是，在計算開展過程中，人們需要確定模擬實驗中的間隙大小，并與雷電間隙做對比，確保合理選擇沖擊波。

2.3 模擬比例尺的選擇

根據以往的工作預測和數據收集，人們可以將以往工作作為基礎，對第二階梯的導數進行先行放電。由于各種因素的影響，人們無法確定地上及地下的具體特征。下行先導也會受到上行的影響，并確定兩模擬器中的比例尺。本次實驗開展過程中，使用的比例尺有兩種，一種是1:50，另一種是1:10。如此一來，便可以充分確定放電選擇概率的影響，并判斷仿真實驗的結果。放電選擇上，出現的概率與地線接地方式和線路附近的地形呈現明顯的地貌關系，但與桿塔之間的結構關系不大。因此，實驗開展過程中，研究人員以同塔雙回輸電線路為模型來開展模擬實驗[2]。

2.4 地線接地方式模擬

輸電線路架設過程中，每個桿塔的電阻十分固定，以10 Ω為主。為了進一步提升模擬效果，每個模擬桿塔中都會加一個10 Ω大小的電阻。在地線連接過程中，包括兩種接地形式。首先，逐基接地的線路選擇，以檔距模擬為主，對各種模擬量進行滿足。但是，全絕緣模擬和分段絕緣單點接地后，還需要一個分段模擬來配合實驗開展。此過程中，該間隙中的擊穿電壓不會超過50 kV。在縮微模型作用下，利用1 mm空氣間隙模擬地線絕緣子。對于1:10比例的模型間隙，研究人員為了確保研究效果，采用3 mm間隙進行試驗，并做好B門照相機的應用，在與雷電相接近時觀察各種動作。

3 試驗方案

3.1 試驗所需設備

為了確定符合光纖架空地線在不同接地方式下的放電路徑選擇，研究人員需要在實驗設備的選擇上提高重視。該過程主要涉及的設備為5 400 kV的沖擊電壓發生器及示波器。實驗開始前，還需要校正所有測量儀表，確保整個測量誤差低于3%。此外，需要準備一臺清晰度高的數碼相機，用于對放電圖像進行拍攝。

3.2 實驗模型

為了研究不同接地方式對復合光纖架空接地線的影響，研究人員在該實驗中建立了11套1:50的線路模型。此時，桿塔也可以根據實際尺寸調整比例，最終實現塔高和避雷線的全程模擬。如圖3所示，Rs代表模擬線路阻抗，Rg代表接地等效電阻。為提升模擬效果，相關研究人員可以根據以往工作情況，對OPGW和普通接地線進行區分和模擬。尤其是在接地模擬過程中，為了提升模擬效果，以戶外的試驗場地為主，將鐵皮連接在其中，確保模擬結果的準確性。另外，將接線方式對地線放電選擇的影響展示出來。研究人員要注重對地線屏蔽性能的設計，以輸電線路桿塔為原型，凸顯電葫蘆作用，并用尼龍繩索進行固定。通過該裝置的作用，可以將先導極棒安置在導線檔距中間，從而處于導線的正上方[3]。

圖3 1:50線路模擬實驗布置示意圖

在地線絕緣方式的選擇過程中，由于各種因素限制，需要對分段絕緣點的選擇提高重視。應用不同的電阻類型，之后全面模擬地線中的電子量。值得注意的是，地線電阻的影響重點在感應電荷上，嚴重影響整個系統的引雷能力。根據以往的實驗過程來看，此種狀態下的地線電阻會保持在0.58 Ω/km，分段絕緣長度在6～10 km。如果實驗條件嚴格，地線電阻將會保持在6 Ω左右。一般來說，地線設計上不會使用全絕緣接地。但是，為了有效評價絕緣地線分段，相關工作人員可以對其中的一個接地點進行處理，體現系統的各種性能，如引雷能力等，之后按照具體的要求和比例，將地線與大地相連，并認真比對所得結果。

3.3 實驗內容

實驗開展過程中，選擇的沖擊電壓發生器的規格為4 500 kV，波形為負極性操作波形，傳播時間為250/4 000 μs。在棒電極的布置上，應該以檔距中間位置的模擬為主，并對避雷線的設置情況進行選擇。為了避免整個實驗對電極產生影響，確保落點的穩定性，可以充分利用絕緣繩，有效固定電極。而在放電觀測過程中，可以利用數碼相機進行拍攝，并在后續形成數據統計。如果整個實驗過程始終處于正常狀態，則放電數目應該保持在20次左右。

首先，在1:10模型研究中，進行逐基接地放電選擇概率實驗。該實驗操作步驟包括以下幾方面。第一，對兩避雷線進行同水平布置，保證兩種形式全部采用逐基接地方式，這里被稱為A方式。第二，在兩避雷線等高布置過程中，OPGW會采用逐基接地形式，而普通地線則采用全線不接地形式，被稱為B方式。

其次，在1:50的比例模型上，逐基接地OPGW的放電概率實驗主要對放電擊著點進行布置，布置方式如下。第一，做到兩個避雷線水平的同等布置，對OPGW實施逐基接地，普通地線也會以逐基接地為主，被稱之為A方式。第二，在避雷線設計上，OPGW可以保持逐基接地狀態，為B方式。第三，在避雷線等高布置過程中，OPGW依然可以保持逐基接地，但在普通地線布置過程中，會采用不同的分段絕緣及單點接地，稱為C方式[4]。

在1:50的比例模型研究過程中，OPGW采用完全絕緣形式，確保概率實驗的階段性選擇。第一，當兩避雷線處于等高位置水平時，OPGW會處于絕緣狀態。此時，普通線與OPGW的絕緣形式完全一致，被稱為D接線方式。第二，兩避雷線水平處于等高狀態，若OPGW處于全絕緣狀態，此時普通地線還可以選擇逐基接地方式，該種形式用E代表。第三，當兩避雷線處于等高位置時，假設OPGW利用的是全絕緣形式，則普通地線則可以選擇單點接地形式，用F表示。第四，在1:50比例模型下，OPGW主要的絕緣方式為分段絕緣和單點絕緣，主要目的是良好把控概率。第五，當避雷線等高布置過程中，如果OPGW采用了分段絕緣形式，此時普通線可以對其進行效仿，用G表示。第六，如果OPGW采用的是分段絕緣、單點接地形式，普通地線也可以選擇完全不接地，用H表示。第七，避雷線以等高布置將狀態體現出來，OPGW則采用分段絕緣、單點接地，此時普通地線可以使用逐基接地，用I表示。

4 復合光纖架空地線在不同接地方式下的放電路徑選擇特性

4.1 OPGW逐基接地時放電路徑的選擇

如果利用1:10的輸電線路比例，則OPGW的放電路徑選擇將變得十分固定，容易將各點位放在同一水平位置上。OPGW接地和普通地線可以采取完全絕緣的形式，該種布置形式主要是對雷電的先導性進行準確定位，并對導弧間隙之中的動作進行觀察和把握。在1:50輸電線路模型研究過程中，可以對全絕緣地線中的間隙擊穿情況進行模擬。為了確保模擬效果，研究人員可以有效模擬OPGW，確定放電選擇情況能否對接地方式產生影響。通過對表1和表2的數據研究可以發現，在兩種模型的放電路徑選擇上均得到了相同的結果。可見，1:50模型可以對相關情況進行深入模擬。此外，整個放線概率會出現很大差距，嚴重影響路徑選擇。由表2數據可知，如果兩地線的接線方式沒有區別，在放電路徑選擇上的概率分別達到了45%和55%，與理論分析中得到的50%存在一定差異。在完全絕緣狀態下，OPGW放電路徑的選擇將達到19次，而對普通放電路徑的選擇僅為1次，突顯出接線方式的不同對放電路徑選擇的嚴重影響[5]。

表1 1:10 OPGW逐基接地實驗結果

表2 1:50 OPGW逐基接地實驗結果

4.2 分段絕緣或單點接地時放電路徑的選擇

為了提升實驗效果，研究人員在相同條件下對放電路徑進行了有效選擇。當選擇概率差別不大時，所選擇的條件不同，其放電選擇概率也會出現不同。

4.3 分析與討論

由于接地方式的不同，在放電路徑選擇上會出現一定的差異。尤其是在直接接地情況下，很多放電的概率會超過95%。當絕緣間隙的數值增加后，絕緣地線的選擇率也會降至0。而在本次模擬實驗中，主要涉及到的接地方式有三種，概率由高到低的順序為逐基接地、分段接地和全絕緣。如果在輸電線路中加入多種不同的接地形式，對雷擊的發生率也會產生極大影響。而在不同接地方式的作用下，對上下行先導定位也會產生極大影響，尤其是在并聯狀態的影響下，放電選擇概率會發生巨大變化。

5 結 論

綜上所述，在1:10和1:50的輸電線路雷擊實驗過程中發現，1:50的輸電線路可以充分展示接線方式對路徑選擇的影響，為后續研究提供了充分依據。而在利用導弧間隙進行模擬實驗時，直接接地更容易出現上行先導現象。因此，在下行先導過程中，逐基接地作用下的OPGW更容易遭受到雷擊的影響。