[科普中國]-架空地線

簡述

架空地線是架設(shè)在輸電線路上方，為避免輸電線路遭受直接雷擊而鋪設(shè)的線路，可稱為避雷線或地線。隨著架空輸電線路覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致輸電線路遭受雷擊的概率也越來越大。自古以來，雷電不相融，架空地線就是處于雷云與輸電導(dǎo)線之間的一道屏障。輸電線路跨越廣闊的地域，在雷雨季節(jié)容易遭受雷擊而引起送電中斷，成為電力系統(tǒng)發(fā)生停電事故的主要原因之一。輸電線路安裝架空地線，可以減少雷害事故，提高線路運(yùn)行的安全性。架空地線是高壓輸電線路結(jié)構(gòu)的重要組成部分。高壓及超高壓變電站占地面積大，要求防直擊雷的區(qū)域大，除安裝避雷針保護(hù)外，也會(huì)采用架空地線保護(hù)。架空地線都是架設(shè)在被保護(hù)的導(dǎo)線和設(shè)備的上方，當(dāng)線路上方出現(xiàn)雷云對(duì)地面放電時(shí)，雷閃通道容易擊中架空地線，然后通過架空地線的接地線或金屬桿塔本體將雷電流引入大地，以保護(hù)輸電線路正常送電。同時(shí)，架空地線還有電磁屏蔽作用，當(dāng)線路附近雷云對(duì)地面放電時(shí)，可以降低在輸電導(dǎo)線上引起的雷電感應(yīng)過電壓。架空地線必須與桿塔接地裝置牢固相連，以保證遭受雷擊后能將雷電流可靠地導(dǎo)入大地，以避免雷擊點(diǎn)電位突然升高而造成反擊。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，生活用電及工農(nóng)業(yè)用電中，電力系統(tǒng)斷電跳閘事故主要因素分別為雷擊、人為或是自然災(zāi)害等，而其中雷電導(dǎo)致停電的概率高達(dá)60%以上。天氣變化是不可控因素，所以只能在人力可控范圍內(nèi)，提高輸電系統(tǒng)的安全性及防災(zāi)性。架空地線就是電力系統(tǒng)減災(zāi)防災(zāi)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。

輸電線路架空地線運(yùn)用實(shí)踐表明，架空地線能有效防止雷電直擊輸電導(dǎo)線；當(dāng)雷擊輸電線路桿塔時(shí)，架空地線能起到分流作用，減小桿塔塔頂電位，防止雷電反擊；當(dāng)雷擊輸電線路附近大地時(shí)，架空地線能起到屏蔽作用，降低輸電導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓。2

發(fā)展**(一)國內(nèi)架空地線**

對(duì)于普通架空地線，1987年5月，水利電力部武漢高壓研究所組織召開了架空地線應(yīng)用技術(shù)座談會(huì)，起草了架空地線規(guī)范。隨后研究試制了聚乙烯絕緣架空地線、聚氯乙烯絕緣架空地線、黑色非交聯(lián)聚乙烯架空地線等。如今我國普遍采用鍍鋅鋼絞線作為普通架空地線，其具有柔軟性好、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

對(duì)于光纖復(fù)合架空地線，我國自1985年葛洲壩工程從英國BICC引進(jìn)首條光纖復(fù)合架空地線線路（2.7km）以來，太原、武漢和洛陽等地也相繼引進(jìn)了OPGW。上海電纜研究所率先在國內(nèi)開展光纜復(fù)合架空地線的研制工作，先后研制了有縫鋁管式、多模光

纖松套結(jié)構(gòu)的OPGW。隨著技術(shù)進(jìn)步，光纖復(fù)合架空地線采用了包括高強(qiáng)度單模光纖、無縫鋁管連續(xù)擠壓和高強(qiáng)度、高模量鋁包鋼線生產(chǎn)技術(shù)，使OPGW制造技術(shù)上了一個(gè)新的臺(tái)階，研制成功各種新型結(jié)構(gòu)的OPGW，制成了與OPGW-75/45相同尺寸的滑動(dòng)型OPGW，其鋁管為無縫的；關(guān)鍵技術(shù)突破后，又研究世界上先進(jìn)國家的OPGW，吸取了各家公司產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，獨(dú)創(chuàng)了中心管式OPGW結(jié)構(gòu)，并形成系列化，在國內(nèi)電力系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

(二)國外架空地線

對(duì)于普通架空地線，從20世紀(jì)60年代開始，世界各國的導(dǎo)體就主要以鋁代替銅使用。鋁及鋁合金導(dǎo)體的使用范圍己從架空地線擴(kuò)大到了電磁線、絕緣電線、通信電纜、電力電纜和配電母線等方面。由于鋁合金改進(jìn)了鋁的機(jī)械性能和耐熱性比較低的缺點(diǎn)，并不斷向耐熱、高導(dǎo)電和高強(qiáng)度的方向發(fā)展。

耐熱鋁合金線于1957年試制成功、1960年正式使用以來，20世紀(jì)90年代以來日本又實(shí)現(xiàn)了第二次革新，生產(chǎn)了60%IACS的高導(dǎo)電耐熱鋁合金線，使用在500kV以下的線路上。隨著架空線路向大容量和超高壓發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)度鋁合金線的抗張強(qiáng)度不斷提高，日本和美國等國相繼開發(fā)了各種高強(qiáng)度、耐熱性鋁合金線，品種類型日趨齊全。

對(duì)于光纖復(fù)合架空地線（OPGW），日本和西歐國家大約在20世紀(jì)70年代開始研究，當(dāng)時(shí)首先考慮的是：①光纜即使在架空地線中流過感應(yīng)電流而引起溫升，或在雷擊而產(chǎn)生電弧的場(chǎng)合，仍能保持預(yù)定的性能；②光纜即使在受到放線時(shí)的沖擊負(fù)荷，或者因強(qiáng)風(fēng)或打雷時(shí)張力的上升，而使架空地線產(chǎn)生伸長的場(chǎng)合，仍能保持預(yù)定的性能；③特別就OPGW而言，考慮到要更替現(xiàn)有的架空地線，為了能利用原有的鐵塔，外徑及重量要與已有架空地線大體相同。經(jīng)過研制和試驗(yàn)，1974年日本東京和關(guān)西電力公司首先將OPGW應(yīng)用于電力系統(tǒng)，1978年開始進(jìn)入實(shí)用階段。美國通用電氣公司則在1978年首次在一條5km長的230kV電力線上進(jìn)行光纖系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

早期的OPGW，是將鋼芯鋁絞線中的一根或數(shù)根鋁線換成以金屬管保護(hù)的、直徑與鋁線相同的光纖，按傳統(tǒng)工藝絞合而成。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：在生產(chǎn)、架設(shè)和運(yùn)行中光纖容易受到擠壓。但它基本上保持了傳統(tǒng)地線的結(jié)構(gòu)和性能，可沿用原有傳統(tǒng)技術(shù)來架設(shè)及使用。經(jīng)改進(jìn)的類似于這種結(jié)構(gòu)的OPGW，在一些國家中仍被采用，并有效地運(yùn)行。

第二階段在積累OPGW實(shí)用化經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)建造信息傳輸量大、高質(zhì)量的數(shù)字化電網(wǎng)形勢(shì)，開始了多芯化的研究，以增加OPGW的容量。其考慮的出發(fā)點(diǎn)是：①與初期開發(fā)的產(chǎn)品一樣，外徑和重量與已有架空地線差不多相同；②在有限的收容空間內(nèi)，收容盡可能多的光纖。

多芯化OPGW的開發(fā)于1985年完成。其結(jié)果是，在固定型結(jié)構(gòu)中，小規(guī)格品種為9芯，大規(guī)格品種為12～15芯，在非固定型結(jié)構(gòu)中，最多收容12芯。同時(shí)，光纖開始采用單模光纖。這時(shí)的OPGW，已起到供實(shí)用的基干傳輸線路的作用。

第三階段從1985年起，日本著手開發(fā)容量更大的多芯卷型OPGW，重點(diǎn)放在具有有效多芯收容結(jié)構(gòu)的固定型OPGW上，并于1986年1月用于實(shí)際線路。這種OPGW，將六根光纖絞合，在其上壓緊繞包耐熱性優(yōu)良的帶子，這樣的單元可收容3～5個(gè)，因此小尺寸規(guī)格可達(dá)18芯，大尺寸規(guī)格可達(dá)30芯。2

作用架空地線的作用概括起來有以下4點(diǎn)：

(1)減少了雷電直擊導(dǎo)線的機(jī)會(huì)，降低了線路絕緣承受的雷電過電壓幅值。當(dāng)雷擊于塔頂或地線上時(shí)，塔身電位很高，加在絕緣子串上的電壓等于塔身電位與導(dǎo)線電位之差，這個(gè)電壓一般遠(yuǎn)比雷電直接擊中導(dǎo)線時(shí)絕緣子串上的電壓低，不會(huì)導(dǎo)致閃絡(luò)放電。但是，如果接地電阻很大，則塔身電位將會(huì)很高，這時(shí)就會(huì)發(fā)生逆閃絡(luò)，也就是通常說的“反擊”。

(2)對(duì)導(dǎo)線有耦合作用。當(dāng)雷擊塔頂或地線時(shí)，由于耦合，導(dǎo)線電位將抬高，所以耦合可使絕緣子串上的電壓降低。因此，為了減少“反擊”，在接地電阻很難降低時(shí)，可以利用架空地線的分流、耦合性質(zhì)，在導(dǎo)線下面再增加一條耦合地線。

(3)降低感應(yīng)雷過電壓。由于架空地線接地，所以可以起到屏蔽感應(yīng)雷對(duì)導(dǎo)線的作用。

(4)架空地線經(jīng)過適當(dāng)改裝還可兼用作通信通道，如已研制出的光纖復(fù)合架空地線（OPGW）具有避雷、通信等多種功能。OPGW的優(yōu)點(diǎn)為：①傳輸信號(hào)損耗小，通信質(zhì)量高，光纜的芯數(shù)可以較多；②安全性好，不易被盜割，也不易遭到破壞性槍擊；③適應(yīng)用于多種電壓等級(jí)的輸電線路；④光纜與地線同為一體，避免了重復(fù)建設(shè)和維護(hù)的巨大費(fèi)用。2

類型架空地線由于不負(fù)擔(dān)輸送電流的功能，所以不要求具有與導(dǎo)線相同的電導(dǎo)率和導(dǎo)線截面，通常多采用鋼絞線組成。線路正常送電時(shí)，架空地線中會(huì)受到三相電流的電磁感應(yīng)而出現(xiàn)電流，因而增加線路功率損耗并且影響輸電性能。有些輸電線路還使用良導(dǎo)體地線，即用鋁合金或鋁包鋼導(dǎo)線制成的架空地線。這種地線導(dǎo)電性能較好，可以改善線路輸電性能，減輕對(duì)鄰近通信線的干擾。

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)現(xiàn)代化管理水平的提高，在電力系統(tǒng)內(nèi)部需要傳遞的信息形式和信息容量日益增多。綜合光纖通信的傳輸容量大、速度快、適于遠(yuǎn)距離傳輸、能抗電磁感應(yīng)和串音干擾等優(yōu)點(diǎn)，以及鋁包鋼線的高機(jī)械性能、高導(dǎo)電性和良好的抗腐蝕性，光纖復(fù)合架空地線通信系統(tǒng)，具有架空地線和通信光纜兩方面性能。

光纖復(fù)合架空地線是把光纖放置在架空高壓輸電線的地線中，用以構(gòu)成輸電線路上的光纖通信網(wǎng)，由于光纖具有抗電磁干擾、自重輕等特點(diǎn)，它可以安裝在輸電線路桿塔頂部而不必考慮最佳架掛位置和電磁腐蝕等問題。因而，OPGW具有較高的可靠性、優(yōu)越的機(jī)械性能、成本也較低等顯著特點(diǎn)。這種技術(shù)在新敷設(shè)或更換現(xiàn)有地線時(shí)尤其合適和經(jīng)濟(jì)。因此受到電力系統(tǒng)行業(yè)的重視，并逐步推廣使用。2