光纖復(fù)合架空地線光纜站端兩點接地研究

李留文，胡家琪，向川

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

OPGW是在高壓輸電線路中、利用避雷線與光纜兩重作用合一的一種復(fù)合型通信光纜，承擔(dān)著架空地線防雷與電力通信的任務(wù)，在我國已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。在輸電線路運行過程中，導(dǎo)線通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)會在架空地線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，雷電也會導(dǎo)致架空地線上出現(xiàn)很高的暫態(tài)電壓。當(dāng)OPGW上感應(yīng)電壓或雷電導(dǎo)致的暫態(tài)過電壓超過間隙的耐受電壓時，會引起OPGW地線對其他設(shè)施閃絡(luò)造成灼燒和腐蝕。此外，若不采取一定措施，雷電和感應(yīng)電將通過OPGW光纜引入廠站，危及人身及設(shè)備安全。已有相關(guān)文獻(xiàn)對OPGW電壓問題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1-3]對500 kV交流線路OPGW全絕緣靜電感應(yīng)電壓進(jìn)行了計算和仿真分析，并通過導(dǎo)線或地線的換位來實現(xiàn)OPGW的電壓限制。文獻(xiàn)[4]以500 kV同塔雙回架空輸電線路為例，建立了仿真模型，分析了架空地線與OPWG絕緣化改造后感應(yīng)電壓的分布規(guī)律，研究了單點接地位置選取、導(dǎo)線換相對感應(yīng)電壓的抑制。文獻(xiàn)[4-5]則專門針對330 kV電壓等級線路OPGW感應(yīng)電壓分布進(jìn)行了仿真計算和影響因素研究。上述文獻(xiàn)均未考慮OPGW感應(yīng)電壓或雷電進(jìn)入場站的風(fēng)險及應(yīng)對措施，且主要基于理論和仿真研究分析，缺乏現(xiàn)場實施驗證。

本論文針對雷電和感應(yīng)電通過OPGW光纜引入廠站危及人身及設(shè)備安全的風(fēng)險，依據(jù)反事故措施相關(guān)要求，結(jié)合生產(chǎn)實際，在光纜進(jìn)站時通過分別在構(gòu)架頂端、下端固定點（余纜前）設(shè)置兩個接地點，并通過匹配的專用接地線可靠接地來解決問題。通過理論分析和現(xiàn)場工程實施效果對兩點接地方法的可行性、有效性進(jìn)行了論證。

1 OPGW站端電壓分析

1.1 理論分析

一回線路對一條OPGW感應(yīng)電壓示意圖如圖1所示。

圖1 OPGW感應(yīng)電壓示意圖

其中，通過耦合電容CGA、CGB、CGC感應(yīng)的部分為靜電感應(yīng)電壓，通過耦合電壓MGA、MGB、MGC感應(yīng)的部分為電磁感應(yīng)電壓，二者之和在OPGW上產(chǎn)生的總的感應(yīng)電壓。

由上述分析可以看出，輸電線路的電壓和電流均會對OPGW的感應(yīng)電壓產(chǎn)生影響。當(dāng)線路為雙回或多回線路時，在OPGW上感應(yīng)電壓將增大，計算與上式類似，此處不再贅述。

1.2 正常運行和故障時OPGW感應(yīng)電壓仿真

220 kV鳳鳴-華坪雙回線相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 鳳華雙回線線路型號

以風(fēng)華II回為研究對象，在PSCAD中搭建了仿真模型，對線路兩側(cè)電源進(jìn)行等值，線路模型采用考慮頻率變化的模型，PSCAD中考慮頻率變化的線路模型所需參數(shù)主要為線路的幾何參數(shù)，不包括線路的正序、負(fù)序、零序、耦合電容、互感等數(shù)據(jù)，所需參數(shù)通過查閱資產(chǎn)管理系統(tǒng)資料和相關(guān)技術(shù)手冊[6-7]獲得，由于鳳華雙線直線塔貓頭塔占比較高，因此距離參數(shù)如圖2所示。

圖2 輸電線路模型及相關(guān)參數(shù)

考慮線路潮流較重的運行工況，基于2021年電網(wǎng)典型冬小方式潮流，設(shè)置220 kV鳳華雙回線有功2×83.7 MW，無功2×8 Mvar。

當(dāng)線路正常運行時，若OPGW入站處不進(jìn)行兩點接地，OPGW光纜感應(yīng)電壓如圖3所示，圖中EFM表示鳳鳴側(cè)OPGW光纜感應(yīng)電壓，EHP表示華坪側(cè)OPGW光纜感應(yīng)電壓。線路正常運行情況下在OPGW光纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓很小，因此產(chǎn)生的影響也很小。

圖3 正常運行OPGW入站處不進(jìn)行兩點接地的 感應(yīng)電壓波形

當(dāng)線路中部發(fā)生單相接地故障時，若OPGW入站處不進(jìn)行兩點接地，OPGW光纜感應(yīng)電壓如圖4所示，由于故障期間線路斷路電流顯著增加，通過電磁感應(yīng)到OPGW光纜上的感應(yīng)電壓也顯著增加。

圖4 單相接地故障OPGW入站處不進(jìn)行兩點接地的 感應(yīng)電壓波形

1.3 雷電作用下OPGW感應(yīng)電壓仿真

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中分析，本文雷電流模型采用Heidler函數(shù)模型，雷電流解析表達(dá)式如下：

其中，I0為峰值電流，η為峰值電流修正因子，τ1為波頭時間常數(shù)，τ2為波尾時間常數(shù)，n為電流陡度因子。這里取值為：I0=20 kA，τ1=10 μs，τ2=350 μs，n=10。雷電流波形如圖5所示。

圖5 雷電流仿真波形

當(dāng)OPGW入站處不進(jìn)行兩點接地，雷擊在OPGW產(chǎn)生的電壓如圖6所示，瞬時最高電壓可達(dá)13 kV。

圖6 OPGW入站處不進(jìn)行兩點接地的雷電電壓波形

2 兩點接地要求及作用分析

2.1 接地要求

接地線截面積與OPGW截面積相同，接地線和變電站構(gòu)架接地網(wǎng)的金屬連接面要求表面平整，牢固連接后具有良好的導(dǎo)電性能，保證OPGW與變電站接地網(wǎng)有可靠的第一連接處。

在引下OPGW接續(xù)盒與頂端的OPGW第一接地點之間適當(dāng)位置間，要求將OPGW與變電站構(gòu)架橫向金屬平臺構(gòu)件接地網(wǎng)連接點或與變電站內(nèi)地面接地網(wǎng)連接點之間用接地線可靠連接。接地線截面與OPGW截面相同，接地線與變電站構(gòu)架橫向金屬平臺構(gòu)件接地網(wǎng)連接處或地面接地網(wǎng)連接點的金屬連接面要求表面平整，牢固連接后具有良好的導(dǎo)電性能，保證OPGW 與變電站接地網(wǎng)有可靠的第二連接處。

引下OPGW外體與構(gòu)架所有金屬體之間不應(yīng)存在非安裝性固定接觸點，防止OPGW外體與構(gòu)架所有金屬體之間存在的間隙放電。站內(nèi)OPGW構(gòu)架引線正確方法如圖7所示。

圖7 OPGW引下線示意圖

2.2 效果分析

在仿真模型OPGW入站處增加兩點接地，設(shè)置等值接地電阻為兩個10I0Ω并聯(lián)接地[8]。線路正常運行和單相接地故障時在OPGW光纜產(chǎn)生的感應(yīng)電壓波形和雷擊在OPGW光纜產(chǎn)生的電壓波形分別如圖8～圖10所示。

圖8 正常運行OPGW入站處兩點接地的感應(yīng)電壓波形

圖10 OPGW入站處兩點接地的雷擊電壓波形

圖9 單相接地故障OPGW入站處兩點接地的雷擊電壓波形

可見，OPGW光纜入站處兩點接地能顯著降低線路正常運行、接地故障和雷擊時在OPGW光纜入站段產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和雷擊電壓。

3 工程實施

工程實施過程中，發(fā)現(xiàn)部分OPGW光纜在構(gòu)架頂端已直接接地，因此對此類OPGW光纜只需進(jìn)行一點接地改造。

在構(gòu)架上方第一連接處采用專用接地線，一端采用并溝線夾與光纜連接（如采用C型線夾需與金具的預(yù)絞絲連接），另一端安裝在鐵塔或構(gòu)架主材接地孔上。

接地扁鋼安裝：在光纜安裝構(gòu)架余纜架下安裝接地扁鋼，并與原有接地扁鋼可靠連接，并在扁鋼第二接地點處焊接接地線耳1個。第二接地點接入：在余纜架上方OPGW光纜裝設(shè)接地線，用C型線夾固定，下端接入接地扁鋼接地線耳；

OPGW光纜引下應(yīng)順直美觀，每隔1.5 m～2 m安裝一個導(dǎo)引夾具，同一變電站內(nèi)構(gòu)架間隔距離要求統(tǒng)一。在遇到構(gòu)架主干接口處突出部分的金屬法蘭盤時，需安裝引下線夾1個，防止光纜與桿塔發(fā)生摩擦。OPGW光纜引下線與構(gòu)架桿體保持間距應(yīng)≥50 mm。引下線夾金屬構(gòu)件需做熱鍍鋅防銹處理或采用不銹鋼材料，引下線夾無內(nèi)嵌絕緣橡膠。

重新熔接光纜，根據(jù)需要剪除多余余纜，按照OPGW光纜兩點接地規(guī)范開斷后重新熔接上架。經(jīng)過改造后，OPGW光纜入站段對桿塔、抱箍等放電腐蝕問題得到有效解決。

4 結(jié)束語

本文基于實際線路相關(guān)參數(shù)，在PSCAD軟件中搭建了分析OPGW光纜感應(yīng)電壓和雷擊電壓的仿真模型。再結(jié)合理論仿真研究和工程實施總結(jié)分析，對比分析了OPGW光纜入站段兩點接地改造前后對其感應(yīng)電壓和雷擊電壓的不同影響，最終得出如下結(jié)論。

1）正常運行時在OPGW光纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓很小，因此影響很小；

2）發(fā)生接地故障后，由于斷路電流的顯著增加，通過電磁感應(yīng)作用導(dǎo)致OPGW光纜的感應(yīng)電壓顯著增加，容易導(dǎo)致OPGW光纜入站段對桿塔、抱箍等放電腐蝕問題，也對站內(nèi)設(shè)備和工作人員造成安全風(fēng)險；

3）當(dāng)發(fā)生雷擊時，OPGW光纜上將產(chǎn)生很高的雷電過電壓，容易導(dǎo)致OPGW光纜入站段對桿塔、抱箍等放電腐蝕問題和站內(nèi)設(shè)備、工作人員的安全風(fēng)險。

4）仿真分析說明OPGW入站段兩點接地改造能有效限制OPGW光纜入站段感應(yīng)電壓和雷擊電壓，通過工程實施效果也表明改造后有效解決了OPGW對桿塔、抱箍放電腐蝕的問題。

本文暫未考慮輸電線路Π接和T接兩種特殊情況情況，將結(jié)合具體實際進(jìn)一步對相關(guān)特殊線路進(jìn)行研究和論證。