OPGW雷击故障和耐雷性能的分析探讨

OPGW雷击故障和耐雷性能的分析探讨一、前言OPGW（光纤复合架空地线）是集架空地线（GW）和光纤为一体的特种光缆，承载着电力调度、继电保护、自动化等重要信息，传统意义的“通信”功能己退居次要地位，OPGW已是名符其实的现代输电系统的中枢神经，其重要性完全不亚于输电导线。在我国新建的现代输电线路中，包括交流750kV超高压、交流1000kV特高压和直流±800kV特高压输电线路，都包含有OPGW，中国电力用户己把OPGW作为“常规”的“成熟”产品，列入集中采购之列。OPGW和GW本身是输电系统防雷的一个组成部分，究其本质，OPGW和GW并不是“防雷体”而是“引雷体”。但是，OPGW中的光纤承载传输着大量重要信息，就此意义而言，OPGW比GW显然要重要得多；还由于OPGW中含有光纤，一旦发生通信或其他故障，在排除故障、检修方面比GW要困难得多。所以，要求OPGW的耐雷性能高于GW是无可非议的。根据现有的经典雷击理论，在我国OPGW+GW的双地线系统中，尽管OPGW逐基塔接地、GW分段绝缘接地，在双地线系统中的OPGW与相邻的GW受雷击概率应该是均等的。然而，不容乐观的客观事实是：在大多数情况下，往往是OPGW受雷击，与之相邻的GW却相安无事。从1998年非公开和2000年首例公开的OPGW遭雷击断股起，国内开始有组织、有计划地开展OPGW受雷击的机理和提高耐雷水平的研究。理论分析和实验结果表明：雷电活动是外因，OPGW外层股线过细或铝合金股线的熔点低是雷击故障的内因。据此，从规定外层股线的最小直径（如铝合金线和铝包钢线分别不得小于3.5mm和2.5mm）开始，到釆用高导电率（40%IACS）铝包钢线取代等直径的铝合金线，直至外层釆用较大直径（如大于3.5mm）的标准导电率（20%IACS）或更低导电率的全铝包钢结构。至2005年，外层铝合金股线的OPGW基本上退出了国内市场，成了清一色全铝包股线结构的天下。自从推广全铝包钢股线OPGW以后，OPGW的雷击故障确实是下降了。然而，近年来全铝包钢股线结构的OPGW受雷击故障仍时有发生，而无直接原因的铝包钢线断股开始显现。目前，以特高压OPGW招标技术条件为例，要求为全铝包钢线结构、外层股线不得小于某一直径且要事先通过雷击试验并且不允许有任何断股。二、OPGW遭雷击断缆分析1、某次断缆故障概况某次OPGW遭雷击断缆及杆塔照片如图1。图1某次OPGW断缆及杆塔照片事故当天气象为中等雷阵雨，局部大雨，雷雨时短时阵风7到8级。据雷电定位系统检索，线路附近区域3小时内有雷击记录138次。其中：100kA~200kA有2次，200kA~300kA有3次，大部分为负极性；400kA以上正极性雷击有2次，分别为428.8kA、543.5kA，第102次的543.5kA正好落在线路断缆的81#塔附近，雷电活动记录时间为12时48分，与A相跳闸时间12时51分相吻合。2、断缆分析该OPGW为中心管全铝包钢结构，经查：结构和技术参数符合设计要求，在进料、生产、出厂验收、到货验收和安装、运行过程中均正常，无异常情况出现。来自于现场的断缆照片见图2，其中：“T”为不锈钢管光单元，数字“1～6”分别是铝包钢线号码。图2来自于现场的OPGW断缆照片从图2可清楚地观察到：——断缆处铝包钢线外的铝层己消失，钢芯完全裸露出现锈斑；——①、⑤和⑥股线断面不在同一位置，但明显属于被拉断；①、③和④股线的断裂点几乎在同一位置。为了进一步观察，把结构进行了分解如图3、图4和图5所示。图3⑤和⑥号股线分解图图4④、③和②股线分解图图5④、③和②股线端面图图6防震锤预绞终端口受损照片从图3可见：——⑤和⑥股线的端头明显属于低温状态下被拉断；——它们已被“焊接”成一体，证明在该处确实发生过高温。从图4和图5可见：——除了②、③、④这三根股线被“焊接”在一起；——③和④股线有“颈缩”区、端头有晶粒，显示在高温状态下拉断或称被熔断；——②股线则是被熔断了2/3，有1/3面积属拉断。图6是断缆外防震锤护线条的照片，可以看到：虽然外表面完好，但端口部内侧粘连了铝包钢线外层的铝成分，其中有一根不平整上翘且有明显的放电痕迹，初步认为是引雷端。从图2至图6可以非常明确地告诉我们：现场雷电导致的电弧往往不在表面而在缆结构内部的缝隙中产生。3、断缆过程推测据此分析，我们可以基本还原断缆过程如下：事故当天12时48分，81#塔上防震锤护线条上翘的尖端（图6）与第102次正极性543.5kA雷击电流放电，雷击电流在OPGW层间空隙产生电弧并引起高温，在张力下③和④股线首先被熔断，接下来受伤的②股线被拉断；这时，从理论上讲OPGW己丧失了50%的抗拉强度，余下己受伤的股线维持了OPGW的自重约3分钟至12时51分断裂；断缆下垂与之下的A相导线（图1）相碰引起短路导致跳闸。该OPGW光缆的外层铝包钢线的单丝直径为3.6mm，从单丝上看具有很好的耐雷性能，由于该光缆路由的重要性，OPGW事先己经通过了规定的雷击试验验证。但正由于不锈钢管和铝包钢线的直径均较大，且是仅为6根绞线的中心管典型结构，线间和层间的缝隙也较大，雷电弧仍在内部缝隙中产生。4、雷击对铝包钢线表面损伤案例但是，不等于雷击不会对缆表面造成损伤，图7是来之另一个雷击对铝包钢线表面损伤的现场照片。图7雷击对铝包钢线表面损伤的照片从图7可以清晰地看到：——全铝包钢OPGW并没有任何“防雷”作用而是照样遭雷击；——当雷击能量不足以融断股线或不满足起弧条件，铝包钢表面的铝层会被气化即已“露钢”。这样的铝包钢线断股只是时间问题，而且可能在断股当时找不到明显的直接原因。全铝包钢OPGW虽然降低了现场雷击或雷击试验时立即断股的数量，但只是时间上的延迟。三、雷击试验应当承认，目前有关雷击发生、发展过程的物理本质尚未完全掌握。更由于雷击是随机事件，输电线路防雷计算所依据的很多概念、假定都还有待发展和完善，所以与实际情况总有一定的差异。尽管有过一些有益的探索，但要确定雷击能量与熔蚀能量的定量关系仍是困难的，需要借助雷击试验来获得或验证。1、雷击试验系统图8是按照IEC60794和电力行标DL/T832建立的雷击试验系统示意图。①紧线螺丝②绝缘子③固定夹具④对称接地连接器⑤钨铜平面电极⑥金属保险丝⑦拉力计⑧电极与OPGW表面间隙⑨OPGW试样图8雷击试验装置图在图8系统中，为了获得稳定的电弧，样品⑨与电极⑤之间距离⑧仅为6±1cm，电弧由电极击穿间隙中的室气产生。这样形成的电弧是直接考验针对电极的某一根或几根外层股线，其结果自然是“外层股线越粗越好”。但即使是这样，对于同一个样品，有时小的雷击能量就发生断股却在大雷击能量时反而不断股。也即试验结果不重复，需要多次试验取平均值，如IEC60794和DL/T832规定重复5次。这可以认为该试验方法的确还有一定的局限性。事实上，自然界实际雷闪通道与OPGW之间的闪络距离是很大的，远远大于6cm。来之于日本的报告称，当采用1.4米的电极距离试验时，电弧才的确是从OPGW发生并产生了新的弧根。这就解释了图2至图6现场雷击电弧的确产生在OPGW内部的层间。远距离电极的试验方法虽然更接近实际情况，但是弧根不稳定，结果不能重复，难以作为依据。所以，采用IEC60794、DL/T832标准的雷击试验仍是目前唯一的方法。2、试验结果的总结大量的试验结果表明：在同一雷电流及相同单丝材料的情况下，外层断股数与外层绞线直径直接相关，单丝直径越大则断股数越少。在外层股线直径相同的条件下,镀锌钢线具有最好的耐雷性能；铝包钢线有相近的耐雷（不断股）性能，但熔蚀斑是镀锌钢线的大约1.5倍；圆铝合金线虽然直径还略大，却表现出断股和变形。对同一根OPGW，随着转移电荷量的增加断股数增加，圆铝合金线断股数增长比铝包钢线要快。不管外层是铝合金线还是铝包钢线，在相同雷击试验能量下，外层断股数量随着张力的增加而显著增加，烧蚀损坏程度随张力增加越发严重，铝合金材料表现得更明显。外层无论是铝包钢线还是铝合金线，在长时间低幅值连续电流下均会发生断股；在相同的长时间低幅值持续下铝合金线比铝包钢线的断股更明显；当保持电流持续时间不变时，股线烧损随电流幅值增高越发严重。外层无论是铝包钢线还是铝合金线，在短时间的高幅值电流下均会发生断股；铝合金线比铝包钢线的断股更明显；当保持电流持续时间基本不变时，股线烧损随随电流幅值增高越发严重。3、试验现象图9和图10是两根OPGW在雷击试验后的照片，这两根OPGW具有相同的结构和股线直径及股线数量，所不同的是前者的外层股线是铝合金线而后者是铝包钢线。（a）模拟雷击能量50库仑（b）模拟雷击能量150库仑图9外层铝合金股线的雷击试验照片（a）模拟雷击能量50库仑（b）模拟雷击能量150库仑图10外层铝包钢股线的雷击试验照片从图9和图10可以清晰地观察到：——在相同的150库仑模拟雷击能量下，铝合金线股线被熔断；而相同直径的铝包钢股线并没有断股，但表面己受损并“露钢”。——模拟雷击试验的电弧确实只发生在OPGW的表面。四、外层铝合金和全鋁包钢结构OPGW1、材料的熔蚀能量OPGW结构主要由铝和钢（铝包钢）两种材料组成，由雷击形成的电弧弧根产生的高温释放的能量可称为熔蚀能量，由（1）式表示：（1）在式（1）中，E：熔蚀能量（Cal/cm）；CA：Al的比热（=0.274cal/g·℃）；CF：Fe的比热（=0.182cal/g·℃）；T1：Al的熔点温度（=660℃）；T2：Fe的熔点温度（=1535℃）；T0：环境温度（=20℃）；δA：Al的潜熔热（=74.4cal/g）；δF：Fe的潜熔热（=59.0cal/g）；σA：AA和AS线中Al部分单位重量（g/cm）；σF：AS线中Fe部分单位重量（g/cm）。如果OPGW外层为铝合金线组成，则有（2）式：（2）在（2）式中，所有涵义与（1）式相同。在计算时，应先计算重量，然后再计算E。基于OPGW结构全部采用圆单线绞合，根据（1）式和（2）式，计算了几种材料的不同直径相对应的熔蚀能量列于表1和图11，表2给出各类材料的熔蚀能量与铝合金的倍比关系。表1