光纖復合架空地線直流融冰絕緣化改造方法應用研究

鄧元實，廖文龍，陳 俊2，朱 軍，李 昆3，劉鳳蓮，陳少磊2,卜祥航

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2. 國網四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網四川省電力公司涼山供電公司，四川 西昌 615000)

0 引 言

懸掛在輸電桿塔最頂端的OPGW具有電力系統通信和普通地線的雙重功能，在中國的電力通信網整體應用率超過了90%。由于其掛點高、纜徑小，所以其等值覆冰厚度較相同檔距內的導線更為嚴重。OPGW光纜承載著電力系統保護、安控、調度等重要業務，一旦發生光纖因覆冰斷裂或應力過載，將造成電力數據傳輸中斷或輸電線路力學體系失衡，為桿塔傾斜甚至倒塌埋下隱患。因此，解決好OPGW覆冰問題，是提高輸電線路整體抗冰能力的關鍵技術問題，對提高線路運行可靠性、保障電網安全起著決定性的作用。

2013年起，國家電網公司專門設立《光纖復合架空地線(OPGW)抗冰技術及措施研究》項目，開展了OPGW抗冰機理及關鍵技術研究，提出了適用于線路絕緣化改造和非絕緣化改造的OPGW融冰技術方法。

非絕緣化改造的OPGW融冰方法是利用可融冰光纖復合架空地線內置的通流導體，在施加電流后使導體發熱融冰。該方法需重新敷設可融冰光纖復合架空地線。從成本經濟性考慮，該方法適用于新建線路。

絕緣化改造的OPGW融冰是利用絕緣金具將OPGW與鐵塔絕緣，然后給OPGW外加融冰電流發熱后實現融冰。該方法通過絕緣金具實現現有OPGW光纜的絕緣處理，無需重新敷設光纜，因此適用于有OPGW融冰需求的既有線路。

國網涼山供電公司110 kV雷壩二線全線共146基塔。N55至N80穿越四川涼山雷波縣山陵崗區域，為單回架設的重冰區段。該區段導線設計覆冰厚度為20 mm，線路長7.334 km，地線采用GJ-100型鋼絞線，OPGW光纜采用OPGW-24B1-100型。根據2017年冬季至2018年春季期間導線覆冰拉力數據計算，該區段導線等值覆冰厚度最大值約30 mm，已超過該區段設計等值覆冰厚度(20mm)。架空地線與OPGW光纜的覆冰則較導線更為嚴重。從經濟性考慮，采用對雷壩二線N56至N80(重冰區)的架空地線與OPGW光纜進行絕緣化改造方法，實現OPGW光纜融冰。

下面將以110 kV雷壩二線N56至N80為研究對象，開展融冰電流、絕緣段感應電壓計算、絕緣化改造、融冰回路、絕緣金具選擇等OPGW光纜改造關鍵技術說明，以供后續實施OPGW光纜絕緣化改造工程的技術人員參考。

1 OPGW絕緣化改造直流融冰方法

1.1 融冰回路

為了防止絕緣區段感應電壓過高和融冰時直流融冰電壓過高，一般僅需對重冰區段內的OPGW光纜和地線進行絕緣化改造。OPGW光纜直流融冰回路由線路導線、OPGW光纜和架空地線構成。

該工程中采用位于110 kV菜壩變電站的移動直流融冰裝置(額定容量：25 MVA/2000 A)作為融冰電源。該線路N146至N79 A相導線將融冰電流引流至N80塔后，經絕緣化改造的N55至N81地線與OPGW光纜后，再通過N146至N79 B相導線留回站內，形成“一去一回”串聯融冰回路，如圖1所示。

圖1 雷壩二線N56至N80 OPGW(地線)融冰回路

1.2 絕緣段感應電壓

當OPGW光纜區段進行絕緣化改造后，在線路正常運行時，會產生較高的感應電壓。特別是同塔雙回線路，當一回線路運行，另一回線路停運時，停運回地線因兩回線路間的電磁耦合和靜電耦合產生感應電壓，將對檢修人員安全帶來威脅。因此，必須對地線與OPGW光纜絕緣區段的感應電壓進行仿真計算，明確絕緣段的分段數和接地點的設置。GB 26859-2011《電力安全工作規程(電力線路部分)》規定，1 kV及其以下為低壓，1 kV以上電壓為高壓。因此將絕緣區段的感應電壓限制在低電壓等級是有利于作業安全的[1]。

110 kV雷壩二線N56至N80導線型號為LGJ-240/40，絕緣子型號為U70BP-146，懸垂串為8片絕緣子串長1.314 m。在桿塔平均呼高18 m、平均檔距200 m、土壤電阻率100 Ω·m、桿塔接地電阻10 Ω的條件下，當線路以額定電流運行時，采用ATP-EMTP軟件對絕緣化改造后各種接地情況下的N56至N80感應電壓和感應電流進行仿真計算，結果如表1。

從仿真結果可知，若N56至N80絕緣化改造后懸空，絕緣段感應電壓將達到4.2 kV(有效值)，超過GB 26859-2011規定。當在絕緣段任意位置設置單點接地后，絕緣段感應電壓將降至100 V(有效值)以下。

考慮到OPGW數據傳輸穩定性和施工便捷，采用在N80架空地線側和OPGW側分別設置接地點的“單絕緣段，雙點接地”方式接地。根據仿真結果，當雷壩二線以額定電流運行時，絕緣段感應電壓為70 V，感應電流為2.8 A，滿足運行與檢修要求，如圖2、圖3所示。

表1 110 kV雷壩二線N56至N80絕緣段感應電壓仿真結果

(a) N80地線側感應電壓

(b)接地點入地電流圖2 絕緣段感應電壓與入地電流仿真結果(在N56地線與N80 OPGW側接地)

1.3 融冰電流

按照鍍鋅鋼絞線最高耐受溫度125 ℃[2]和OPGW光纜內部光單元最高允許溫度85 ℃[3]的溫度限制下, 在環境溫度-5 ℃、風速5 m/s、覆冰厚度10 mm時計算得到的絕緣區段最大、最小融冰電流如表2所示。

(a) N80地線側感應電壓

(b)接地點感應電流圖3 在N80地線與N80 OPGW側接地絕緣段仿真結果

型號單位電阻/(Ω·km-1)最小融冰電流/A最大融冰電流/AGJ-1000.242149.5380.2OPGW-24B1-1000.440126.8365.8

1.4 金具選擇

OPGW(地線)全絕緣改造所用絕緣金具包括了OPGW絕緣耐張金具、OPGW懸垂耐張金具、帶并聯間隙OPGW絕緣子、光纜絕緣接頭盒、絕緣余纜架、絕緣引下線夾、融冰接地刀閘等。重點對兩種重點金具進行說明。

1.4.1 OPGW(地線)絕緣子并聯間隙選擇

10 kV OPGW(地線)絕緣子并聯間隙應滿足以下3個條件[1]：

1)在正常運行時不被線路工頻感應電壓擊穿；

2)在融冰時不被融冰電壓擊穿；

3)在雷電梯級先導發展階段可靠擊穿。

由1.2節可知，N56至N80區段OPGW(地線)采用“單絕緣段，雙點接地”的方式可以使線路工頻感應電壓不超過1 kV。選擇1.15倍[1]安全系數，OPGW(地線)絕緣子并聯間隙耐壓值應大于1.15 kV。20 mm以上的放電間隙即可滿足要求。

從融冰電壓考慮，采用額定容量為25 MVA/2000 A融冰裝置對N55至N80線路段進行直流融冰時，融冰端電壓不會超過10 kV。地線絕緣子配合10 mm以上的并聯間隙即可滿足要求。

從雷電先行擊穿考慮，一般并聯放電間隙距離與地線絕緣子最小電弧距離之比介于 80%～85%即可滿足要求[1]。一般10 kV絕緣子干弧距離為150 mm，則并聯放電間隙距離不大于120 mm時，并聯放電間隙即會先于地線絕緣子擊穿。

綜上3個因素，選取帶40 mm并聯間隙的合成懸式棒型絕緣子(FXBZW-10/120)并配合雙懸垂金具和耐張金具分別安裝于直線塔和耐張塔處，如圖4所示。

(a)耐張串地線絕緣子 (b) 懸垂串地線絕緣子圖4 110 kV雷壩二線地線絕緣子

1.4.2 OPGW接續盒

OPGW絕緣接續盒分為中間型絕緣接續盒和終端型絕緣接續盒。中間型隔離接續盒安裝于原OPGW接續處，終端型接續盒安裝于絕緣段起始塔處，如圖5所示。

雷壩二線N63、N71的OPGW接頭盒需更換為中間型絕緣接續盒，實現融冰時OPGW數據仍正常傳輸數據。

雷壩二線N56、N80的OPGW接頭盒改造成終端型絕緣接頭盒，實現OPGW數據傳輸接續和分段絕緣。

1.5 OPGW(地線)絕緣化改造

在OPGW(地線)懸垂塔處，采用1套帶并聯間隙雙懸垂串絕緣子實現地線與鐵塔地線塔頭之間絕緣；在地線耐張塔處，采用2套帶并聯間隙絕緣耐張垂串絕緣子實現地線與塔頭絕緣。

在OPGW(地線)接續塔，按照1.4.2節所述實現OPGW數據傳輸與分段絕緣。其余OPGW與地線一致，采用帶有并聯間隙的絕緣子實現與塔頭絕緣。

地線與OPGW改造明細如表3、圖6所示。

(a)中間型

(b)終端型圖5 110 kV雷壩二線OPGW絕緣接續盒安裝

2 應用成效

2018年12月11日，受強降溫影響，110 kV雷壩二線N56至N80塔OPGW(地線)出現15 mm覆冰。為及時消除覆冰對OPGW(地線)的影響，采用位于110 kV菜壩變電站的移動直流融冰裝置(額定容量為25 MVA/2000 A)作為融冰電源對N56至N80地線與OPGW光纜通過導線形成的“一去一回”串聯回路進行直流融冰工作。

2.1 絕緣區段感應電壓

110 kV雷壩一線正常運行時，閉合雷壩二線N80塔地線與OPGW引下線接地開關，B相導線-地線-OPGW-A相導線形成的OPGW(地線)融冰回路感應電壓值為59 V。該值與仿真結果一致，也滿足GB 26859-2011的要求。

2.2 絕緣區段絕緣電阻

在110 kV菜壩變電站內，用5 kV絕緣電阻表測試B相導線-地線-OPGW-A相導線形成的OPGW(地線)融冰回路絕緣電阻。在不拆除回路接地線時，其絕緣電阻R1=0 Ω；拆除回路接地線后，其絕緣電阻R2=74.2 MΩ。上述結果說明融冰回路無接地點、無斷線，接線正確。

圖6 OPGW光纜絕緣化改造

表3 110 kV雷壩二線N56至N80區段OPGW(地線)絕緣化改造明細

2.3 融冰電壓與融冰電流

本次試驗設置起始輸出融冰電流為200 A，電流增長步長為20 A，最終增大到280 A并持續30 min。融冰裝置直流出線側的融冰電壓、電流如表4所示。

為監測融冰期間OPGW(地線)溫升情況，采用測溫貼片測試OPGW(地線)表面溫度。融冰期間，OPGW與地線表層溫升曲線如圖7所示。

表4 直流融冰裝置出線側融冰參數

(a) OPGW溫升曲線

(b)地線溫升曲線圖7 OPGW融冰溫升曲線

融冰15 min后，OPGW(地線)上的覆冰開始脫落。25 min后，該區段OPGW(地線)覆冰全部脫落。整個融冰期間，OTDR測試數據正常，OPGW光纜纖芯傳輸數據正常，熱穩定性良好。

3 結 語

在采用絕緣改造的OPGW直流融冰研究成果基礎上，針對性地分析了110 kV雷壩二線N56至N80重冰段直流融冰回路、絕緣段感應電壓與接地方式、地線絕緣子并聯間隙選擇、絕緣化改造具體方法。在2018年冬季至2019年春季覆冰季節期間，已采用該方法對該區段開展直流融冰4次，OPGW光纜(地線)未發生因冰故障。

OPGW(地線)絕緣化改造需差異化進行。今后將開展不同電壓等級下單回、同塔雙回和交叉跨越線路的OPGW(地線)感應電壓分布規律，明確地線絕緣子并聯間隙取值范圍，絕緣改造長度、接地方式和導線換位情況對電能損耗影響規律研究，為相關絕緣化改造工程的實施提供依據和參考。