一种架空线路上防雷击型带光纤的双导体绝缘地线的制作方法

本发明涉及电力系统高压架空线路中的地线，尤其是一种架空线路上防雷击型带光纤的双导体绝缘地线。适用于高压架空交流输电线路。

背景技术：

现有技术中，光纤复合架空地线Optical fiber composite overhead ground wires(OPGW)是集光纤通信功能与输电线路避雷功能于一体的复合架空地线，属于电力系统专用的一种特种光缆线路。随着电力系统光纤通信网络的建设，光纤复合架空地线(OPGW)越来越大规模采用。目前使用的光纤复合架空地线结构如图1、图2所示，基本结构大致相同，光纤1套在光纤套管2内形成光纤单元(用于通信)，光纤单元夹设于呈梅花型的铝包钢线101中(铝包钢线提供机械强度)，最外层是铝合金线102(铝合金线易于导电)。

但是由于过去对雷击造成光纤复合架空地线(OPGW)断股影响的认识不足，造成目前运行中的光纤复合架空地线(OPGW)耐雷击性能低下，在运行中的OPGW遭雷击而发生断股现象频繁发生。按照国际电工技术委员会IEC-60794-4-1(1999)光缆第4部份高压电力线架空光缆(OPGW)、IEEE美国电子和电气工程师协会、IEEE Std-1138-1994《用于公用电力线路的光纤架空地线复合缆(OPGW)的试验和性能使用标准》的要求，现有光纤复合架空地线中的外层金属线规定采用铝包钢线和铝合金线，由于铝的熔点较底，在受到雷击时容易烧熔断，采用这种结构的抗雷击性能较差，在高雷暴地区更加容易造成外层铝熔化损坏，影响光纤复合架空地线的作用，对高压输电线路以及电力通讯构成了严重威胁。

事实上，自20世纪90年代以来，复合光纤地线的断线问题已经是一个国际性的技术难题：日本在1983～1992年十年间共发生10次，约为0.08次/年百千米；德国每年都有OPGW雷击断股事件发生，一般断1～2股，最多断7股；据报导，在我国500kV线路上，每年都有OPGW雷击断股事件发生，从2000年至2005年3月，在21条500kV线路上共发生47次雷击断股事件，一般断1～2股，最多断10股，有的线路甚至每年都有断股事件发生。

据申请人的检索，目前在该领域有所改进的方案有：

1、中天日立光缆有限公司申请的“一种外缠式融冰光纤复合架空地线”，专利号：201320492612.8，是针对冰灾多发地区设计的一种外缠式融冰光纤复合架空地线，在地线覆冰时，利用绝缘扁线进行通电流升温融冰，杜绝线缆覆冰后的线缆杆塔断倒导致的长时间停电事故。

2、江苏中天科技股份有限公司、中国电力科学研究院、国家电网公司、国网四川省电力公司申请的“一种内嵌式可融冰光纤复合架空地线”，专利号：201420251323.3，针对冰雪灾害多发地区设计的一种嵌入式可融冰光纤复合架空地线，地线中嵌有绝缘导体，可以在地线覆冰时，对导体进行通电融冰；通过内嵌的绝缘导体给各种智能化监测设备、通信中继设备远端供电。

3、广东电网公司电力调度控制中心、中国电力科学研究院、中国能源建设集团广东省电力设计研究院申请的“耐雷击光纤复合架空地线”，专利号：201220570388.5。耐雷击光纤复合架空地线主要用于电力系统光纤通信网络的建设，兼具避雷分流的功能和光纤通讯等功能，并且具有良好的抗雷击性能，能够适用高雷暴地区。

以上三个专利与传统的光纤复合架空地线相比在融冰方面有了改进，但由于仍然是沿用了以铝包钢+铝合金作为导电体的方式，在受到雷击后还是频繁断股，因此，至今国家层面的电力通信主管部门仍没有大规模推广应用这些方案。

申请人认为，上述现有的和改进的技术方案为什么仍然没有解决光纤复合架空地线的断股问题，其根本原因是用错了材料，即使用了铝包钢线和铝合金。

经研究，雷电流是一个非周期的瞬态电流，通常是很快上升到峰值，然后较为缓慢的下降。雷电流的波头非常地陡。由于在雷电流波的起始和峰值处常常叠加有振荡，很难确定其真实零点和到达峰值的时间，因此，通常用视在波头时间t₁和视在波长时间t₂来表示雷电流的上升时间和半峰值宽度，一般记为t₁/t₂,如图3所示。

通过对雷电流的频谱分析可知：1)雷电流的实质是一种高频脉冲，且随着频率的升高而递减。在波尾相同时，波前越陡高次谐波越丰富；在波前相同的情况下，波尾越长低频部分越丰富；2)雷电的能量主要集中在低频部分，约90％以上的雷电能量分布在频率为100kHz以下，这说明只要防止100kHz以下频率的雷电流窜入，就能把雷电流能量消减90％以上。

对于高频脉冲而言，如使用了非铁磁材料或者是弱铁磁性材料(铝包钢线等)，由于铝为非导磁材料，在雷电流高频能量传递中因为没有导磁性而出现磁链断裂，即会引起磁能量的传递失败进而迫使雷电能量向光、热转换后将会产生巨大的热能，进而将铝线熔化。而现有实施的国际电工委员会IEC和美国电子电气学会IEEE在光纤复合地线的标准规程设计中，对最外层的要求恰恰规定了要采用铝包钢或者铝合金材料，这样在雷电流来临时，致使磁链不能有效传递，反而使铝层熔化，造成断线事故。这是造成近几十年来故障情况不断的根本原因。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明要解决的技术问题是：根据雷电流的特性和铁磁材料具有消纳雷电场能量的原理，提供一种架空线路上防雷击型带光纤的双导体绝缘地线，其主要目的是解决光纤复合架空地线的断股问题，同时还将达到的目的包括节能降损、减少潜供电流、融冰除雪、野外取电。

本发明所采用的技术方案是：架空线路上防雷击型带光纤的双导体绝缘地线，其特征在于，所述地线由内而外依次为光纤单元、导电磁性体内层、复合绝缘层和导电磁性体外层，其中：

所述光纤单元为光纤套于光纤套管内；

所述导电磁性体内层由多根镀锌钢丝绞制而成，所述光纤单元夹设于多根镀锌钢丝的中间；

所述复合绝缘层由绝缘内层、主绝缘层和绝缘外层覆合而成，其中绝缘内层和绝缘外层为半导电层；

所述导电磁性体外层由多根镀锌钢丝绞制而成，包覆于绝缘外层的外面。

所述光纤套管采用带磁性的不锈钢制成，优选马氏体不锈钢。

所述镀锌钢丝采用软磁性钢丝镀锌；或者马氏体不锈钢丝镀锌。

所述导电磁性体内层和导电磁性体外层的导体截面积均不小于50mm²。

所述半导电层厚度为1～3mm，半导电层的原料按以下重量％配制：

石墨 10～20

铁粉 5～10

交联聚乙烯 余量。

所述主绝缘层厚度为3～25mm，主绝缘层的原料按以下重量％配制：

镁锌铁氧体粉末 20～30

交联聚乙烯 余量。

本发明的有益效果是：

1)、采用双层带有磁性的镀锌不锈钢丝作为导体后，可迅速将雷电能量引排入大地，从根本上解决了光纤复合架空地线的断股问题，保护了光纤的正常通信。

2)、复合绝缘层的设置使得内外两层导体与绝缘层之间形成了电容效应，相当于给具有高频特性的雷电波提供了一个能量传递通道，有助于地线快速排雷，保护地线不被打断。

3)、外层导体因绝缘层的存在而悬空，这样就切断了地线与大地之间的电流通路，消除了架空地线上的电能损耗，达到节能降损目的。

4)、减少潜供电流，提高供电的可靠性。

5)、解决了输电线路监测装置在运行中野外取电困难的问题，同时可供照明用电。

附图说明

图1、图2分别是本发明背景技术光纤复合架空地线的两种结构图。

图3是雷电流的波形示意图。

图4是本发明光纤复合架空地线的截面图。

图5是本发明光纤复合架空地线的立体分解图。

具体实施方式

如图4、图5所示，本实施例架空线路上防雷击型带光纤的双导体绝缘地线的截面呈圆形，由内而外层层包裹，依次为光纤单元、导电磁性体内层3、复合绝缘层4和导电磁性体外层5。

所述光纤单元为光纤1(一根或多根)套于光纤套管2内，光纤套管2采用带磁性的不锈钢制成，如马氏体不锈钢。

所述导电磁性体内层3由多根镀锌钢丝绞制而成(由绞线机绞制)，所述光纤单元夹设于多根镀锌钢丝中间。镀锌钢丝采用软磁性钢丝(或马氏体不锈钢丝)镀锌。导电磁性体内层3的导体截面积不应小于50mm²。

所述复合绝缘层4由绝缘内层4－1、主绝缘层4－2和绝缘外层4－3覆合而成。

绝缘内层4－1和绝缘外层4－3为半导电层，该两层半导电层的厚度均为1～3mm，半导电层由主料交联聚乙烯(重量％)中添加10～20％(重量)石墨和5～10％(重量)铁粉配制而成，在半导电层中加入石墨和铁粉是为了获得导电性。该两层半导电层的作用是使绝缘层与跟它接触的导电层处于等电位，从而避免了因导线表面不光滑而产生的局部放电现象，确保电缆长期安全运行。

主绝缘层4－2厚度为3～25mm，主绝缘层由主料交联聚乙烯(重量％)中添加20～30％(重量)镁锌铁氧体粉末配制而成，加入镁锌铁氧体粉末是为了提高绝缘层的导磁性能。

本例导电磁性体外层5同样由多根镀锌钢丝绞制而成(由管式绞线机绞制)，层数二层，包覆于绝缘外层4－3的外面。镀锌钢丝采用软磁性钢丝镀锌，或者马氏体不锈钢丝镀锌。导电磁性体外层5的导体截面积不应小于50mm²。

经过本发明改进后的地线具有以下前所未有的优势：

1)、铁磁材料消纳雷电能量计算

本地线中铁磁材料的使用是基于美国电气学家史丹梅智(Charles Proteus Steinmetz 1865-1923)于一百多年前提出的铁磁材料磁化功率(损耗)模型公式：

式中，K—考虑铁加工、磁通密度分布不均匀等因素使铁磁损耗增加的修正系数；P_1/50—频率为50Hz，磁通密度为1T(特斯拉)时铁磁材料的最大磁化容量(损耗)(W/kg)，请见表1；B—铁磁通密度(T)；f—磁通交变频率(Hz)；G_Fe—铁磁性物质的质量(kg)。

表1低碳钢冷轧叠片钢的最大磁化容量(损耗)值

表1的参数来自于《铁磁材料磁有序物质特性手册》，EP.Wohlfarth主编。

取K＝0.8，铁磁材料厚度为δ＝2.1mm时，对应的单位损耗P_1/50＝36W/kg，假设雷电脉冲的平均频率f＝1000Hz、B＝1T(特斯拉)，

再参见表2，雷电流的统计能量值(南京信息工程大学肖稳安教授教材)：

表2首次正极性雷击的雷电流参量

假设雷电能量A＝10MJ(兆焦耳),拟以磁场能量P_Fe来承纳雷电场能量关系，则必须满足P_Fe≥A条件，A≤P_Fe＝10×10⁶＝1411.2G_Fe，得出铁磁重量G_Fe≥7086kg。本能量转换理论是建立在由电磁场系统的能量传输速度是与光速等同的即为3×10⁸m/s，因此它可以通过铁磁材料迅速地将雷电脉冲的电场能量以磁的方式吸收与接纳损耗掉。

从能量吸收对等的模型设计出发，要求铁磁材料所拥有的磁化容量P_Fe即磁能积功率≥雷电荷产生的电场能的功率的容量值A，如果达到这个要求就能将雷电的电场能吸收转换到铁磁材料之中，为此，根据公式：在架空线路中对铁磁的重量G是按雷电流在相应架空线上统计雷击的强度等级有一个最小的重量要求，如果以雷电强度为10MJ，则该雷击区域铁磁材料的最小重量G＝7086kg。若以钢绞线型号LG-70mm²为例，单位长度重量570kg/km，地线连续长度最低为7086kg/570＝12.4km，即12.4km的镀锌钢丝线即可以消纳该次雷电的能量。在实际工程中往往取P_Fe≥1.62A，(经验可靠系数为1.62)。

2)、电容效应快速排泄雷电流

本发明地线在两层导电磁性体之间增加了一个复合绝缘层4，这样在物理结构上就形成了一个电容层，根据平板电容器的理论计算，电容量ε为空气的介电常数，ε_r为介质的介电常数，S为面积，d为导体之间的距离，在本方案中为绝缘层的厚度δ，即电容器的导体间距d＝δ,这样通常以绝缘层为30～100kV耐压设计，绝缘层一般为6～20mm厚度，若按此结构下导线的电容量，通常每公里为0.2μF(微法)左右的电容量，若导线的连续长度为10～20公里时，电容量可达到4～5μF的电容。在输电线路很长的情况下，则电容值相应增大，由于雷电流是一种高频率的脉冲波，其很容易通过电容性的电气元件，如此结构的地线相当于对具有高频特性的雷电波提供了一个能量传递的通道。

假如电容量C为每公里长度可达0.2μF，如果地线长度为50km时，电容量可达10μF，而由此电容量形成的容抗当雷电流频率f为10kH_Z时，该地线呈现的容抗性阻抗为这个阻值相当于是一个良好的电气通路，即可以从这个电容器构成的通道快速将雷电流排泄至大地中去。然而该地线电缆对50H_Z工频电压则呈现容抗阻抗比雷击时增加了约300倍，接近于高阻抗，相当于开路状态。

在实际安装工程中若将避雷器与导电磁性体外层5连接，就可以有效地利用接地电缆来达到防雷的效果，同时又可以使导电磁性体外层5在平时运行达到悬空的目的。

3)、降损节能

在现有技术中，带光纤地线采用的是逐塔接地，因此具有很大的感应电流，其结果就增加了线路的电能损失，这个附加的电能损失是同负荷电流的平方和线路长度成比例的，对于500kV长200～300km的送电线路，每年约损失电能量约数百万度，造成了相当大的经济损失。本发明通过双层导电磁性体加上中间的复合绝缘层，利用导电磁性体外层5作为感应层，由于复合绝缘层4的存在使得导电磁性体外层5对地悬空，这样就切断了地线与大地之间的电流通路，消除了架空地线上的电能损耗。正常情况下，地线的电磁性体外层5与大地杆塔绝缘，避免了感应电流的产生。当雷电过电压发生或线路故障时，地线除了通过已装设的地线绝缘子的放电间隙放电外，同时还可通过本发明所设计的电容高频通道与大地接通，自动排泄雷电流，保证雷电流和故隙工频电流的有效泄放。

4)、融冰除雪

由于输电线路的地线架设在线路铁塔的塔顶上，更容易形成覆冰情况，一旦覆冰厚度超过设计极限值，将会引起线路杆塔倾倒、地线断裂，导线、地线之间形成短路接地，整条线路中断供电，这将对电网的安全运行造成极大危害。目前对架空地线的融冰方法是将融冰区地线对地全部绝缘，地线上加直流电源的方法，但是该方法工作量大，实施困难，除冰效果不明显，对于带有光纤的地线而言，加载的直流电流还会因为温度升高过大而损坏光纤。

本发明由于设置了复合绝缘层4，使导电磁性体外层5得以绝缘悬空，当对其通以直流电流时导线因通电而升温，达到融冰除雪的目的；与此同时，由于绝缘层的存在，带有光纤的导电内层却不会升温过高，保护了光纤的安全。

5)、减少潜供电流

本发明的复合绝缘层4使导电磁性体外层5对地悬空绝缘后，可以减少潜供电流，加速潜供电弧的熄灭，提高单相重合闸的成功率，提高电网可靠性。

6)、满足野外取电需求

在架空线路运行状态在线监测系统中，通常采用太阳能加蓄电池的供电方式，但经过几年的试运行表明，在光照不足、连续阴雨天气的情况下，靠蓄电池供电无法满足设备供电可靠性要求，且蓄电池寿命有限，一年左右就需要更换，使得在线监测系统的运行维护无法得到保障。本发明将外层导体5悬空绝缘后与相邻的高压带电相导线会产生感应电压，对于500kV线路，感应电压达3～5kV(经分段)，通过在外层5上面安装变压器即可获取感应电能用于照明和监测仪器。