摘要： 文章针对光纤复合架空地线（OPGW）的断股现状，调查分析了OPGW的断股情况，并对断股的原因和特征进行了分析，对断股的机理进行了研究，并通过雷击试验，验证了分析结论。调查分析和雷击试验均表明：选线断股的原因是雷击；外层绞线为铝合金或单丝直径较小的易于断股；高幅值雷电流和低幅值雷电流均能造成断股。
关键词： 光纤复合架空地线（OPGW） 断股； 调查分析；电力通信
0 引言
随着电网的发展，电力通信获得了迅速发展，截至2004年年底，建设和投入使用的光纤复合架空地线（OPGW）已有50000多km。近年来，运行中的OPGW出现了雷击断股问题，因而不仅影响到送电线路的安全，而且还威胁到电力通信的可靠性。因此，有必要对国内OPGW遭到雷击损坏的情况进行调查，分析OPGW雷击断股的规律特点。
1 断股情况调查及分析
针对运行中发生的OPGW断股情况，对各电力单位进行调查的内容包括线路运行情况、OPGW的基本参数和雷电活动情况等。
据对断股情况调查统计，近年来出现雷击断股的线路有20条，共41次，其中500kV线路有14条共35次，220kV线路有6条共6次，详细断股情况见表1。
表1 雷击断股次数统计
地 区
湖北省
广东省
浙江省
上海市
江苏省
重庆市
华北地区
辽宁省
500kV线路/次
11
10
8
1
1
0
4
0
220kV线路/次
2
/
/
1
1
1
0
1
合计/次
13
10
8
2
2
1
4
1
对断股情况进行分析，可以得出断股的一些规律特点：
(1) 断股基本由雷击造成。从表1可以看出，在雷电活动密集的地区，如湖北、广东、浙江等地，OPGW的断股故障出现较多；而在雷电活动较少的地区则断股故障出现较少。
调查发现，在发生断股的OPGW上大多有散乱的电弧烧伤点，有明显的电气高温烧损痕迹。而OPGW断股前一般没有出现线路的短路接地故障，这就排除了工频短路电流烧损OPGW的可能性，而且断股期间均有雷电活动的报道。
(2) OPGW架设较多的地区断股故障较多。在架设OPGW较多的湖北、广东、浙江等地，OPGW断股次数也较多；架设OPGW较少的地区，OPGW断股次数则较少。
(3) 断股大多出现在档距中间。OPGW断股大多出现在档距中间，有时一条线路的不同档距中发现多处断股，有时甚至同一档距中出现多处断股，最严重的曾出现光纤损坏或OPGW断裂落地的事故。
(4) 断股大多未对光纤通信造成影响。断股一般是OPGW外层单丝发生断股，大多不会对光纤通信造成影响。例如，广东500kV江茂乙线，从2002年5月～2004年3月，已出现6处断股，断股数为1～4股，均为外层单丝。浙江500kV天瓶线，从1999年5月～2003年3月，共出现5处断股，断股数为1～10股，均为外层单丝。湖北500kV斗白线，从2000年6月～2001年2月，共发现7处断股，断股数为4～7股，均为外层单丝。从已获得的全国各地断股故障来看，绝大多数为外层单丝断股，没有对内层光纤部分造成损坏，因而也没有对光纤通信造成影响。但也有少数情况例外，如华北500kV源安二回线保定段曾出现6处断股、24芯光纤全部断裂的故障，上海也曾出现过断股且光纤损坏的故障。
(5) 外层为铝合金绞线或单丝直径较小绞线更易断股。从目前调查统计的OPGW断股故障可以发现，发生断股的OPGW绝大多数外层绞丝为铝合金线，直径为2.25～3.25mm。外层绞丝为铝包钢线的发生断股较少。如果外层绞丝为铝包钢线和铝合金线混合绞制，也是铝合金线发生断股的居多，但有时也有铝包钢线发生断股的，如江苏220kV嗝水线曾发生过混合绞制的外层单丝中铝合金线断3股、铝包钢线断1股的现象。
在同一地区的同一次雷电袭击下，往往是直径较小的外层单丝更易于断股。如500kV迁绥线，同样的雷电活动下，OPGW外层为2.78mm的铝合金绞线发生了断股，而同线路的另一根OPGW外层为3.2mm的铝合金绞线则没发生断股。在同一雷电电弧作用下，一般单丝直径较小的烧损断面占单丝总断面的比例较大，可造成完全烧断，也可造成部分断面被烧损后再在张力的作用下经过滑移过程而斜断；而单丝截面较大的若烧损断面占总截面的比例较小时，仍可承受张力的作用而不断股。但是，从已掌握的资料来看，单丝直径为2.25、2.38、2.5、2.78、2.84、3.25、3.72mm的铝合金线均曾出现过断股现象，这说明单纯增大铝合金单丝的直径还不能做到完全防止雷击断股故障，还必须从外层单丝材料和直径二方面来考虑增大OPGW的耐雷能力。
(6) 外层断股与OPGW内层结构型式无关。从已掌握的情况来看，OPGW内层的结构型式与外层绞丝的断股无直接联系，中心铝管式结构、骨架式结构、层绞不锈钢管结构等均发生过雷击断股现象，说明断股主要与雷击能量和外层单丝的材料及尺寸有关。
(7) 高幅值雷电流与低幅值雷电流均可能造成断股。从已掌握的雷电活动信息来看，有的地方断股期间曾有高达数百kA的高幅值雷电流活动，而有的地方雷电流幅值较低，但仍出现了雷击断股现象。这说明造成断股的雷电流不一定要第一冲击波的幅值很高，关键是后续泄放电流的幅值和持续时间，即在OPGW表面上形成电弧的持续时间，电弧持续时间如果较长，那么即使冲击波和后续电流的幅值较小也可能造成断股。
(8) 国产及进口OPGW均有断股发生。在已出现的OPGW断股故障中，国内产品及进口产品均有断股发生。前一阶段在干线（500kV）工程中多采用进口产品，但据目前掌握的信息，进口产品的断股故障多于国内产品。
2 断股原因与机理分析
从OPGW上的电弧斑点、烧结瘤状物以及微观电子检测分析结果，可判定断股原因是由高温熔融造成的，而使作为避雷线的OPGW断股的高温只能来自电气方面产生的高温，如工频接地短路电流产生的温升或雷电电弧产生的高温。但是，在对断股故障进行调查分析时，发现线路上一般不曾发生过短路接地故障，也没有故障跳闸记录；有的线路（如500kV双南线）甚至安装架设后尚未投运，不存在OPGW通过工频过流的可能；而且经工频短路电流试验，即使线路上通过预计的最大故障短路电流时，其导致的温升一般也在200℃以下，不可能造成部分外层单丝断股。另外从断股发生的位置来看，断股处均在档距中间。因此，OPGW的断股并非由工频接地造成。对OPGW发生断股的线路区域进行雷电活动调查后均发现断股区曾出现过一定程度的雷电活动，而且雷电活动的时间与发生断股的时间相吻合。从以上的分析表明，OPGW的断股只能由雷击造成。
从机理上来分析，当雷电流在导线上传输时，由于雷电流波形是一瞬态波，冲击电流持续时间很短，且导线电阻很小，因此在任何一段导体上由雷电通流产生的温升不可能很高，即使是绝热过程，其温升也是有限的，不可能导致断股。但是，当强烈雷电先导接近架空避雷线迎面先导与下行先导相遇时，则会产生强烈的电荷中和过程，主放电在OPGW表面形成放电电弧，电弧弧根的温度可高达上千度，因而可造成导线表面的烧蚀。如果在风力和电动力的作用下电弧弧根飘忽不定，则可能在OPGW表面的一定范围内出现烧伤的斑点或其他烧痕。因此，雷云中的能量和雷电放电形成的电弧是造成OPGW断股的外因。一般来说，雷云中集聚的能量越大，空气击穿时转移的电荷就越多，放电形成的电弧越明亮，相应电弧弧根的温度也越高，对OPGW造成的烧损也会越严重。另外，电弧持续的时间越长，在OPGW外层表面的某点就会形成持续的高温，也更易烧损断股。
目前出现断股的绞线绝大部分是铝合金绞线，经过对铝合金绞线的熔点进行检测，发现其熔点一般在640℃左右，不到普通钢绞线熔点的一半。铝包钢线中的钢熔点在1500℃左右，因此，在遭受雷击时由铝合金绞线作为外层绞线的OPGW显然比由钢绞线制成的常规避雷线更易于断股。
3 雷击试验验证
为了验证OPGW外层绞线的断股是由雷击造成的这一结论，对OPGW的外层绞线样品按照IEC
60794和DL/T 832的标准要求进行了雷击试验。雷击试验样品参数列于表2。
表2 雷击试验样品(外层绞线)参数
试品编号
材 料
根 数
单丝直径/mm
1
铝合金
13
2.50
2
铝包钢
14
2.13
在连续电流为100A和400A、电流持续时间约为500ms的条件下进行试验。试验结果列于表3，断股情况如图1所示。
表3 雷击试验结果
试验序号
试品编号
外层绞线
连续电流/A
持续时间/ms
放电电荷/C
断股数及表面特征
单丝直径/mm
材 料
a
1
2.50
铝合金
106.6
504
53.7
断2股，露出内层绞线
b
1
2.50
铝合金
431.0
460
198.0
断7股，内层有3cm熔蚀斑
c
2
2.13
铝包钢
106.6
516
55.0
断1股，散股
d
2
2.13
铝包钢
409.3
476
195.0
断4股，散股
图1 雷击试验结果图片
试验结果表明，雷击可造成OPGW外层绞线断股。
4 结论
(1) 通过对OPGW断股情况的调查和分析，可以得出：OPGW断股基本是由雷击造成；外层绞线为铝合金或单丝直径较小的绞线更易于断股；高幅值雷电流与低幅值雷电流均可能造成断股。
(2) 雷击断股的机理是：当雷电直击OPGW时，所形成的电弧弧根能造成温度高达千度以上的熔融区，造成OPGW股线高温熔断，全熔态时会形成圆熔断头，半熔态时在拉力作用下会形成斜断头；另外还会出现多处熔伤斑点和溅伤。
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