鄧元實(shí)，廖文龍，陳 俊2，朱 軍，李 昆3，劉鳳蓮，陳少磊2,卜祥航

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國(guó)網(wǎng)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(tǒng)通信和普通地線的雙重功能，在中國(guó)的電力通信網(wǎng)整體應(yīng)用率超過(guò)了90%。由于其掛點(diǎn)高、纜徑小，所以其等值覆冰厚度較相同檔距內(nèi)的導(dǎo)線更為嚴(yán)重。OPGW光纜承載著電力系統(tǒng)保護(hù)、安控、調(diào)度等重要業(yè)務(wù)，一旦發(fā)生光纖因覆冰斷裂或應(yīng)力過(guò)載，將造成電力數(shù)據(jù)傳輸中斷或輸電線路力學(xué)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(wèn)題，是提高輸電線路整體抗冰能力的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，對(duì)提高線路運(yùn)行可靠性、保障電網(wǎng)安全起著決定性的作用。

2013年起，國(guó)家電網(wǎng)公司專(zhuān)門(mén)設(shè)立《光纖復(fù)合架空地線(OPGW)抗冰技術(shù)及措施研究》項(xiàng)目，開(kāi)展了OPGW抗冰機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)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(shù)方法。

非絕緣化改造的OPGW融冰方法是利用可融冰光纖復(fù)合架空地線內(nèi)置的通流導(dǎo)體，在施加電流后使導(dǎo)體發(fā)熱融冰。該方法需重新敷設(shè)可融冰光纖復(fù)合架空地線。從成本經(jīng)濟(jì)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(fā)熱后實(shí)現(xiàn)融冰。該方法通過(guò)絕緣金具實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有OPGW光纜的絕緣處理，無(wú)需重新敷設(shè)光纜，因此適用于有OPGW融冰需求的既有線路。

國(guó)網(wǎng)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(qū)域，為單回架設(shè)的重冰區(qū)段。該區(qū)段導(dǎo)線設(shè)計(jì)覆冰厚度為20 mm，線路長(zhǎng)7.334 km，地線采用GJ-100型鋼絞線，OPGW光纜采用OPGW-24B1-100型。根據(jù)2017年冬季至2018年春季期間導(dǎo)線覆冰拉力數(shù)據(jù)計(jì)算，該區(qū)段導(dǎo)線等值覆冰厚度最大值約30 mm，已超過(guò)該區(qū)段設(shè)計(jì)等值覆冰厚度(20mm)。架空地線與OPGW光纜的覆冰則較導(dǎo)線更為嚴(yán)重。從經(jīng)濟(jì)性考慮，采用對(duì)雷壩二線N56至N80(重冰區(qū))的架空地線與OPGW光纜進(jìn)行絕緣化改造方法，實(shí)現(xiàn)OPGW光纜融冰。

下面將以110 kV雷壩二線N56至N80為研究對(duì)象，開(kāi)展融冰電流、絕緣段感應(yīng)電壓計(jì)算、絕緣化改造、融冰回路、絕緣金具選擇等OPGW光纜改造關(guān)鍵技術(shù)說(shuō)明，以供后續(xù)實(shí)施OPGW光纜絕緣化改造工程的技術(shù)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(qū)段感應(yīng)電壓過(guò)高和融冰時(shí)直流融冰電壓過(guò)高，一般僅需對(duì)重冰區(qū)段內(nèi)的OPGW光纜和地線進(jìn)行絕緣化改造。OPGW光纜直流融冰回路由線路導(dǎo)線、OPGW光纜和架空地線構(gòu)成。

該工程中采用位于110 kV菜壩變電站的移動(dòng)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(dǎo)線將融冰電流引流至N80塔后，經(jīng)絕緣化改造的N55至N81地線與OPGW光纜后，再通過(guò)N146至N79 B相導(dǎo)線留回站內(nèi)，形成“一去一回”串聯(lián)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(yīng)電壓

當(dāng)OPGW光纜區(qū)段進(jìn)行絕緣化改造后，在線路正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。特別是同塔雙回線路，當(dāng)一回線路運(yùn)行，另一回線路停運(yùn)時(shí)，停運(yùn)回地線因兩回線路間的電磁耦合和靜電耦合產(chǎn)生感應(yīng)電壓，將對(duì)檢修人員安全帶來(lái)威脅。因此，必須對(duì)地線與OPGW光纜絕緣區(qū)段的感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，明確絕緣段的分段數(shù)和接地點(diǎn)的設(shè)置。GB 26859-2011《電力安全工作規(guī)程(電力線路部分)》規(guī)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(qū)段的感應(yīng)電壓限制在低電壓等級(jí)是有利于作業(yè)安全的[1]。

110 kV雷壩二線N56至N80導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-240/40，絕緣子型號(hào)為U70BP-146，懸垂串為8片絕緣子串長(zhǎng)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(dāng)線路以額定電流運(yùn)行時(shí)，采用ATP-EMTP軟件對(duì)絕緣化改造后各種接地情況下的N56至N80感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表1。

從仿真結(jié)果可知，若N56至N80絕緣化改造后懸空，絕緣段感應(yīng)電壓將達(dá)到4.2 kV(有效值)，超過(guò)GB 26859-2011規(guī)定。當(dāng)在絕緣段任意位置設(shè)置單點(diǎn)接地后，絕緣段感應(yīng)電壓將降至100 V(有效值)以下。

考慮到OPGW數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和施工便捷，采用在N80架空地線側(cè)和OPGW側(cè)分別設(shè)置接地點(diǎn)的“單絕緣段，雙點(diǎn)接地”方式接地。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)雷壩二線以額定電流運(yùn)行時(shí)，絕緣段感應(yīng)電壓為70 V，感應(yīng)電流為2.8 A，滿足運(yùn)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(yīng)電壓仿真結(jié)果

(a) N80地線側(cè)感應(yīng)電壓

(b)接地點(diǎn)入地電流圖2 絕緣段感應(yīng)電壓與入地電流仿真結(jié)果(在N56地線與N80 OPGW側(cè)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(nèi)部光單元最高允許溫度85 ℃[3]的溫度限制下, 在環(huán)境溫度-5 ℃、風(fēng)速5 m/s、覆冰厚度10 mm時(shí)計(jì)算得到的絕緣區(qū)段最大、最小融冰電流如表2所示。

(a) N80地線側(cè)感應(yīng)電壓

(b)接地點(diǎn)感應(yīng)電流圖3 在N80地線與N80 OPGW側(cè)接地絕緣段仿真結(jié)果

型號(hào)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(lián)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(diǎn)對(duì)兩種重點(diǎn)金具進(jìn)行說(shuō)明。

1.4.1 OPGW(地線)絕緣子并聯(lián)間隙選擇

10 kV OPGW(地線)絕緣子并聯(lián)間隙應(yīng)滿足以下3個(gè)條件[1]：

1)在正常運(yùn)行時(shí)不被線路工頻感應(yīng)電壓擊穿；

2)在融冰時(shí)不被融冰電壓擊穿；

3)在雷電梯級(jí)先導(dǎo)發(fā)展階段可靠擊穿。

由1.2節(jié)可知，N56至N80區(qū)段OPGW(地線)采用“單絕緣段，雙點(diǎn)接地”的方式可以使線路工頻感應(yīng)電壓不超過(guò)1 kV。選擇1.15倍[1]安全系數(shù)，OPGW(地線)絕緣子并聯(lián)間隙耐壓值應(yīng)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(duì)N55至N80線路段進(jìn)行直流融冰時(shí)，融冰端電壓不會(huì)超過(guò)10 kV。地線絕緣子配合10 mm以上的并聯(lián)間隙即可滿足要求。

從雷電先行擊穿考慮，一般并聯(lián)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(lián)放電間隙距離不大于120 mm時(shí)，并聯(lián)放電間隙即會(huì)先于地線絕緣子擊穿。

綜上3個(gè)因素，選取帶40 mm并聯(lián)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(xù)盒

OPGW絕緣接續(xù)盒分為中間型絕緣接續(xù)盒和終端型絕緣接續(xù)盒。中間型隔離接續(xù)盒安裝于原OPGW接續(xù)處，終端型接續(xù)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(xù)盒，實(shí)現(xiàn)融冰時(shí)OPGW數(shù)據(jù)仍正常傳輸數(shù)據(jù)。

雷壩二線N56、N80的OPGW接頭盒改造成終端型絕緣接頭盒，實(shí)現(xiàn)OPGW數(shù)據(jù)傳輸接續(xù)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(lián)間隙雙懸垂串絕緣子實(shí)現(xiàn)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(lián)間隙絕緣耐張垂串絕緣子實(shí)現(xiàn)地線與塔頭絕緣。

在OPGW(地線)接續(xù)塔，按照1.4.2節(jié)所述實(shí)現(xiàn)OPGW數(shù)據(jù)傳輸與分段絕緣。其余OPGW與地線一致，采用帶有并聯(lián)間隙的絕緣子實(shí)現(xiàn)與塔頭絕緣。

地線與OPGW改造明細(xì)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(xù)盒安裝

2 應(yīng)用成效

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

2.1 絕緣區(qū)段感應(yīng)電壓

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

2.2 絕緣區(qū)段絕緣電阻

在110 kV菜壩變電站內(nèi)，用5 kV絕緣電阻表測(cè)試B相導(dǎo)線-地線-OPGW-A相導(dǎo)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(shí)，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(jié)果說(shuō)明融冰回路無(wú)接地點(diǎn)、無(wú)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(qū)段OPGW(地線)絕緣化改造明細(xì)

2.3 融冰電壓與融冰電流

本次試驗(yàn)設(shè)置起始輸出融冰電流為200 A，電流增長(zhǎng)步長(zhǎng)為20 A，最終增大到280 A并持續(xù)30 min。融冰裝置直流出線側(cè)的融冰電壓、電流如表4所示。

為監(jiān)測(cè)融冰期間OPGW(地線)溫升情況，采用測(cè)溫貼片測(cè)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(cè)融冰參數(shù)

(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(kāi)始脫落。25 min后，該區(qū)段OPGW(地線)覆冰全部脫落。整個(gè)融冰期間，OTDR測(cè)試數(shù)據(jù)正常，OPGW光纜纖芯傳輸數(shù)據(jù)正常，熱穩(wěn)定性良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

在采用絕緣改造的OPGW直流融冰研究成果基礎(chǔ)上，針對(duì)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(yīng)電壓與接地方式、地線絕緣子并聯(lián)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(jié)期間，已采用該方法對(duì)該區(qū)段開(kāi)展直流融冰4次，OPGW光纜(地線)未發(fā)生因冰故障。

OPGW(地線)絕緣化改造需差異化進(jìn)行。今后將開(kāi)展不同電壓等級(jí)下單回、同塔雙回和交叉跨越線路的OPGW(地線)感應(yīng)電壓分布規(guī)律，明確地線絕緣子并聯(lián)間隙取值范圍，絕緣改造長(zhǎng)度、接地方式和導(dǎo)線換位情況對(duì)電能損耗影響規(guī)律研究，為相關(guān)絕緣化改造工程的實(shí)施提供依據(jù)和參考。