OPGW雷擊故障和耐雷性能的分析探討

OPGW雷擊故障和耐雷性能的分析探討一、前言OPGW（光纖復合架空地線）是集架空地線（GW）和光纖為一體的特種光纜，承載著電力調度、繼電保護、自動化等重要信息，傳統(tǒng)意義的“通信”功能己退居次要地位，OPGW已是名符其實的現(xiàn)代輸電系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，其重要性完全不亞于輸電導線。在我國新建的現(xiàn)代輸電線路中，包括交流750kV超高壓、交流1000kV特高壓和直流±800kV特高壓輸電線路，都包含有OPGW，中國電力用戶己把OPGW作為“常規(guī)”的“成熟”產品，列入集中采購之列。OPGW和GW本身是輸電系統(tǒng)防雷的一個組成部分，究其本質，OPGW和GW并不是“防雷體”而是“引雷體”。但是，OPGW中的光纖承載傳輸著大量重要信息，就此意義而言，OPGW比GW顯然要重要得多；還由于OPGW中含有光纖，一旦發(fā)生通信或其他故障，在排除故障、檢修方面比GW要困難得多。所以，要求OPGW的耐雷性能高于GW是無可非議的。根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)典雷擊理論，在我國OPGW+GW的雙地線系統(tǒng)中，盡管OPGW逐基塔接地、GW分段絕緣接地，在雙地線系統(tǒng)中的OPGW與相鄰的GW受雷擊概率應該是均等的。然而，不容樂觀的客觀事實是：在大多數(shù)情況下，往往是OPGW受雷擊，與之相鄰的GW卻相安無事。從1998年非公開和2000年首例公開的OPGW遭雷擊斷股起，國內開始有組織、有計劃地開展OPGW受雷擊的機理和提高耐雷水平的研究。理論分析和實驗結果表明：雷電活動是外因，OPGW外層股線過細或鋁合金股線的熔點低是雷擊故障的內因。據(jù)此，從規(guī)定外層股線的最小直徑（如鋁合金線和鋁包鋼線分別不得小于3.5mm和2.5mm）開始，到釆用高導電率（40%IACS）鋁包鋼線取代等直徑的鋁合金線，直至外層釆用較大直徑（如大于3.5mm）的標準導電率（20%IACS）或更低導電率的全鋁包鋼結構。至2005年，外層鋁合金股線的OPGW基本上退出了國內市場，成了清一色全鋁包股線結構的天下。自從推廣全鋁包鋼股線OPGW以后，OPGW的雷擊故障確實是下降了。然而，近年來全鋁包鋼股線結構的OPGW受雷擊故障仍時有發(fā)生，而無直接原因的鋁包鋼線斷股開始顯現(xiàn)。目前，以特高壓OPGW招標技術條件為例，要求為全鋁包鋼線結構、外層股線不得小于某一直徑且要事先通過雷擊試驗并且不允許有任何斷股。二、OPGW遭雷擊斷纜分析1、某次斷纜故障概況某次OPGW遭雷擊斷纜及桿塔照片如圖1。圖1某次OPGW斷纜及桿塔照片事故當天氣象為中等雷陣雨，局部大雨，雷雨時短時陣風7到8級。據(jù)雷電定位系統(tǒng)檢索，線路附近區(qū)域3小時內有雷擊記錄138次。其中：100kA~200kA有2次，200kA~300kA有3次，大部分為負極性；400kA以上正極性雷擊有2次，分別為428.8kA、543.5kA，第102次的543.5kA正好落在線路斷纜的81#塔附近，雷電活動記錄時間為12時48分，與A相跳閘時間12時51分相吻合。2、斷纜分析該OPGW為中心管全鋁包鋼結構，經(jīng)查：結構和技術參數(shù)符合設計要求，在進料、生產、出廠驗收、到貨驗收和安裝、運行過程中均正常，無異常情況出現(xiàn)。來自于現(xiàn)場的斷纜照片見圖2，其中：“T”為不銹鋼管光單元，數(shù)字“1～6”分別是鋁包鋼線號碼。圖2來自于現(xiàn)場的OPGW斷纜照片從圖2可清楚地觀察到：——斷纜處鋁包鋼線外的鋁層己消失，鋼芯完全裸露出現(xiàn)銹斑；——①、⑤和⑥股線斷面不在同一位置，但明顯屬于被拉斷；①、③和④股線的斷裂點幾乎在同一位置。為了進一步觀察，把結構進行了分解如圖3、圖4和圖5所示。圖3⑤和⑥號股線分解圖圖4④、③和②股線分解圖圖5④、③和②股線端面圖圖6防震錘預絞終端口受損照片從圖3可見：——⑤和⑥股線的端頭明顯屬于低溫狀態(tài)下被拉斷；——它們已被“焊接”成一體，證明在該處確實發(fā)生過高溫。從圖4和圖5可見：——除了②、③、④這三根股線被“焊接”在一起；——③和④股線有“頸縮”區(qū)、端頭有晶粒，顯示在高溫狀態(tài)下拉斷或稱被熔斷；——②股線則是被熔斷了2/3，有1/3面積屬拉斷。圖6是斷纜外防震錘護線條的照片，可以看到：雖然外表面完好，但端口部內側粘連了鋁包鋼線外層的鋁成分，其中有一根不平整上翹且有明顯的放電痕跡，初步認為是引雷端。從圖2至圖6可以非常明確地告訴我們：現(xiàn)場雷電導致的電弧往往不在表面而在纜結構內部的縫隙中產生。3、斷纜過程推測據(jù)此分析，我們可以基本還原斷纜過程如下：事故當天12時48分，81#塔上防震錘護線條上翹的尖端（圖6）與第102次正極性543.5kA雷擊電流放電，雷擊電流在OPGW層間空隙產生電弧并引起高溫，在張力下③和④股線首先被熔斷，接下來受傷的②股線被拉斷；這時，從理論上講OPGW己喪失了50%的抗拉強度，余下己受傷的股線維持了OPGW的自重約3分鐘至12時51分斷裂；斷纜下垂與之下的A相導線（圖1）相碰引起短路導致跳閘。該OPGW光纜的外層鋁包鋼線的單絲直徑為3.6mm，從單絲上看具有很好的耐雷性能，由于該光纜路由的重要性，OPGW事先己經(jīng)通過了規(guī)定的雷擊試驗驗證。但正由于不銹鋼管和鋁包鋼線的直徑均較大，且是僅為6根絞線的中心管典型結構，線間和層間的縫隙也較大，雷電弧仍在內部縫隙中產生。4、雷擊對鋁包鋼線表面損傷案例但是，不等于雷擊不會對纜表面造成損傷，圖7是來之另一個雷擊對鋁包鋼線表面損傷的現(xiàn)場照片。圖7雷擊對鋁包鋼線表面損傷的照片從圖7可以清晰地看到：——全鋁包鋼OPGW并沒有任何“防雷”作用而是照樣遭雷擊；——當雷擊能量不足以融斷股線或不滿足起弧條件，鋁包鋼表面的鋁層會被氣化即已“露鋼”。這樣的鋁包鋼線斷股只是時間問題，而且可能在斷股當時找不到明顯的直接原因。全鋁包鋼OPGW雖然降低了現(xiàn)場雷擊或雷擊試驗時立即斷股的數(shù)量，但只是時間上的延遲。三、雷擊試驗應當承認，目前有關雷擊發(fā)生、發(fā)展過程的物理本質尚未完全掌握。更由于雷擊是隨機事件，輸電線路防雷計算所依據(jù)的很多概念、假定都還有待發(fā)展和完善，所以與實際情況總有一定的差異。盡管有過一些有益的探索，但要確定雷擊能量與熔蝕能量的定量關系仍是困難的，需要借助雷擊試驗來獲得或驗證。1、雷擊試驗系統(tǒng)圖8是按照IEC60794和電力行標DL/T832建立的雷擊試驗系統(tǒng)示意圖。①緊線螺絲②絕緣子③固定夾具④對稱接地連接器⑤鎢銅平面電極⑥金屬保險絲⑦拉力計⑧電極與OPGW表面間隙⑨OPGW試樣圖8雷擊試驗裝置圖在圖8系統(tǒng)中，為了獲得穩(wěn)定的電弧，樣品⑨與電極⑤之間距離⑧僅為6±1cm，電弧由電極擊穿間隙中的室氣產生。這樣形成的電弧是直接考驗針對電極的某一根或幾根外層股線，其結果自然是“外層股線越粗越好”。但即使是這樣，對于同一個樣品，有時小的雷擊能量就發(fā)生斷股卻在大雷擊能量時反而不斷股。也即試驗結果不重復，需要多次試驗取平均值，如IEC60794和DL/T832規(guī)定重復5次。這可以認為該試驗方法的確還有一定的局限性。事實上，自然界實際雷閃通道與OPGW之間的閃絡距離是很大的，遠遠大于6cm。來之于日本的報告稱，當采用1.4米的電極距離試驗時，電弧才的確是從OPGW發(fā)生并產生了新的弧根。這就解釋了圖2至圖6現(xiàn)場雷擊電弧的確產生在OPGW內部的層間。遠距離電極的試驗方法雖然更接近實際情況，但是弧根不穩(wěn)定，結果不能重復，難以作為依據(jù)。所以，采用IEC60794、DL/T832標準的雷擊試驗仍是目前唯一的方法。2、試驗結果的總結大量的試驗結果表明：在同一雷電流及相同單絲材料的情況下，外層斷股數(shù)與外層絞線直徑直接相關，單絲直徑越大則斷股數(shù)越少。在外層股線直徑相同的條件下,鍍鋅鋼線具有最好的耐雷性能；鋁包鋼線有相近的耐雷（不斷股）性能，但熔蝕斑是鍍鋅鋼線的大約1.5倍；圓鋁合金線雖然直徑還略大，卻表現(xiàn)出斷股和變形。對同一根OPGW，隨著轉移電荷量的增加斷股數(shù)增加，圓鋁合金線斷股數(shù)增長比鋁包鋼線要快。不管外層是鋁合金線還是鋁包鋼線，在相同雷擊試驗能量下，外層斷股數(shù)量隨著張力的增加而顯著增加，燒蝕損壞程度隨張力增加越發(fā)嚴重，鋁合金材料表現(xiàn)得更明顯。外層無論是鋁包鋼線還是鋁合金線，在長時間低幅值連續(xù)電流下均會發(fā)生斷股；在相同的長時間低幅值持續(xù)下鋁合金線比鋁包鋼線的斷股更明顯；當保持電流持續(xù)時間不變時，股線燒損隨電流幅值增高越發(fā)嚴重。外層無論是鋁包鋼線還是鋁合金線，在短時間的高幅值電流下均會發(fā)生斷股；鋁合金線比鋁包鋼線的斷股更明顯；當保持電流持續(xù)時間基本不變時，股線燒損隨隨電流幅值增高越發(fā)嚴重。3、試驗現(xiàn)象圖9和圖10是兩根OPGW在雷擊試驗后的照片，這兩根OPGW具有相同的結構和股線直徑及股線數(shù)量，所不同的是前者的外層股線是鋁合金線而后者是鋁包鋼線。（a）模擬雷擊能量50庫侖（b）模擬雷擊能量150庫侖圖9外層鋁合金股線的雷擊試驗照片（a）模擬雷擊能量50庫侖（b）模擬雷擊能量150庫侖圖10外層鋁包鋼股線的雷擊試驗照片從圖9和圖10可以清晰地觀察到：——在相同的150庫侖模擬雷擊能量下，鋁合金線股線被熔斷；而相同直徑的鋁包鋼股線并沒有斷股，但表面己受損并“露鋼”。——模擬雷擊試驗的電弧確實只發(fā)生在OPGW的表面。四、外層鋁合金和全鋁包鋼結構OPGW1、材料的熔蝕能量OPGW結構主要由鋁和鋼（鋁包鋼）兩種材料組成，由雷擊形成的電弧弧根產生的高溫釋放的能量可稱為熔蝕能量，由（1）式表示：（1）在式（1）中，E：熔蝕能量（Cal/cm）；CA：Al的比熱（=0.274cal/g·℃）；CF：Fe的比熱（=0.182cal/g·℃）；T1：Al的熔點溫度（=660℃）；T2：Fe的熔點溫度（=1535℃）；T0：環(huán)境溫度（=20℃）；δA：Al的潛熔熱（=74.4cal/g）；δF：Fe的潛熔熱（=59.0cal/g）；σA：AA和AS線中Al部分單位重量（g/cm）；σF：AS線中Fe部分單位重量（g/cm）。如果OPGW外層為鋁合金線組成，則有（2）式：（2）在（2）式中，所有涵義與（1）式相同。在計算時，應先計算重量，然后再計算E?；贠PGW結構全部采用圓單線絞合，根據(jù)（1）式和（2）式，計算了幾種材料的不同直徑相對應的熔蝕能量列于表1和圖11，表2給出各類材料的熔蝕能量與鋁合金的倍比關系。表1