面向分段绝缘OPGW的新型接头盒技术研究

王国彬，冯学斌，侯继勇

(中国电力科学研究院有限公司信息通信研究所，北京 100192)

0 引言

我国大多数光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)采用逐塔接地的安装方式[1-3]。其特点是接地方式可靠，能够有效防止雷击电流造成的破坏。但是与之相关的装置较多，安装不够简洁，而且地线感应电能损失较严重。解决这个问题的有效措施就是采用绝缘安装的方式来安装OPGW。

OPGW分段绝缘接地方式是在电力区段内只有一点接地，不会形成感应电流流失，从而有效降低输电线路的电能损耗[4-7]。以该方式为基础的光电分离接头盒在我国多条输电线路得到了应用。但是经过一个阶段的运行实践，相继发生了多起因放电造成光缆、接头盒灼蚀而导致光缆中断等故障[8-10]。据统计，现有分段绝缘安装方式OPGW线路的故障中，80%以上是由接头盒故障引起的。如不能较好地解决光缆接头盒的问题，会给电网调度、继保、通信和运维等重要业务的安全运行埋下隐患。

1 分段绝缘OPGW接头盒应用现状

1.1 分段绝缘接地方式

OPGW光缆逐塔接地方式如图1所示。

图1 OPGW光缆逐塔接地方式示意图Fig.1 OPGW optical tower-by-tower grounding method

由图1可知，当OPGW与大地构成回路，高压线路未均匀换位时，导线磁场将在OPGW上感应出较大的电磁感应纵电动势和电流，由此产生较大的电能损耗。

OPGW光缆分段绝缘接地方式则是将接续塔一侧接地、另一侧绝缘，或一端接续塔两侧全接地、另一端的接续塔两侧全绝缘[11]。分段绝缘接地方式在电力区段内只有一点接地，正常运行无感应电流接地通路，线路感应电损耗很小。但设备和接线方式略为复杂，在工程使用时需处理好运行检修时OPGW绝缘端感应电压偏高的问题。当前，尚无一种可以满足分段绝缘方式的光缆接续装置。这已成为制约绝缘OPGW技术推广的关键原因。

OPGW分段绝缘的接地方式如图2所示。

图2 OPGW分段绝缘接地方式示意图Fig.2 OPGW segmented insulation grounding method

1.2 光电分离接头盒技术分析

目前，输电线路应用的光电分离绝缘接头盒结构一般分为隔离型、接续型和终端型[12]。通过中空复合绝缘子使盒体两侧需要接续的OPGW光缆的外包绞线绝缘，同时采用光电分离技术使OPGW光缆中的光纤在进入上下熔接盒后从铠装层中剥离出来，并与预埋在中空复合绝缘子内的光纤接续，从而实现OPGW光缆外包绞线绝缘、光纤接续的功能。

OPGW绝缘接头盒典型结构如图3所示。

图3 OPGW绝缘接头盒典型结构Fig.3 Typical structure of insulated joint box of OPGW

输电线路正常运行时，绝缘接头盒处于绝缘状态。当线路遭受雷击或者发生短路等故障时，接头盒两侧的电势差大于放电间隙的击穿值，放电间隙被击穿，OPGW光缆通过放电间隙电气导通接地，从而对绝缘接头盒进行保护。故障排除后，放电间隙恢复电气断开状态，OPGW重新进入正常运行状态。

1.3 绝缘接头盒故障分析

1.3.1 雷电流冲击烧损盒内光单元

某500 kV分段绝缘OPGW线路发生通信中断故障。现场勘察结果表明，该故障是光缆接头盒故障所致。打开接头盒发现盒内光纤全部烧毁，光单元受损严重。接头盒安装不当是导致此故障的直接原因。安装时，不锈钢管光单元整体通过接头盒侧翼进入盒体内部。发生雷电流冲击时，套在不锈钢管上的绝缘保护管被烧损，侧翼空心绝缘子实际上已经被短路，不锈钢管光单元作为导体与金属盒体长时间放电导致光纤单元烧损。

1.3.2 雷电流冲击引起绝缘子炸裂

某500 kV分段绝缘OPGW线路发生通信中断故障，现场发现接头盒一侧复合绝缘子脱落并炸裂。经查发现发生故障当天为雷雨天气，因光电分离接头盒内部绝缘距离不足，接头盒两侧电势差较大，高能量雷电流产生高温导致接头盒侧翼复合绝缘子炸裂，造成通信中断。

2 新型分段绝缘OPGW接头盒研制

2.1 设计方案

为了从根本上解决现有分段绝缘OPGW接头盒的故障隐患，本文结合实际线路情况，设计了一种新型分段绝缘光缆中间接头盒。该接头盒安装在耐张塔跳线位置，进行光缆接续。接头盒本体材料为铝合金，炮弹式形状，悬挂方式既具有跳线简洁的效果，又不至于因为挂装导致与杆塔的绝缘距离变化。

新型分段绝缘OPGW光缆接头盒由壳体、连接端盖、壳体盖、夹块、预绞丝等组成。新型分段绝缘OPGW光缆接头盒结构如图4所示。壳体两端分别设置有穿线孔，形成炮弹形状的过渡面，便于外层预绞丝的缠绕；同时，倾斜的迎风面能够有效减小风阻，可避免因强风而造成的线缆损坏，增加了防风偏性能。

图4 新型分段绝缘OPGW光缆接头盒结构Fig.4 New segmented insulation OPGW fiber optic cable joint box structure

2.2 加工制作

新型分段绝缘OPGW接头盒在生产制造过程中严格按国家及行业标准执行，所涉及的成型等方式都是成熟的工艺。加工工艺流程如图5所示。加工过程中在产品材料、密封性、结构尺寸配合上保证质量，同时通过试验验证优化结构设计，使产品满足《架空线路用预绞式金具技术条件、YDT 814.2光缆接头盒 第二部分：光纤复合架空地线光缆接头盒》(DL/T 763)的要求。

图5 加工工艺流程Fig.5 Processing process flowchart

3 接头盒安装及线路布置

3.1 安装关键

新型绝缘OPGW接头盒结构要求每个零部件安装紧密配合，特别是光纤熔纤盘应与壳体紧密连接。熔纤盘沿内筒导轨装入固定位置。装配时，应防止光缆转动，避免组装时因光缆扭转导致已熔接的光纤受损。

光缆开剥接纤时，应提前做好各项准备工作，包括计算熔接所需的光缆长度，并剥出光纤，固定好纤芯束管位置，不能让纤芯束管变形或者发生断裂。光缆切割端面应与夹块端面平齐，避免与壳体内筒接触导致壳体盖无法拧紧。内外筒安装时，应将内筒带孔一端安装在外筒开口处，避免装反。

3.2 线路布置方式

在500 kV及以上输电线路电磁环境下，OPGW接头盒安装距离、感应电压和电势是分段绝缘接地方式应用的关键。新型绝缘OPGW接头盒具有免维护、良好接续的特点，无需改变现有光缆线路设计，同时解决了现有帽式接头盒的许多问题，实现了绝缘性能的提升，更适合在各种电磁环境下应用，可在电网推广。

输电线路接续塔两侧OPGW经余缆盘后，将OPGW光缆用跳线方式与新型绝缘接头盒连接。接头盒内电气隔离。OPGW经带有放电间隙的绝缘子与塔头连接。接头盒在杆塔横担跳线布置如图6所示。在与它相邻的前后两基OPGW 接续塔上，两侧OPGW 均采用这种新型分段绝缘接头盒，不再采用常规光缆接头盒。

图6 接头盒在杆塔横担跳线布置示意图Fig.6 Jumper arrangement of joint box on tower cross arm

4 测试分析

4.1 抗拉性能

OPGW绝缘接头盒抗拉性能测试的目的是检验接头盒夹块加持OPGW的能力。将其加载至3 kN，并保持1 min。如未发生滑移，则满足标准和工程要求。测试结果为加载至5.08 kN时样品滑移，满足要求。

4.2 短路电流试验

短路电流试验的目的是评估在典型短路条件下的接头盒温度变化和光纤的光学性能。接头盒在短路电流的影响下，内部盘纤盘温度和壳体温度都不应急剧上升。短路电流试验温度变化曲线如图7所示。试验结果表明，接头盒表面最大温度(18 ℃)和接头盒内部最大温度(22.7 ℃)均小于OPGW光单元最高温度(26.5 ℃)，证明OPGW在规定的最高温度下其性能未受影响。

图7 短路电流试验温度变化曲线Fig.7 Short-circuit current test temperature change curves

4.3 工频耐受电压试验

OPGW绝缘接头盒样品经过试验后不应有损坏，包括绝缘体的击穿，但不包括绝缘件表面上的轻微放电痕迹或胶装物及其他材料的碎片脱落。试验要求为工频1 min耐受电压(干)工频电压试验。耐受试验依据GB/T 19519—2014校正电压进行。接头盒工频耐受电压试验结果如表1所示。

表1 接头盒工频耐受电压试验结果Tab.1 Joints box frequency with stand voltage test results

测试结果表明，在耐受电压和耐受时间条件下，2个接头盒样品经过试验后未发生闪络，盒内绝缘体没有被击穿且表面质量良好，温升性能良好。这一结果满足500 kV电压等级下输电线路分段绝缘方式OPGW光缆工程条件要求。

4.4 雷电全波冲击耐受电压试验

试验按GB/T 19519—2014校正电压进行。试验时，调整冲击电压发生器使之产生所需要的冲击波形然后升高电压至规定的耐受电压，共施加 15 次的冲击波。如果闪络次数不超过 2 次，则试品通过本试验。雷电全波冲击耐受电压试验结果如表2所示。

表2 雷电全波冲击耐受电压试验结果Tab.1 Lightning full wave impulse withstand voltage test results

测试结果表明，在雷电全波冲击耐受电压和耐受次数条件下，2个接头盒样品经过试验后未发生闪络，盒内绝缘体没有被击穿且表面质量良好。该结果满足500 kV电压等级下输电线路分段绝缘OPGW光缆工程条件要求。

5 结论

本文通过分段绝缘OPGW光缆线路接头盒故障分析，研制了一种新型OPGW绝缘接头盒。该研究既保证了密封性能，又能实现接头盒不与杆塔接触，与OPGW光缆处于同等电位的一体化运行。新型绝缘OPGW接头盒研制样品经过机械、电气和环境性能测试，满足相关标准和工程条件要求。同时，本文提出了将其安装悬挂在接续塔跳线位置，可以实现OPGW分段绝缘连接和跨越耐张段，不需要进行二次安装。新型绝缘OPGW光缆接头盒的成功研制，将有力地促进OPGW分段绝缘接地方式的推广和应用，推动输电线路节能和降耗。