进站OPGW门型架引下安全性研究

戚力彦，杨斌，范冕（.中国电力科学研究院，北京　009；.国家电网公司信通部，北京　0003）



进站OPGW门型架引下安全性研究

戚力彦1，杨斌2，范冕1
（1.中国电力科学研究院，北京100192；2.国家电网公司信通部，北京100031）

摘要：近年来，进站光纤复合架空地线（OPGW）引下线经常出现烧断的现象，引起了通信业务中断，进而危害了电网的安全。本文在分析OPGW进入变电站后各类故障及事故隐患的基础上，对进站OPGW门型架引下安全性进行了研究，对工频接地短路及雷电情况下进站OPGW的安全性进行了研究，提出了进站OPGW的塔上两点接地引下方法，全面分析解决了进站OPGW门型架引下的安全性问题。

关键词：OPGW；感应电压；感应电流；工频

Project Supported by Science and Technology Project of SGCC （TX71-13-035）.

长期以来，光纤复合架空地线（Optical fiber composite overhead ground wires，OPGW）设计时只考虑了线路铁塔接地问题，并未考虑OPGW进站段光缆的塔上引下接地问题，由于门型架至终端塔OPGW光缆悬空，从而使得该段光缆未受到保护，一旦出现雷击或变电站母线短路等情况时将产生极大的电流通过光缆，如果超过光缆的短路容量，就会发生损坏甚至烧断光缆的情况，从而中断通信业务，危害电网安全。

近年来，国内已有部分设计单位与网省公司开始在设计时考虑OPGW引下接地方式[1-3]，并要求对OPGW进站构架处进行绝缘处理，如安装绝缘子，增加绝缘橡胶垫等，以解决构架、变电站光缆的引下接地安全连接问题。但由于目前国内尚无统一的标准及规范要求，各地构架及变电站的接地安全处理方式也不一样，没有统一的施工及验收标准。

本文通过研究OPGW进入变电站后各类故障及事故隐患的内在原因，通过对典型案例的分析，并应用过电压理论分析论证，验证了当OPGW与门型架金属构件间隙足够少时，在雷电或电力系统过电压作用下，将可能导致OPGW与门型架金属构件之间放电，从而击穿熔断纤芯，造成通信中断事故。本文研究了电网工频接地短路情况下进站OPGW的安全性，研究了雷电对进站OPGW安全性的影响，提出了进站OPGW的塔上引下接地方式，从而全面分析解决了进站OPGW门型架引下的安全性问题。

1进站OPGW断股损伤问题

根据我国现行电力规程规定：“110 kV及以上配电装置，可将线路的避雷线引接到出线门型架构上”[4]，且“变电所的接地装置应与线路的避雷线相连，且有便于分开的连接点”[5]。所以在现有变电所进线段地线的设计中，一般遵循了2个原则：一是变电所出线门型架构与线路的避雷线相连；二是有便于分开的连接点。前者的目的是增强地线的分流和屏蔽作用，有利于防雷；后者的目的是有利于变电所接地电阻的准确测量。

但是，OPGW的接地和普通地线的接地有所不同，OPGW有一段垂直引下线，相关规定未具体说明OPGW的接地方式和接地位置。在现场执行过程中，OPGW引下线通常是未充分接地而直接悬空接入光缆接续盒，而变电所出线门型架构与线路的避雷线是相连的。这导致了OPGW引下线经常出现烧断的现象。通过调研，发现这种OPGW引下线烧断的现象大量出现在各电压等级的变电站中，仅浙江省电网公司所辖地区3 a内就发生了8次类似事故，2010年—2011年湖南境内也发生2例因光缆遭受雷击影响国家电网一级骨干电路运行安全的事件[6]，并且均发生在门型架处。现场事故照片如图1和图2所示。

图1浙江省电力公司所辖变电站的OPGW引下线烧断现象Fig. 1 The fusing phenomenon of the OPGW in the substation of the Zhejiang Electric Power Corporation

图2湖南沙捞Ⅱ线OPGW门型架引下线及钢带熔断情况Fig. 2 The fusing phenomenon of the OPGW leading down from the portal frame and steel strip on Sarawak IIline constructed by Hunan Power Transmission Engineering Company

经调研分析，变电站进站OPGW断股事故的放电故障位置及直接原因基本可分为2类：一类是OPGW对构架和构架上踏脚钉放电；一类是OPGW对余缆架放电。OPGW在输电状态下将长期产生感应电流，同时在雷电、短路、操作过电压期间也会短时产生大量感应电流，因OPGW门型架处引下方式不规范，致使OPGW发生熔断，导致纤芯受损。虽然一些故障得到临时解决，但这一普遍现象需要进行深入研究，目前未发生事故的进站OPGW仍存在一定安全隐患，需要切实有效地从事故根源解决问题。

2进站OPGW运行安全性研究

从以上案例可归纳总结出，造成OPGW及其导引光缆损伤的主要原因有以下几点。

2.1工频接地短路或雷击时的反击过电压

当线路故障短路电流冲击OPGW时，光缆内部不锈钢光单元瞬时高温，会影响光纤的传输性能甚至熔断光纤，必须提高光缆的短路电流容量，以降低短路故障对光缆的影响。

雷击是造成OPGW瞬时高温的另一个因素[7-9]。由于变电站周围有许多避雷针，从故障现场看，避雷针的位置都高于光缆故障点，直击雷和雷电绕击的可能性很小。光缆断股的原因很可能是在OPGW上的雷电行波通过杆塔向大地放电的过程中，碰到杆塔上的铁梯继而向抱箍放电；或是雷击变电站避雷针引起地电位反击造成地电位升高，使得杆塔上金属构架与OPGW之间产生电位差，引起放电拉弧。

从以上2种现象来看，电力系统发生工频接地短路或雷击时，设备接地点可能具有升高的电位，从而产生可能使设备损坏的高电压，即反击过电压。

2.2间隙放电

部分变电站OPGW引下线未与变电站门型架金属构件及地网系统连接，OPGW引下线与金属构架没有固定连接，而只是紧靠在一起，当OPGW与金属构架的间隙足够小时，这时放电点两边只要有很低的电位差，就会产生熔化能量很大的燃弧，足以把光缆外层甚至内层的股线熔断。工频击穿电压与间隙距离的关系曲线[10]如图3所示。

2.3电弧烧伤

在OPGW接入变电站构架时，存在着OPGW未与变电站构架接地网连接、OPGW与变电站构架接地网的连接面积过小和接触不良、OPGW从构架顶部引下时其外体与构架金具构件有非固定性接触的现象。运行中的OPGW存在较强的感应电流和感应电压，在释放电荷能量入变电站接地网的过程中，由于存在OPGW接地线线耳有效接触面积过小，线耳材质与构架材质不同，构架接触面不够平整光滑，以及连接不够牢固等因素，造成OPGW接地线线耳与变电站接地网连接处出现感应放电烧伤的情况。在OPGW接地线因放电烧伤线耳引起接地电阻增大时，OPGW外体与构架金属构件非固定性接触处形成新的放电回路而产生电弧，导致OPGW外层绞线逐渐熔化断股。

3理论分析与仿真计算

3.1工频感应电压和电流研究

研究过程将结合我国1 000 kV交流特高压工程的实际情况，通过EMTP程序建立仿真计算模型，计算变电站内OPGW引下线末端感应电压和感应电流，判断是否可能造成OPGW对变电站门型构架放电。

分别考虑3种OPGW接地方式，计算OPGW上的感应电压和感应电流值结果，如表1所示。

表1 OPGW不同接地方式时的感应电压电流Tab. 1 OPGW induction voltage and current in different grounding modes

可以看到，在OPGW和门型架的顶部、末端绝缘的情况下，OPGW上的感应电压最高，为61.6 V。OPGW和门型架的顶部绝缘、末端经余缆段后接地情况下，OPGW上的感应电流最大，为17.5 A。

3.2工频短路故障情况下OPGW上的过电压研究

对于交流线路，导线单相接地故障时，在地线上产生的感应电压大小与系统的运行方式（短路电流大小）、故障时刻和接地点位置等因素均有关，如图4所示。线路单相接地短路情况下，部分短路电流经OPGW流回变电站。三相导线电流严重不平衡，在OPGW上也会感应电压和电流。

图4单相接地故障时故障点处地线上的感应电压（50 km）Fig. 4 Induction voltage of GW under the single-phaseto-ground fault conditions

表2为单相接地，OPGW不同接地方式下的电压（构架顶端处的OPGW对地电压）和电流。通过计算可以看到：OPGW末端应接地。

表2单相接地故障情况下OPGW上的电压和电流Tab. 2 Voltage and current of OPGW under thesingle-phase-to-ground fault conditions

3.3雷击故障情况下OPGW上的过电压研究

表3列出了幅值为5 kA和100 kA的雷电流雷击进线段时，OPGW与构架3种不同连接方式下，在余缆的头部位置OPGW和构架之间的瞬态电压水平。可以看到第3种方式瞬态电压降到很低，所以，推荐在余缆的头部位置把OPGW引下线和构架之间宜用金属线夹固定和连接。

3.4进站OPGW的塔上引下接地方式

在正常运行时，OPGW宜和门型构架顶部电气直接相连接，OPGW末端（余缆头部位置）宜和地网连接。测量变电站接地电阻时，OPGW应该可以比较方便地和门型构架分开。在余缆头部位置，宜把OPGW引下线和门型构架用金属线夹固定和短接，在余缆架上，可以把OPGW和余缆架用金属线绑紧，使其接触良好。

表3雷击进线段时在余缆头部位置OPGW引下线和构架之间的瞬态电压（kV）Tab. 3 Transient voltage（kV）between the OPGW and the frame in the head position of the residual cable when lightning strikes the line

4进站OPGW各类故障及事故隐患分析

4.1故障案例分析

山东临沂供电公司沈泉站中的220 kV京沪线OPGW，于2014年5月17日发生光路中断，通过现场检查测试，确定故障点在220 kV沈泉站内京沪线门型架悬挂点处，OPGW被烧灼导致光单元中光纤断裂，如图5所示。

图5光缆故障部位断股情况Fig. 5 The broken strand situation of the fiber optic cable

京沪线在故障前，OPGW由构架顶端直接引下，无专用接地线，只是由1.6 mm镀锌铁丝将OPGW光缆绑在门型架顶端，然后，OPGW光缆沿门型架及水泥杆引下，其引下的其他位置均采用绝缘夹具与门型形架或水泥杆梯子连接，所以该部分引下光缆与构架基本处于绝缘状态。OPGW引下后在接头盒处接续并接地（由于接头盒所处的水泥柱没有接地端子，OPGW光缆采用接线夹具与铁梯子连接在一起，铁梯子通过A形水泥柱的另一个柱子接入地网）。

OPGW进站时，感应电流较大。经实测，线路正常运行条件下，个别线路OPGW感应电流可达25 A，若OPGW进站后等电位连接不良（包括接地不良），在不良等电位连接处会产生持久电弧烧蚀，可造成OPGW烧断。若线路发生雷击、操作过电压、短路故障等非正常运行状况，工频续流造成的感应电流可高达数千安培，OPGW在不良等电位连接处也容易烧断（或烧蚀）。

沈泉站京沪线发生OPGW断芯故障前，OPGW与门型架之间采用镀锌铁丝绑扎，另有一处搭接在一起，属于不良等电位连接，因而由于连接不良产生持久电弧烧蚀造成烧断（见图6）。

图6京沪线故障前OPGW与门型架的等电位连接不良Fig. 6 Equal potential bad connection between the OPGW and portal frame before the Beijing Shanghai transmission line failure

4.2进站OPGW故障隐患分析

沈泉站宝沈线和沈临线OPGW的接地方式为OPGW与门型架之间用带间隙的绝缘子连接，无专用接地线，如图7所示。同时，OPGW与门型架采用镀锌铁丝捆扎连接，OPGW与A型水泥杆用不锈钢固定卡具固定，OPGW与水泥杆底部接地端子通过匹配的专用地线进行可靠电气连接。

分别对OPGW的余缆前后进行感应电流测试。经测量，两点电流分别为14.0 A和14.2 A，两处均存在一定的感应电流。因此，该OPGW引下方式同样存在较大隐患。

图8为堰头站一条线路的进站OPGW的引下方式，OPGW与建筑防雷线之间有一处搭接，无固定措施，存在较大隐患。

图7宝沈线、沈临线OPGW与门型架用铁丝绑扎Fig. 7 Binding with iron wire between the OPGW and portal frame at Baoshen line and Shenlin line

图8堰头站OPGW引下方式Fig. 8 The way of OPGW leading down atYantou Substation

5　结语

OPGW具有地线和光缆的双重作用，其引下光缆处于线路、变电、通信专业维护的分界点，由于其故障的处理涉及多个专业，今后需要进一步加强线路、通信、保护等专业共同处理的能力，从设计方案、工程建设、运行管理等方面着手开展整治工作。

参考文献

[1]邢宁哲，芦博．OPGW进站光缆安全运行关键问题探

讨[J]．电气应用，2013（S1）：167-170．

XING Ningzhe，LU Bo. The key problem discussion on the

safety of OPGW access to transformer substations[J]. Elec

trotechnical Application，2013（S1）: 167-170（in Chinese）.

[2]朱发强，毛秀伟，王彦波，等．解决OPGW进站安全运

行问题瞰研究与实践[J]．电力信息与通信技术，2013，

11（12）：67-70．

ZHU Faqiang，MAO Xiuwei，WANG Yanbo，et al. Res

earch on the safety of OPGW access to transformer substa

tions and its applications[J]. Electric Power Information and Communication Technology，2013，11（12）: 67-70（in Chinese）.

[3]吴维农，刘孝先，邓雪波．OPGW进站光缆接地问题的探讨[C]．重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集，2010．

[4]中华人民共和国电力工业部.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合电力行业标准：DL/T 620-1997[S].北京:中国电力出版社，1997: 10.

[5]中华人民共和国电力工业部.交流电气装置的接地电力行业标准: DL/T 621-1997 [S].北京:中国电力出版社，1997: 10.

[6]蔡凌，周舟．OPGW光缆变电站门型架引下部分防雷探讨[J]．湖南电力，2012，32（3）：43-44．CAI Ling，ZHOU Zhou. Discussion on lightning protection of OPGW leading down from the portal frame at substation[J]. Hunan Electric Power，2012，32（3）：43-44（in Chinese）.

[7]孙德栋，陈希，戚力彦，等．光纤复合架空地线耐雷击性能分析（上）[J]．电力系统通信，2004，25（9）：10-13．SUN Dedong，CHEN Xi，QI Liyan，et al. Analysis of OPGW performance against lighting strike[J]. Telecommunications for Electric Power System，2004，25（9）：10-13 （in Chinese）.

[8]孙德栋，陈希，戚力彦，等．光纤复合架空地线耐雷击性能分析（下）[J]．电力系统通信，2004，25（10）：60-61，64．SUN Dedong，CHEN Xi，QI Liyan，et al. Analysis of OPGW performance against lighting strike[J]. Telecommunications for Electric Power System，2004，25（10）：60-61，64（in Chinese）.

[9]戚力彦，赵大平，刘汉新，等．OPGW耐雷击性能的综合试验研究[J]．电力系统通信，2009，30（3）：63-67．QI Liyan，ZHAO Daping，LIU Hanxin，et al. Study on OPGW withstand-lightning performance[J]. Telecommunications for Electric Power System，2009，30（3）：63-67 （in Chinese）.

[10]吴飞龙．一起电网事故引发OPGW中断的原因分析[J]．电力系统通信，2005，26（12）：73-75．WU Feilong. Reason analysis of an accident of power grid to cause the OPGW broken off[J]. Telecommunications for Electric Power System，2005，26（12）：73-75（in Chinese）.

戚力彦（1969—），女，硕士，研究方向为光纤通信、电力特种光缆；

杨斌（1977—），男，博士，研究方向为通信新技术及应用；

范冕（1982—），男，硕士，研究方向为电力系统防雷与接地技术。

（编辑黄晶）

Research on the Safety of Substation OPGW Leading Down from the Portal Frame

QI Liyan1，YANG Bin2，FAN Mian1
（1. China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2. Dept. of Information and Communication Technology，SGCC，Beijing 100031，China）

ABSTRACT：In recent years，the substation OPGW often appears to burn off the phenomenon，causing the interruption of communication services，and thus endanger the safety of power grid. On the basis of analysis of various faults and accidents in the substation，this paper studies the safety of OPGW leading down from the portal frame. The safety of the OPGW in the case of power frequency grounding fault and lightning is studied，and the two-point grounding method of the OPGW leading down from the tower is put forward，comprehensive analysis to solve the problem of the safety of the OPGW leading down from the portal frame.

KEY WORDS：OPGW；induction voltage；induction current；power frequency

作者简介：

收稿日期：2015-08-15。

基金项目：国家电网公司科技项目（TX71-13-035）。

文章编号：1674- 3814（2016）02- 0026- 05

中图分类号：TM866

文献标志码：A