站内OPGW光缆电弧烧伤现象的研究

蒋振宇

（南方电网广东电网有限责任公司茂名供电局，广东 茂名 525000）

0 引言

OPGW光缆把光纤复合进架空高压输电线路的避雷地线上，为电网企业的线路保护、调度自动化、调度电话、计量信息采集、办公信息系统等业务提供可靠的通信通道，以其高可靠性，优越的电气性能和抗台风能力，在广东电网得到广泛的应用[1-2]。然而，2010年以来，在某些地市局陆续发生多起OPGW光缆进站接地线在站内构架接地点出现电弧烧伤现象，造成光缆断股，甚至造成变电站草坪着火，使得光缆所承载的业通信务中断，所幸的是还没有引发较大的人身伤亡事故。这个问题越来越突出，因此，本文对站内OPGW光缆电弧烧伤现象进行研究分析。

1 站内OPGW光缆电弧烧伤的主要原因分析

对于站内OPGW光缆出现电弧烧伤事件，深究其原因，有以下两方面。

一方面，OPGW光缆本体被雷电电弧烧伤。雷击时，分为主放电阶段和余光阶段。主放电阶段，雷击电流非常集中，可达到此就出现几十到几百千安的高强电流。其集中点处的温度可达到600 ℃，接近OPGW光缆外层铝合金丝的熔点，则发生光缆断股事件。余光阶段的电流只有数十安，对光缆几乎没有影响。因此，我们需要提高OPGW光缆耐大电流能力。

另外一方面，OPGW与构架接地点处被大电流电弧烧伤。运行中的OPGW存在着较强的感应电流、雷击电流或者故障电流，OPGW光缆与构架顶端的第一点接地处无效，OPGW光缆接头盒的第二点接地处接地电阻过大，或者OPGW光缆与接地线地连接处的导电性能不满足要求。在第二点接地处，大电流不能快速地释放进大地，产生电弧发热，发热温度甚至达到600℃，在这样的高温下，如果与OPGW光缆接地线外层铝合金丝的实际熔点比较接近，那么就出现放电烧伤的情况。根据焦耳定律：Q=I2Rt。其中Q指热量，I指电流，R指电阻，t指时间。根据比热容公式：Q=cm△t。C为铝合金的比热容，m为铝合金的质量，△t为温度差。结合这两个公式我们得知：假设铝合金比热容为0.88×103J/（kg·℃），使得OPGW熔断的温度差△t为600℃，电流I为20000A，时间t为1/1000秒，接地点并沟线夹接触处的铝合金质量为50×10-3Kg，最终计算出R为66mΩ。根据南网相关接地电阻规范，OPGW光缆接地电阻不能高于50mΩ，这与我们的计算结果是吻合的。我们换一个角度思考问题，把公式转换一下得出雷击的电流I、时间t和接地点并沟线夹接触处的铝合金质量不变，铝合金的比热容是恒定的，接地电阻R越大，产生的电弧温度就越高。因此，我们应该保证OPGW接地电阻在合适的范围之内，这需要考虑接地线、引下线夹和接地工艺等多方面的情况。另外，值得注意的是，第二点接地处与变电站草坪距离太近也是引起草坪烧伤的重要原因之一

2 提高OPGW光缆防电弧烧伤的有效措施

针对以上的因素分析，可以采取以下的措施避免OPGW光缆发生电弧烧伤现象。

（1）OPGW光缆有中心管结构、全铝包钢和铝包钢/铝合金层绞结构，较为常见的是铝包钢/铝合金层绞结构，如图1所示。因导体集肤效应，导体电流的流动基本在导体表面，就OPGW 光缆来说，其受到的感应电流，或者是出现电流短路时，电流流动也是集中在光缆表面，及光缆的外层，而光缆外层导体承担着比较多的电流。OPGW光缆的线径越大，其所能承受的雷击电流和故障电流的强度越大。考虑到其光缆机械性能和防雷击性能，还有区域内的年雷暴日水平，可以选择使用直径大于2.7mm 的光纤外层线径；一些重雷区域，可以选择使用直径大于3mm 的光纤外层线径。若是不锈钢的OPGW 光缆，其中心束管式外径要大于12mm。就层绞不锈钢式OPGW缆来说，其外径应当大于14mm。就外层绞线来说，其是铝合金材料OPGW 光缆，增强单丝直径到3.65mm。尽管如此可能还是无法有效避免断股的出现。铝合金的熔点为600ga，钢的熔点为1500℃，因此，把外层的铝合金线换成铝包钢线，能提高光缆的熔点，使得铝融化时需要更多的能量，其所能承受的电流也就更大，进而保护内部的光纤，提高OPGW的安全稳定性[3]。

图1 OPGW光缆铝包钢/铝合金层绞结构

（2）OPGW光缆与铁塔存在非安装性接触或者距离过近，容易引起雷击电弧的产生，我们使用引下线夹固定OPGW光缆，如果引下线夹老化脱落。会使得光缆失去了固定，在空中随风摇摆，可能与周围带电间隔的安全距离不足，引发安全问题。为此，我们用“扁钢抱箍+绝缘子卡具”方式代替原来的“钢带抱箍+引下线夹”的方式。扁钢抱箍使用的钢材更多，减少其老化和热胀冷缩的影响，提高了使用生命周期；绝缘子卡具比引下线夹增加了绝缘材料，消除了光缆与构架的非安装性接触引发的放电现象，更安全可靠。为此，我们每隔1.5米增加一个绝缘子卡具，使得OPGW光缆与构架保持至少3厘米的安全距离。

（3）保证OPGW光缆与变电站构架顶端的接地网的接地性能良好，也就是第一点接地合格。OPGW光缆与接地线的表面平整光滑，而且两者的截面积一致，采用并沟线夹将两者可靠连接起来，牢固连接后具有良好的导电性能，用电阻导通仪测试第一点接地电阻不能超过50mΩ。（电阻导通仪一端接第一点接地上部，另外一端周围任意一次设备接地处）

（4）保证OPGW光缆接头盒处附近接地可靠，即第二点接地合格，并需提高第二点接地处离地面的高度。接地的方法与第一点接地的方法类似，保证接地处具有良好的导电性能。同时将第二点接地点升高至1.5米，防止极端情况接地处电弧烧伤造成变电站草坪着火。使用电阻导通仪测试第二点接地处电阻不能超过50mΩ。如图2所示。

图2 提高第二点接地点高度及接地电阻测试数据

3 OPGW光缆工程建设方面应该注意的问题

在变电站基建项目中，OPGW光缆的抗风能力和纤芯衰耗水平为大家所关注，而其防电弧烧伤的风险往往为大家所忽视，在相关电网OPGW光缆技术规范也没有明确的规定。因此，我们需在变电站工程建设的初设阶段提出相关技术要求，明确光缆本体的类型和线径和抗电流能力，同时细化OPGW光缆与构架第一点接地、第二点接点和引下线等工艺要求。在验收阶段，利用接地导通测试仪测试接地电阻大小，确保接地质量满足要求。

4 结束语

OPGW光缆为电网企业通信网络的支撑，其安全稳定性直接关系到调度自动化和保护跳闸等业务。本文对站内OPGW光缆电弧烧伤现象进行了深入的探究，有一定的借鉴价值，可因地制宜地在南方电网网和国家电网的变电站基建工程建设中推广。