复合光纤架空地线在不同接地方式下的放电路径选择特性

郑 钢

（新疆维吾尔自治区送变电工程公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引 言

从实际发展情况来看，光纤复合加工地线主要的接地形式为逐基接地，而普通避雷线多以分段绝缘、一点接地为主。站在断股角度来说，由于雷电流的作用，导致弧根处的温度提升。OPGW在使用过程中应用不同的接线方式，主要是为了提升对整个线路的保护。但是，实际中该种形式更容易发生雷击和断股事件，并存在巨大的环流损耗。

1 OPGW接地方式技术比较及工程实现

1.1 逐塔接地实施方案

OPGW逐塔接地方式是如今最成熟的基地技术之一，主要在产品设计、运行维护等方面发挥着重要作用，还可以在配套金具的作用下实施OPGW安装。具体实施过程中，工作人员首先要做的是悬垂金具，如图1所示。该种形式主要以预绞丝式悬垂线夹为主。其次是耐张金具，如图2所示，主要以预绞丝式耐张线夹的使用为主。而在光缆接续盒的设计上，以金属材料选择为主，将其直接固定到塔角钢之上。

图1 悬垂金具

图2 耐张金具

1.2 单点接地可行性

在OPGW单点接地过程中，主要包括三种接线方式。第一种，利用每基OPGW接续塔，在固定侧使用绝缘夹具，另一层使用常规性夹具，可以维护接地引下不受到其他因素的影响，而在两侧高压隔离上做好光缆的隔离工作，将其存放在接续盒中。此时，电气隔离工作的开展也格外重要，为后续工作的开展创造了有利条件。第二种，由于每基OPGW接续塔的特点存在不同特性，此时OPGW绝缘夹具引下可以发挥巨大作用，可以实现盒内的电气隔离。此外，还可以选择每盘中间的铁塔进行单点接地，并将放电间隙中的绝缘子与塔头连接在一起。第三种，如果可以实现OPGW接续塔与某基点相连，则两侧的高压隔离绝缘光缆也会在盒内实现电气隔离。在相邻的两个OPGW接续塔中，主要以常规引下为主，而在光缆接续盒的选择上，也会选择一些常规性设备。

1.3 单点接地实施方案

工程建设过程中，OPGW单点接地方式有很多，主要的金具形式和技术方案如下。在金具形式的确定上，应以悬垂金具、耐张金具和防振金具等为主。如果放电间隙中的绝缘子可以保持正常的运行状态，就可以在一定程度上承受住感应电压的冲击。当出现雷击和线路故障时，工作人员可以通过放电间隙中的放电作用，将电流引入大地。在放电间隙绝缘子的选用上，主要以线型或盘型为主，这两种结构满足了所有的工作环境使用需求。为了避免电流过大而引起接触电压升高，可以在原有基础上降低接触电压和跨步电压值，避免施工人员受到伤害[1]。

2 输电线路雷击仿真实验方式

2.1 雷电放电和长间隙

早期实验时，为了提升研究效果，富兰克林将棒性电极放置在棒-板间隙中，并对棒形电极进行有效保护，最终确定了避雷针的具体使用范围。一般情况下，电极下行过程中会降低与地面之间的距离。当距离降低到一定程度后，人们才可以在雷击点确认后将这一高度下的具体数值进行定位，该距离也被专业人员称之为“击距”。雷电的发展有90%的距离来源于先导，而在实验上，先导的发展空间变成了30%～50%。由于长间距放电可以对雷电整个定位过程进行模仿，因此可以根据这一特性开展相关实验。为了提升实验效果，人们还可以利用棒电极对雷电下行先导进行定位，从而进行模拟选择。

2.2 实验电压波形及极性

自然放电状态下，主要以负极性雷为主。现有统计结果显示，负极雷的所占比例在90%左右。因此，在雷电电压模拟过程中，需确保雷电模拟情况与实际相近。著名科学家戈尔德在该项实验中假设先导通道处于垂直状态，长度为2.5 km。此时，通道中的分布电荷大小保持在1 C左右，具体的密度指数还会由上到下进行缩减。当与地面之间的距离达到50 m左右时，其电位的增长率处于150 kV/μs左右。此过程中，如果研究人员对3 MV的冲击电压进行应用，便可以使发生器展开工作。此时，实验电压的峰值保持时间将会超过40 μs。但是，在计算开展过程中，人们需要确定模拟实验中的间隙大小，并与雷电间隙做对比，确保合理选择冲击波。

2.3 模拟比例尺的选择

根据以往的工作预测和数据收集，人们可以将以往工作作为基础，对第二阶梯的导数进行先行放电。由于各种因素的影响，人们无法确定地上及地下的具体特征。下行先导也会受到上行的影响，并确定两模拟器中的比例尺。本次实验开展过程中，使用的比例尺有两种，一种是1:50，另一种是1:10。如此一来，便可以充分确定放电选择概率的影响，并判断仿真实验的结果。放电选择上，出现的概率与地线接地方式和线路附近的地形呈现明显的地貌关系，但与杆塔之间的结构关系不大。因此，实验开展过程中，研究人员以同塔双回输电线路为模型来开展模拟实验[2]。

2.4 地线接地方式模拟

输电线路架设过程中，每个杆塔的电阻十分固定，以10 Ω为主。为了进一步提升模拟效果，每个模拟杆塔中都会加一个10 Ω大小的电阻。在地线连接过程中，包括两种接地形式。首先，逐基接地的线路选择，以档距模拟为主，对各种模拟量进行满足。但是，全绝缘模拟和分段绝缘单点接地后，还需要一个分段模拟来配合实验开展。此过程中，该间隙中的击穿电压不会超过50 kV。在缩微模型作用下，利用1 mm空气间隙模拟地线绝缘子。对于1:10比例的模型间隙，研究人员为了确保研究效果，采用3 mm间隙进行试验，并做好B门照相机的应用，在与雷电相接近时观察各种动作。

3 试验方案

3.1 试验所需设备

为了确定符合光纤架空地线在不同接地方式下的放电路径选择，研究人员需要在实验设备的选择上提高重视。该过程主要涉及的设备为5 400 kV的冲击电压发生器及示波器。实验开始前，还需要校正所有测量仪表，确保整个测量误差低于3%。此外，需要准备一台清晰度高的数码相机，用于对放电图像进行拍摄。

3.2 实验模型

为了研究不同接地方式对复合光纤架空接地线的影响，研究人员在该实验中建立了11套1:50的线路模型。此时，杆塔也可以根据实际尺寸调整比例，最终实现塔高和避雷线的全程模拟。如图3所示，Rs代表模拟线路阻抗，Rg代表接地等效电阻。为提升模拟效果，相关研究人员可以根据以往工作情况，对OPGW和普通接地线进行区分和模拟。尤其是在接地模拟过程中，为了提升模拟效果，以户外的试验场地为主，将铁皮连接在其中，确保模拟结果的准确性。另外，将接线方式对地线放电选择的影响展示出来。研究人员要注重对地线屏蔽性能的设计，以输电线路杆塔为原型，凸显电葫芦作用，并用尼龙绳索进行固定。通过该装置的作用，可以将先导极棒安置在导线档距中间，从而处于导线的正上方[3]。

图3 1:50线路模拟实验布置示意图

在地线绝缘方式的选择过程中，由于各种因素限制，需要对分段绝缘点的选择提高重视。应用不同的电阻类型，之后全面模拟地线中的电子量。值得注意的是，地线电阻的影响重点在感应电荷上，严重影响整个系统的引雷能力。根据以往的实验过程来看，此种状态下的地线电阻会保持在0.58 Ω/km，分段绝缘长度在6～10 km。如果实验条件严格，地线电阻将会保持在6 Ω左右。一般来说，地线设计上不会使用全绝缘接地。但是，为了有效评价绝缘地线分段，相关工作人员可以对其中的一个接地点进行处理，体现系统的各种性能，如引雷能力等，之后按照具体的要求和比例，将地线与大地相连，并认真比对所得结果。

3.3 实验内容

实验开展过程中，选择的冲击电压发生器的规格为4 500 kV，波形为负极性操作波形，传播时间为250/4 000 μs。在棒电极的布置上，应该以档距中间位置的模拟为主，并对避雷线的设置情况进行选择。为了避免整个实验对电极产生影响，确保落点的稳定性，可以充分利用绝缘绳，有效固定电极。而在放电观测过程中，可以利用数码相机进行拍摄，并在后续形成数据统计。如果整个实验过程始终处于正常状态，则放电数目应该保持在20次左右。

首先，在1:10模型研究中，进行逐基接地放电选择概率实验。该实验操作步骤包括以下几方面。第一，对两避雷线进行同水平布置，保证两种形式全部采用逐基接地方式，这里被称为A方式。第二，在两避雷线等高布置过程中，OPGW会采用逐基接地形式，而普通地线则采用全线不接地形式，被称为B方式。

其次，在1:50的比例模型上，逐基接地OPGW的放电概率实验主要对放电击着点进行布置，布置方式如下。第一，做到两个避雷线水平的同等布置，对OPGW实施逐基接地，普通地线也会以逐基接地为主，被称之为A方式。第二，在避雷线设计上，OPGW可以保持逐基接地状态，为B方式。第三，在避雷线等高布置过程中，OPGW依然可以保持逐基接地，但在普通地线布置过程中，会采用不同的分段绝缘及单点接地，称为C方式[4]。

在1:50的比例模型研究过程中，OPGW采用完全绝缘形式，确保概率实验的阶段性选择。第一，当两避雷线处于等高位置水平时，OPGW会处于绝缘状态。此时，普通线与OPGW的绝缘形式完全一致，被称为D接线方式。第二，两避雷线水平处于等高状态，若OPGW处于全绝缘状态，此时普通地线还可以选择逐基接地方式，该种形式用E代表。第三，当两避雷线处于等高位置时，假设OPGW利用的是全绝缘形式，则普通地线则可以选择单点接地形式，用F表示。第四，在1:50比例模型下，OPGW主要的绝缘方式为分段绝缘和单点绝缘，主要目的是良好把控概率。第五，当避雷线等高布置过程中，如果OPGW采用了分段绝缘形式，此时普通线可以对其进行效仿，用G表示。第六，如果OPGW采用的是分段绝缘、单点接地形式，普通地线也可以选择完全不接地，用H表示。第七，避雷线以等高布置将状态体现出来，OPGW则采用分段绝缘、单点接地，此时普通地线可以使用逐基接地，用I表示。

4 复合光纤架空地线在不同接地方式下的放电路径选择特性

4.1 OPGW逐基接地时放电路径的选择

如果利用1:10的输电线路比例，则OPGW的放电路径选择将变得十分固定，容易将各点位放在同一水平位置上。OPGW接地和普通地线可以采取完全绝缘的形式，该种布置形式主要是对雷电的先导性进行准确定位，并对导弧间隙之中的动作进行观察和把握。在1:50输电线路模型研究过程中，可以对全绝缘地线中的间隙击穿情况进行模拟。为了确保模拟效果，研究人员可以有效模拟OPGW，确定放电选择情况能否对接地方式产生影响。通过对表1和表2的数据研究可以发现，在两种模型的放电路径选择上均得到了相同的结果。可见，1:50模型可以对相关情况进行深入模拟。此外，整个放线概率会出现很大差距，严重影响路径选择。由表2数据可知，如果两地线的接线方式没有区别，在放电路径选择上的概率分别达到了45%和55%，与理论分析中得到的50%存在一定差异。在完全绝缘状态下，OPGW放电路径的选择将达到19次，而对普通放电路径的选择仅为1次，突显出接线方式的不同对放电路径选择的严重影响[5]。

表1 1:10 OPGW逐基接地实验结果

表2 1:50 OPGW逐基接地实验结果

4.2 分段绝缘或单点接地时放电路径的选择

为了提升实验效果，研究人员在相同条件下对放电路径进行了有效选择。当选择概率差别不大时，所选择的条件不同，其放电选择概率也会出现不同。

4.3 分析与讨论

由于接地方式的不同，在放电路径选择上会出现一定的差异。尤其是在直接接地情况下，很多放电的概率会超过95%。当绝缘间隙的数值增加后，绝缘地线的选择率也会降至0。而在本次模拟实验中，主要涉及到的接地方式有三种，概率由高到低的顺序为逐基接地、分段接地和全绝缘。如果在输电线路中加入多种不同的接地形式，对雷击的发生率也会产生极大影响。而在不同接地方式的作用下，对上下行先导定位也会产生极大影响，尤其是在并联状态的影响下，放电选择概率会发生巨大变化。

5 结 论

综上所述，在1:10和1:50的输电线路雷击实验过程中发现，1:50的输电线路可以充分展示接线方式对路径选择的影响，为后续研究提供了充分依据。而在利用导弧间隙进行模拟实验时，直接接地更容易出现上行先导现象。因此，在下行先导过程中，逐基接地作用下的OPGW更容易遭受到雷击的影响。