光纤复合架空地线直流融冰绝缘化改造方法应用研究

邓元实，廖文龙，陈 俊2，朱 军，李 昆3，刘凤莲，陈少磊2,卜祥航

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；2. 国网四川省电力公司，四川 成都 610041；3.国网四川省电力公司凉山供电公司，四川 西昌 615000)

0 引 言

悬挂在输电杆塔最顶端的OPGW具有电力系统通信和普通地线的双重功能，在中国的电力通信网整体应用率超过了90%。由于其挂点高、缆径小，所以其等值覆冰厚度较相同档距内的导线更为严重。OPGW光缆承载着电力系统保护、安控、调度等重要业务，一旦发生光纤因覆冰断裂或应力过载，将造成电力数据传输中断或输电线路力学体系失衡，为杆塔倾斜甚至倒塌埋下隐患。因此，解决好OPGW覆冰问题，是提高输电线路整体抗冰能力的关键技术问题，对提高线路运行可靠性、保障电网安全起着决定性的作用。

2013年起，国家电网公司专门设立《光纤复合架空地线(OPGW)抗冰技术及措施研究》项目，开展了OPGW抗冰机理及关键技术研究，提出了适用于线路绝缘化改造和非绝缘化改造的OPGW融冰技术方法。

非绝缘化改造的OPGW融冰方法是利用可融冰光纤复合架空地线内置的通流导体，在施加电流后使导体发热融冰。该方法需重新敷设可融冰光纤复合架空地线。从成本经济性考虑，该方法适用于新建线路。

绝缘化改造的OPGW融冰是利用绝缘金具将OPGW与铁塔绝缘，然后给OPGW外加融冰电流发热后实现融冰。该方法通过绝缘金具实现现有OPGW光缆的绝缘处理，无需重新敷设光缆，因此适用于有OPGW融冰需求的既有线路。

国网凉山供电公司110 kV雷坝二线全线共146基塔。N55至N80穿越四川凉山雷波县山陵岗区域，为单回架设的重冰区段。该区段导线设计覆冰厚度为20 mm，线路长7.334 km，地线采用GJ-100型钢绞线，OPGW光缆采用OPGW-24B1-100型。根据2017年冬季至2018年春季期间导线覆冰拉力数据计算，该区段导线等值覆冰厚度最大值约30 mm，已超过该区段设计等值覆冰厚度(20mm)。架空地线与OPGW光缆的覆冰则较导线更为严重。从经济性考虑，采用对雷坝二线N56至N80(重冰区)的架空地线与OPGW光缆进行绝缘化改造方法，实现OPGW光缆融冰。

下面将以110 kV雷坝二线N56至N80为研究对象，开展融冰电流、绝缘段感应电压计算、绝缘化改造、融冰回路、绝缘金具选择等OPGW光缆改造关键技术说明，以供后续实施OPGW光缆绝缘化改造工程的技术人员参考。

1 OPGW绝缘化改造直流融冰方法

1.1 融冰回路

为了防止绝缘区段感应电压过高和融冰时直流融冰电压过高，一般仅需对重冰区段内的OPGW光缆和地线进行绝缘化改造。OPGW光缆直流融冰回路由线路导线、OPGW光缆和架空地线构成。

该工程中采用位于110 kV菜坝变电站的移动直流融冰装置(额定容量：25 MVA/2000 A)作为融冰电源。该线路N146至N79 A相导线将融冰电流引流至N80塔后，经绝缘化改造的N55至N81地线与OPGW光缆后，再通过N146至N79 B相导线留回站内，形成“一去一回”串联融冰回路，如图1所示。

图1 雷坝二线N56至N80 OPGW(地线)融冰回路

1.2 绝缘段感应电压

当OPGW光缆区段进行绝缘化改造后，在线路正常运行时，会产生较高的感应电压。特别是同塔双回线路，当一回线路运行，另一回线路停运时，停运回地线因两回线路间的电磁耦合和静电耦合产生感应电压，将对检修人员安全带来威胁。因此，必须对地线与OPGW光缆绝缘区段的感应电压进行仿真计算，明确绝缘段的分段数和接地点的设置。GB 26859-2011《电力安全工作规程(电力线路部分)》规定，1 kV及其以下为低压，1 kV以上电压为高压。因此将绝缘区段的感应电压限制在低电压等级是有利于作业安全的[1]。

110 kV雷坝二线N56至N80导线型号为LGJ-240/40，绝缘子型号为U70BP-146，悬垂串为8片绝缘子串长1.314 m。在杆塔平均呼高18 m、平均档距200 m、土壤电阻率100 Ω·m、杆塔接地电阻10 Ω的条件下，当线路以额定电流运行时，采用ATP-EMTP软件对绝缘化改造后各种接地情况下的N56至N80感应电压和感应电流进行仿真计算，结果如表1。

从仿真结果可知，若N56至N80绝缘化改造后悬空，绝缘段感应电压将达到4.2 kV(有效值)，超过GB 26859-2011规定。当在绝缘段任意位置设置单点接地后，绝缘段感应电压将降至100 V(有效值)以下。

考虑到OPGW数据传输稳定性和施工便捷，采用在N80架空地线侧和OPGW侧分别设置接地点的“单绝缘段，双点接地”方式接地。根据仿真结果，当雷坝二线以额定电流运行时，绝缘段感应电压为70 V，感应电流为2.8 A，满足运行与检修要求，如图2、图3所示。

表1 110 kV雷坝二线N56至N80绝缘段感应电压仿真结果

(a) N80地线侧感应电压

(b)接地点入地电流图2 绝缘段感应电压与入地电流仿真结果(在N56地线与N80 OPGW侧接地)

1.3 融冰电流

按照镀锌钢绞线最高耐受温度125 ℃[2]和OPGW光缆内部光单元最高允许温度85 ℃[3]的温度限制下, 在环境温度-5 ℃、风速5 m/s、覆冰厚度10 mm时计算得到的绝缘区段最大、最小融冰电流如表2所示。

(a) N80地线侧感应电压

(b)接地点感应电流图3 在N80地线与N80 OPGW侧接地绝缘段仿真结果

型号单位电阻/(Ω·km-1)最小融冰电流/A最大融冰电流/AGJ-1000.242149.5380.2OPGW-24B1-1000.440126.8365.8

1.4 金具选择

OPGW(地线)全绝缘改造所用绝缘金具包括了OPGW绝缘耐张金具、OPGW悬垂耐张金具、带并联间隙OPGW绝缘子、光缆绝缘接头盒、绝缘余缆架、绝缘引下线夹、融冰接地刀闸等。重点对两种重点金具进行说明。

1.4.1 OPGW(地线)绝缘子并联间隙选择

10 kV OPGW(地线)绝缘子并联间隙应满足以下3个条件[1]：

1)在正常运行时不被线路工频感应电压击穿；

2)在融冰时不被融冰电压击穿；

3)在雷电梯级先导发展阶段可靠击穿。

由1.2节可知，N56至N80区段OPGW(地线)采用“单绝缘段，双点接地”的方式可以使线路工频感应电压不超过1 kV。选择1.15倍[1]安全系数，OPGW(地线)绝缘子并联间隙耐压值应大于1.15 kV。20 mm以上的放电间隙即可满足要求。

从融冰电压考虑，采用额定容量为25 MVA/2000 A融冰装置对N55至N80线路段进行直流融冰时，融冰端电压不会超过10 kV。地线绝缘子配合10 mm以上的并联间隙即可满足要求。

从雷电先行击穿考虑，一般并联放电间隙距离与地线绝缘子最小电弧距离之比介于 80%～85%即可满足要求[1]。一般10 kV绝缘子干弧距离为150 mm，则并联放电间隙距离不大于120 mm时，并联放电间隙即会先于地线绝缘子击穿。

综上3个因素，选取带40 mm并联间隙的合成悬式棒型绝缘子(FXBZW-10/120)并配合双悬垂金具和耐张金具分别安装于直线塔和耐张塔处，如图4所示。

(a)耐张串地线绝缘子 (b) 悬垂串地线绝缘子图4 110 kV雷坝二线地线绝缘子

1.4.2 OPGW接续盒

OPGW绝缘接续盒分为中间型绝缘接续盒和终端型绝缘接续盒。中间型隔离接续盒安装于原OPGW接续处，终端型接续盒安装于绝缘段起始塔处，如图5所示。

雷坝二线N63、N71的OPGW接头盒需更换为中间型绝缘接续盒，实现融冰时OPGW数据仍正常传输数据。

雷坝二线N56、N80的OPGW接头盒改造成终端型绝缘接头盒，实现OPGW数据传输接续和分段绝缘。

1.5 OPGW(地线)绝缘化改造

在OPGW(地线)悬垂塔处，采用1套带并联间隙双悬垂串绝缘子实现地线与铁塔地线塔头之间绝缘；在地线耐张塔处，采用2套带并联间隙绝缘耐张垂串绝缘子实现地线与塔头绝缘。

在OPGW(地线)接续塔，按照1.4.2节所述实现OPGW数据传输与分段绝缘。其余OPGW与地线一致，采用带有并联间隙的绝缘子实现与塔头绝缘。

地线与OPGW改造明细如表3、图6所示。

(a)中间型

(b)终端型图5 110 kV雷坝二线OPGW绝缘接续盒安装

2 应用成效

2018年12月11日，受强降温影响，110 kV雷坝二线N56至N80塔OPGW(地线)出现15 mm覆冰。为及时消除覆冰对OPGW(地线)的影响，采用位于110 kV菜坝变电站的移动直流融冰装置(额定容量为25 MVA/2000 A)作为融冰电源对N56至N80地线与OPGW光缆通过导线形成的“一去一回”串联回路进行直流融冰工作。

2.1 绝缘区段感应电压

110 kV雷坝一线正常运行时，闭合雷坝二线N80塔地线与OPGW引下线接地开关，B相导线-地线-OPGW-A相导线形成的OPGW(地线)融冰回路感应电压值为59 V。该值与仿真结果一致，也满足GB 26859-2011的要求。

2.2 绝缘区段绝缘电阻

在110 kV菜坝变电站内，用5 kV绝缘电阻表测试B相导线-地线-OPGW-A相导线形成的OPGW(地线)融冰回路绝缘电阻。在不拆除回路接地线时，其绝缘电阻R1=0 Ω；拆除回路接地线后，其绝缘电阻R2=74.2 MΩ。上述结果说明融冰回路无接地点、无断线，接线正确。

图6 OPGW光缆绝缘化改造

表3 110 kV雷坝二线N56至N80区段OPGW(地线)绝缘化改造明细

2.3 融冰电压与融冰电流

本次试验设置起始输出融冰电流为200 A，电流增长步长为20 A，最终增大到280 A并持续30 min。融冰装置直流出线侧的融冰电压、电流如表4所示。

为监测融冰期间OPGW(地线)温升情况，采用测温贴片测试OPGW(地线)表面温度。融冰期间，OPGW与地线表层温升曲线如图7所示。

表4 直流融冰装置出线侧融冰参数

(a) OPGW温升曲线

(b)地线温升曲线图7 OPGW融冰温升曲线

融冰15 min后，OPGW(地线)上的覆冰开始脱落。25 min后，该区段OPGW(地线)覆冰全部脱落。整个融冰期间，OTDR测试数据正常，OPGW光缆纤芯传输数据正常，热稳定性良好。

3 结 语

在采用绝缘改造的OPGW直流融冰研究成果基础上，针对性地分析了110 kV雷坝二线N56至N80重冰段直流融冰回路、绝缘段感应电压与接地方式、地线绝缘子并联间隙选择、绝缘化改造具体方法。在2018年冬季至2019年春季覆冰季节期间，已采用该方法对该区段开展直流融冰4次，OPGW光缆(地线)未发生因冰故障。

OPGW(地线)绝缘化改造需差异化进行。今后将开展不同电压等级下单回、同塔双回和交叉跨越线路的OPGW(地线)感应电压分布规律，明确地线绝缘子并联间隙取值范围，绝缘改造长度、接地方式和导线换位情况对电能损耗影响规律研究，为相关绝缘化改造工程的实施提供依据和参考。