关于雷击 OPGW的分析

关于雷击 OPGW的分析

王跃勇

中国能源建设集团江苏省电力建设第三工程有限公司

摘要：近年以来，国内的OPGW光缆出现了多次雷击断股的事件，一些解决方案强调从系统设计方面来着手解决这一问题。从雷击理论来分析，常规的防雷措施是不能提高OPGW的抗雷击水平的。本文从线路的角度出发，对这一事件进行分析，并提出解决措施。

主题词： OPGW 雷击 分析

OPGW光缆目前已经广泛应用于220KV等级及以上的输电线路之中，但在国内发生了多次雷击断股的事件，如湖北的500KV双南线、广东的500KV江茂线、浙江的500KV瓶瑶线以及江苏的220kV塥水线等。多次的雷击断股事件，引起了各方面的重视，由于国内在OPGW方面没有明确的设计、施工、运行指导原则，因此形成了多种处理OPGW断股的意见。其中一种要求从系统设计方面来解决这一问题。具体措施为在系统设计方面强调要使用与OPGW相匹配的良导体地线和减少杆塔的接地电阻、架设耦合地线、两根地线采用不平衡绝缘技术、在雷电活动强烈地区增加绝缘子的片数等措施。与此同时，从OPGW结构调整作为出发点的两个应对方案：第一种认为铝包钢线具有较高的机械强度、较高的耐热性能及一定的导电性能。由于钢的熔点高，不容易出现熔蚀，而且由于钢的抗拉强度较高，即使有一定程度的熔蚀，相对于铝合金而言，也不容易在常规张力拉伸下出现断股。因此，OPGW设计时外层全部采用铝包钢线可以提高的防雷击能力。通常在雷击多发地区要求铝包钢线的直径至少应大于或等于2.5mm。或者设计使用全铝包钢结构的OPGW；第二种观点认为在OPGW设计时，外层通常应采用铝合金线，为避免雷击断股应采用较大直径的铝合金单丝，以增大面积从而提高抗雷击能力。目前这两种观点比较流行，并且均已经在工程设计中开始使用，尤其是加大外层铝合金单丝的直径方案已经在多个工程中体现出来。事实上依据目前所掌握的雷电理论是很难从系统设计方面来解决这个问题的。而从OPGW的结构上来解决也是值得商榷的。我们还需要大量的运行经验来修正、解决OPGW抗雷击的观念。

对OPGW的认识

OPGW本身是三个性能的结合体，既通信性能、电气性能、机械性能。OPGW的结构不是定型产品，每一个OPGW的结构都是依据相应的工程特点而设计的，影响其结构的主要是短路电流热容量、直流电阻、破断力（各种条件下的张力）。从OPGW在线路实际中的应用来看，作为地线，它首先要体现的是电气性能和机械性能。实际上OPGW本身的应用属于复合学科，对于OPGW而言第一个功能是地线，在满足地线功能的前提下，才是通信功能。因此在分析雷击时，我们首先必须要把OPGW看作是一根地线（也可以称做屏蔽线），在此基础上才能讨论OPGW的其它功能，通信性能主要体现在光纤的正常运行上，这里就不多说了。电气性能和机械性能是一对矛盾的统一体，在具体实施中，电气性能主要体现在短路热容量上，在这方面主要是由铝合金线承担，良好的电气性能可以使OPGW在系统短路时得到充分的保护（实际上，由于目前很多采用OPGW的220kV线路不是绝缘地线设计方式也没有导线换位，因此尽管在正常情况下，三相导线上的负荷电流是平衡的，但在地线上仍然要感应出一个纵电动势，由于线路地线是逐塔接地，这个电动势要产生电流的，当然这个电流值不大。而且在目前的电力系统网络中，部分220kV系统的短路电流值较大，例如：江苏省的500kV泰兴变的220kV部分，短路电流已经达到56kA。因此从系统安全的角度出发，良好的电气性能也就是必须的），我们在OPGW的系统设计中使用良导体作为分流地线主要是出于两方面考虑，首先是分流，即如果发生系统短路的情况时，良导体所能够分配一定的电流，以保护OPGW不因为短路电流过大而出现故障。一般情况下，我们考虑OPGW的直流电阻要比良导体略大一点。其次是考虑两根地线由于匹配而可以使弧垂、地线支架所受的张力平衡。当然，这样的结果实际上也提高了输电线路的耐雷水平。目前在500kV输电线路中由于系统短路电流不大，因此也有许多使用钢绞线与OPGW相配合的；机械性能主要体现在OPGW的破断力、弹性模量和线膨胀系数，机械性能主要有铝包钢线承担，适宜的机械性能则有利于OPGW与另一根地线的配合和长期安全、稳定的运行。在OPGW截面和直流电阻要求一定的前提下，电气性能和机械性能的选择尤为重要，换而言之，OPGW合适的结构配合应该选择在一个适宜的平衡点，两种性能都不能过分强调那一种。

关于雷击的认识

首先要认识到，雷击不可避免，同时雷击事件属于概率的范畴。在架空输电线路的各种事故中，雷击跳闸一直是困扰安全供电的一个难题，雷害事故几乎占线路全部跳闸事故原因的1/3或更多。在目前，可以认为：地面落雷密度γ与年平均雷暴日数Td呈非线性关系；线路因地形地貌影响呈现出明显的选择性，会形成易击段易击点。因此，在输电线路中，对于Td较高地区的线路以及频发雷击闪络线路上的易击段易击点，是要采取有效的防雷保护措施的。而OPGW作为地线，首先就要处于抗雷击的第一线。

雷击电流在OPGW上是一瞬间传播的过程，雷电冲击电流波持续时间短（通常为几十微秒数量级）。尽管在理论计算上由此产生的OPGW温升并不高(即I²t数值并不大), 但是，当强烈的雷电先导接近OPGW时，近面先导与下行先导相遇时会产生强烈的中和过程，放电时电弧弧根产生的高温，可能在OPGW导线表面造成烧蚀，对于雷电直击处可能造成铝合金线的熔化，甚至断股。因此，雷击能量和雷电先导形成的电弧是造成OPGW断股的主要外部原因。

正因为雷击是随机的，因此，目前对于OPGW的雷击事件要立足于应对和减轻雷击后果，而不是要消除的原则。毕竟对于输电线路而言，OPGW的根本作用是地线。在OPGW雷击断股的问题处理中，要正确处理好雷击概率与经济的问题、电气性能和机械性能配合的问题，找到一个合适的点，妥善处理好安全运行和经济的关系。根本的目的还是要保证输电网络的长期安全运行。OPGW作为多种性能集于一身的产品，首先是地线，在输电线路中，地线的作用就是保护导线不受雷击的，因此要允许OPGW雷击断股，毕竟钢绞线、钢芯铝绞线都是允许雷击断股的，不允许的应该是散股。

单丝的考虑

从OPGW内因来看，铝合金线的熔点相对比较低是导致雷击断股的主要因素。在几种OPGW组成原料中，铝合金的熔点在650℃左右，温度升到200以上时，它的抗拉强度将下降 30%，而钢的熔点高得多，达到了1500℃，光纤的熔点则达到了2000℃。

从目前在国内出现的OPGW遭受雷击断股的事例来看，既有光单元是铝管结构的也有光单元是不锈钢钢管结构的；断股的外层单丝中，3.5mm直径的铝合金线和3.2mm直径的铝包钢线均有断股。湖北500KV双南线、广东500KV江茂线，浙江500KV瓶瑶线，OPGW的外层单丝采用铝合金线而且直径均小于3mm，其中双南线OPGW外层单丝是直径为2.5mm的铝合金线，与它配合的地线GJ-80（19/2.3），镀锌钢绞线单丝直径2.3mm没有出现断股。同一条OPGW线路不同区段，外层铝合金线单丝为直径为3.3mm和3.7mm也没有出现断股。江茂线的OPGW外层单丝是直径为2.33mm的铝合金线出现断股。

从事例中不难看出，雷击断股首先与OPGW光单元结构无关，其次，考虑到雷击事件更多的是一种概率问题，单纯考虑加大外层单丝的方法来解决雷击断股问题显然是不合适的。3.5mm直径的铝合金线和3.2mm直径的铝包钢线都有断股，还能怎样加大呢？而且由于外层单丝直径的加大，势必将增加铁塔地线支架的荷载，直接导致塔材和基础的加大，提高了线路的单位投资，可以说仅仅为了降低雷击断股的概率而付出的代价是不合算的。而完全采用铝包钢结构的OPGW方案也是同样存在相同的问题，为了满足短路电流热容量，势必要使用20.3%以上IACS的铝包钢线，因此将使OPGW的自重加大，结果还是增加铁塔地线支架的荷载，提高线路的单位投资。从国内雷击OPGW断股的地区来看，主要分布在多雷区，象广东、浙江等地，在这些地区雷击导线断股、击断地线甚至将线路的绝缘子击穿的报道均有发生，相对比较而言，雷暴日小于40的地区OPGW雷击断股的事件还是比较少的。另外还有一个耐人寻味的现象，出现雷击OPGW断股的线路基本上都是雷击OPGW，而不是另一根分流地线（只有一起雷击分流地线而不是雷击OPGW的报道）。而且500kV线路上的OPGW雷击断股事件要远远多于220kV线路上的OPGW雷击断股事件。同时，发生雷击OPGW断股的线路多是钢绞线与OPGW相配成为另一根地线的（江苏发生的事例中另一根地线为ACSR/AS-70/40，但是OPGW外层单丝较细）。从电气性能和机械性能来看，多数发生雷击OPGW断股的线路是两根地线不匹配的。但是根据目前的雷击线路的理论来看，当两根地线是相匹配的情况时，即设定两根地线均为A，则雷击的概率是一致的；如果两根地线在电气性能上是不匹配的，即A和B时，其遭受雷击的概率差异也很小。因此从现有的雷击理论出发，是不能讲当两根地线不匹配时，雷击OPGW断股事件就增加到了一个差异化很大的程度。即使对于OPGW与绝缘地线相配合而言，也不能讲那一个遭受雷击的概率就增加了许多。而且从历史上的线路运行经验来看，钢绞线本身就是抗雷击性能较好的。因此，通过使用与OPGW相匹配的良导体地线和减少杆塔的接地电阻、架设耦合地线、两根地线采用不平衡绝缘技术、在雷电活动强烈地区增加绝缘子的片数等措施法只能提高输电线路的耐雷水平，改善雷电流或短路电流的泻流通道，并不能提高OPGW的抗雷击水平或减少OPGW的遭雷击概率。

同时，雷击断股还不能排除以下几种因素：

OPGW外层单丝本身材质有问题，由于材质不合适，导致单丝熔点降低。

OPGW在绞制的过程中单丝达到应力屈服状态，致使单丝耐雷水平降低。

OPGW在施工中由于未完全按照要求施工，导致外层单丝划伤，在线路投入运行后，OPGW表层由于感应电压而产生电弧，导致外层单丝直径减小，从而降低了单丝的耐雷水平。

统筹的解决方案

通过以上的分析不难得出这样的结论，雷击OPGW事件是不可避免的，雷击OPGW断股也是不可避免的，应该允许雷击OPGW断股，但坚决不允许散股，应该允许在不影响长期运行的情况下对OPGW做永久性修补。而相关的主管部门明确OPGW设计、施工、运行的规程制定，并通过长期的雷击OPGW断股的数据采集，综合各方面的因素来总结、验证目前的雷击方面理论是否在两根地线不匹配和两根地线中一根接地，另一根绝缘的情况下遭受雷击的概率是否差别很大的工作，更可以对OPGW的健康、长期发展产生不可估量的作用。毕竟实践是检验真理的唯一标准。

在目前阶段，主要还是通过厂家制造方面来做工作。具体的方案可以考虑以下的措施：

1、铝包钢线具有较高的机械强度、较高的耐热性能及一定的导电性能。由于钢的熔点高，不容易出现熔蚀，而且由于钢的抗拉强度较高，即使有一定程度的熔蚀，相对于铝合金而言，也不容易在常规张力拉伸下出现断股。因此，OPGW结构设计时，在满足电气、机械两个性能的前提下，外层可以尽量采用铝包钢线与铝合金线共同作为外层单丝，以提高抗雷击能力。比如，可以考虑在少雷区要求OPGW外层铝合金单丝直径控制在2.75mm 和3.0mm之间。在多雷区与少雷区分别在OPGW的结构上进行区分设计，在雷击多发地区要求外层铝包钢线的直径至少应大于或等于2.5mm，铝合金单丝直径控制在3.2mm 和3.5mm之间。在大短路电流OPGW设计时，外层通常采用铝合金线，为避免雷击断股应尽可能采用较大直径的铝合金单丝，以增大面积从而提高抗雷击能力。通常在雷击多发地区要求铝合金线的直径控制在3.2mm 和3.5mm之间。不宜将外层单丝直径配置过大。

2、外层单丝、内层单丝和光单元之间应设计空气间隙，尽可能避免高温热量传导到光单元，从而防止光纤受损，通信中断。