高效设计光缆地线系统 OPGW

国内110kV及以上高压电力架空线路，一般都会有地线。根据杆塔结构以及建设要求，有单地线和双地线；对新建线路，大多数情况下至少会有一根OPGW作为地线；对单地线线路，可以直接以OPGW作为地线。今后很多的线路将会是以两根OPGW作为地线。

对新建线路，进行OPGW设计时，需要考虑气象条件、导地线的选型、导地线之间的配合（绝缘配合）、对侧分流地线、铁塔和基础荷载等；对老线路，以上的因素已经确定，就只需要考虑OPGW光缆的选型，包括热稳定计算、对侧分流地线热稳定性能以及荷载核算等。

基于双地线结构，其中的OPGW设计必须尽可能地与对侧的地线匹配，特别是其重量和外径，这是应力设计时需要考虑的因素。为保证OPGW具有一定的防雷效果，承载短路时的过载电流及其产生的温升，导体的钢铝比应合适。

OPGW光纤余长设计，与其他架空光缆相似，特别是与ADSS光缆相近，应基于OPGW的受力状态和光单元中光纤初始余长的设计，在此不重复介绍。下面主要就OPGW作为地线的功能进行设计计算。

由于OPGW结构众多，但设计原理大同小异，本书只以国内普遍应用的光纤SST结构为例进行设计分析。

5.3.3.1　地线及OPGW常用材料特性

根据国家及行业相关标准，地线或OPGW所用金属材料的特性见表5.3.1至表5.3.4。

1）镀锌钢线

根据《镀锌钢绞线》国家标准，架空绞线结构用和（或）加强用镀锌钢线包括各种结构的所有单线，单线直径（包括镀层）的范围从1.25mm到5.50mm。钢线有3个强度等级：普通强度、高强度和特高强度。镀锌层分2个级别：A级和B级。镀锌层用每单位面积最小锌层的质量来表示。

A级和B级镀锌钢线在20℃时的密度为7.78g／cm3，线膨胀系数为1.15×10－5（1／℃）。

表5.3.1　镀锌层质量要求

表5.3.2　普通强度镀锌钢线的机械性能要求

表5.3.3　高强度镀锌钢线的机械性能要求

表5.3.4　特高强度镀锌钢线的机械性能要求

2）铝合金丝（Aluminium　Alloy，AA）

国家标准《架空绞线用铝－镁－硅系合金圆线》对铝合金圆线的一些基本要求见表5.3.5。

表5.3.5　铝合金圆线基本计算参数

注：IACS为国际退火铜标准

铝合金圆线应由热处理的铝－镁－硅合金材料制成，其机械抗拉强度和伸长率见表5.3.6。

表5.3.6　铝合金圆线的抗拉强度和伸长率

3）硬铝丝

国家标准《架空绞线用硬铝线》对硬铝线的基本要求为：

（1）20℃时的电阻率最大值：28.264（10－9Ω·m，相当于61.0%IACS）；

（2）20℃时的密度：2.703（g／cm3）；

（3）线膨胀系数：2.3×10－5（1／℃）；

（4）20℃时的电阻温度系数：4.03×10－3（1／℃）；

（5）铝的含量应不小于99.5%。

硬铝线的抗拉强度应符合表5.3.7要求。

表5.3.7　硬铝线的抗拉强度

4）铝包钢单线（Aluminium cladding Steel，AS）

根据《电工用铝包钢线》规定，铝包钢单线根据其导电率分为如下等级：LB14，LB20，LB23，LB27，LB30，LB35和LB40，其对应的导电率分别为14%，20.3%，23%，27%，30%，35%和40%IACS。其最小铝层厚度见表5.3.8。

表5.3.8　铝包钢线最小铝层厚度

为便于计算铝包钢线的标称质量，通常需要铝包钢单线的标称密度，见表5.3.9。

表5.3.9　铝包钢线标称密度

不同等级铝包钢线抗拉强度和电阻率要求见表5.3.10。

表5.3.10　铝包钢线抗拉强度和电阻率要求（绞合前）

续表

5）架空地线

OPGW的设计需要考虑与地线配合，或替代地线，所以其必须满足作为地线的一些最基本性能。地线一般由圆硬铝线和铝合金线、圆镀锌钢线及圆铝包钢线中的一种或两种单线绞制而成。根据国标《圆线同心绞架空导线》，选取了表5.3.11中所列部分常用钢芯铝绞线地线的性能和要求。

表5.3.11　JL／G1A　钢芯铝绞线性能

续表

表5.3.11只是选取钢芯铝绞线作为地线的一种，日常使用时，会有铝包钢芯铝绞线、铝包钢芯铝合金绞线和钢芯铝合金绞线等地线。具体结构的选用，设计部门会根据线路的实际情况、项目投资情况等进行合理设计。

5.3.3.2　OPGW的设计原则

根据线路具体需求，首先确定OPGW的型号，为此必须综合考虑以下各方面的因素：

（1）在导地线的线间距离满足防雷要求下，安全系数应大于导线的安全系数，日平均运行应力不超过破坏应力（RTS）的25%；

（2）OPGW过载能力满足工程要求；

（3）线路发生单相接地短路时，OPGW能承受通过的返回电流，其温升不超过允许值，满足热稳定要求；

（4）OPGW在减少潜供电流、工频过电压上满足系统要求；

（5）线路短路切除时间依据设备性能，线路短路电流容量设计要有一定的提前量，计算年限一般考虑5～10年的系统发展与规划，且需根据土壤电阻率进行设计；

（6）满足通信保护设计的要求。

高压送电线路发生雷击故障时，架空地线上的雷电流由于幅值虽然很大，但持续时间短，不超过100μs，产生的热量不大。而输电线路发生单相接地故障时，地线上会通过很大的短路电流，切除故障时间相对较长，将使地线产生急剧的温升。地线和OPGW过热会危及线路运行安全，因此OPGW在设计过程中，除满足光通信和力学特性外，最重要的就是对OPGW进行热稳定计算，即要根据系统切除故障的时间和短路电流的大小来计算因短路电流而引起的温升，以保证温升不超过允许的最大值。

输电线路发生单相接地短路时，短路电流将沿地线和大地返回到电源中性点，大部分OPGW会通过杆塔接地，所以OPGW返回的电流中有一部分通过杆塔的接地电阻而直接入地，OPGW中返回的短路电流将随着距故障点的距离增大而衰减。OPGW上的短路电流分布，与杆塔接地电阻及土壤电阻率有直接的关系：土壤电阻率越小，杆塔接地电阻就越小，OPGW上的反馈电流就越小。反之，OPGW上的反馈电流就越大。另外，当线路发生接地故障时，在OPGW上除了有返回的短路电流外，还有因故障电流感应而产生的感应电流，它与导地线间的互感成正比，与地线、大地的自感成反比，与导线上流过的零序电流成正比。

电流通过导体时会产生热量，热量与电流的平方成正比，与时间成正比。热量的积蓄会导致导体温度升高。导体的温升可以分为两类：一种是长期的发热，在这种情况下，通过传导、辐射和空气的对流等方式，不断地将热量向外扩散，并达到平衡状态；另一类是短时的发热，在这种情况下，热量向外扩散可以不予考虑，热量将完全储存在导体内，并表现为导体的温度升高。

根据设计规程规定，普通地线校验热稳定时，允许温度分别为：钢芯铝绞线、钢芯铝合金绞线为200℃；钢芯铝包钢绞线为300℃；镀锌钢绞线为400℃。考虑OPGW需传导较大的短路电流，结构设计时铝在其中的含量远比地线高，一般会含有铝合金丝或铝包钢丝，且不会存在镀锌钢丝，所以OPGW的允许温度规定不超过200℃。

5.3.3.3　机械性能设计

架设在杆塔之间的OPGW或地线，符合“悬链线”方程。虽然OPGW应力和强度要求一般由设计部门提供，但本章架空光缆应力计算同样适用于OPGW的应力计算。与ADSS光缆所不同的是OPGW需要考虑温度的变化对线长的影响。本章省略了OPGW受冰、风以及温度变化等气候条件影响下的应力计算过程，而在假定应力已知前提下，对钢、铝等线材的选型、设计。

在设计过程中，需要根据设计院依据各线路的设计原则提出的OPGW指标要求，并不断调整材料的合理尺寸，如铝包钢单丝和铝合金单丝的直径，各自的占比；铝包钢导电率规格；SST管径及根数等。除机械性能外，还须核算电气性能以及考虑OPGW的防雷效果。需逐项进行设计分析，并验证设计的符合性。

在设计时，尽量减少混杂的单丝材料种类，如能用一种材料就可以满足设计要求的，不用两种。即使全部采用铝包钢丝，也尽量避免不同导电率的单丝混杂在一根光缆中，即使需要，也不应超过两种。

下面给出OPGW机械性能设计时需要用到的一些计算公式。

（1）极限抗拉强度

式中：δAA——铝包钢线（AS线）的断裂强度（MPa）；

AAS——铝包钢线（AS线）的截面积（mm2）；

δAA——铝合金线（AA线）的断裂强度（MPa）；

AAA——铝合金线（AA线）的截面积（mm2）。

（2）标称抗拉强度

（3）最大工作应力

（4）日平均运行张力

（5）杨氏（弹性）模量

式中：En——各线材的杨氏模量（N／mm2）；

An——各线材的截面积（mm2）。

（6）线膨胀系数（10－6／℃）

式中，βn为各线材的线膨胀系数（10－6／℃）。

5.3.3.4　电气性能设计

1）短路电流容量的计算

根据系统的短路电流，确定在OPGW光缆上的返回电流，进而计算出光缆的截面。光缆的允许短路电流值计算以及短路电流热效应计算，参照国标GB／T7424.4—2003《光缆第4部分：分规范光纤复合架空地线》以及电力行业标准DL／T　832—2016《光纤复合架空地线》。

对OPGW，其承载的额定短路电流按下式计算：

式中：Ithr——1s额定承载电流（A）；

SthrSt——钢的1s额定承载电流密度（A／m2）；

SthrAl——铝的1s额定承载电流密度（A／m2）；

SthrAA——铝合金的1s额定承载电流密度（A／m2）；

ASt——铝包钢线中钢的横截面积（m2）；

AAl——铝包钢线中铝的横截面积（m2）；

AAA——铝合金线的横截面积（m2）。

而额定承载电流密度由式（5.3.8）给出：

Tk为短路电流持续时间。K为与材料有关的短路特性系数，以20℃作为参考值。每一种材料对应不同的K值：

式中：K20——20℃时的导电率（1／Ω·m）；

C——比热容（J／kg·℃）；

ρ——材料密度（kg／m3）；

α20——温度系数（1／℃）；

θb——短路开始时导体的温度（℃）；

θe——短路结束时导体的温度（℃）。

针对OPGW或地线，K20，C，ρ，α20值可参照表5.3.12。

表5.3.12　OPGW及地线相关材料的特性

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如果不是以20℃作为设计基础温度，K值也应随之调整、变化。根据国内电力设计规程，短路期间绞线承载导体最大允许温度为：以铝和铝合金为主要材料的绞线，最大温度200℃，以钢或低导电率为主要材料的绞线，最大允许温度为300℃。OPGW一般含有铝包钢和铝合金，最大允许温度200℃是相对安全和保守的。

因此，短路电流容量（I2t）可按式（5.3.10）计算：

2）直流电阻的计算

式中：R——OPGW线性直流电阻（Ω／km）；

Rn——每一种材料的线性直流电阻（Ω／km）；

n——第n种材料；

式中：ρm——材料的电阻率（Ω·mm2／km）；

Ai——第i层绞合材料的横截面积（mm2）；

Fi——第i层的绞合系数；

i——绞合层数。

3）OPGW热稳定性设计分析

在高压架空送电线路发生单相短路时，OPGW的短路载流量必须满足自身温升和发热不影响光信号的传输，也不至于发生熔断现象。OPGW一般由铝包钢线和铝合金线绞合而成，其阻抗远小于对侧钢芯铝绞线材质的地线和杆塔的接地电阻。因此，当送电线路发生单相接地故障时，线路短路电流的大部分将通过OPGW返回变电所。特别是在靠近变电所的几档内，短路电流可高达10～30kA，如此大的短路电流会引起OPGW发热，影响光纤的使用，严重时其至将OPGW烧断。所以在OPGW的设计时，对其进行热稳定性分析和计算是十分必要的。

OPGW各圆单线以及各层单线之间多为线接触，导体之间的热传导能力较差，而短路电流持续时间很短，电流在各层导体上所产生的热量难于交换，也来不及向外面的空气扩散，所以可以近似为一个绝热过程，即电流在某层导体上产生的热量应该等于该层导体温升过程中所吸收的热量。考虑到温度的升高会导致电阻的变化，该层导体温升与短路电流的关系可以使用微分方程表示如下：

式中：Ii——流经第i层导体的电流（A）；

Ri——起始温度时的电阻（Ω／km）；

αi——第i层导体的电阻系数（1／℃）；

θi——温度变化（℃）；

t——短路电流持续时间（s）；

Ci——第i层导体的热容量（J／kg·℃）。

流经各层导体的电流之和等于流经OPGW的短路电流值，故有I＝I1＋I2＋I3＋…

由于各层导体的温升不等，因此各层导体的电阻变化值亦不等，尽管短路电流的总值不变，但流经OPGW各层金属导体的电流值将随着时间变化重新分配，电流分配的变化对温升的影响需要通过计算机进行计算。将短路电流时间t分成若干微小的时间段Δt，计算出某时间段的温升，再利用温升计算出该时间段后的电阻与电流值，代入式（5.3.13），可以计算下一个时间段的温升，编制计算机程序可依次计算出各层金属导体的最终温升。

由于铝包钢线中的铝包覆在钢芯外面，接触很好，能充分进行热传递，所以铝包钢中铝与钢的温度是一致的，热容量等于铝、钢热容量之和，铝包钢线的电阻等于铝与钢的并联电阻值。

目前，计算地线和OPGW的热稳定电流有同温法、异温法和综合法。同温法是考虑内部瞬时传热时，各种金属同时达到同一温度，这样致使计算出来的热稳定电流值偏大，导致设计出来的地线和OPGW的截面偏小，这种方法是不符合实际的，也是不安全的，但简单易行，所以还是被广泛采用。异温法是考虑在地线和OPGW中，传热比发热慢得多，所以在短路持续时间内，地线和OPGW中各种不同金属达到的最高温度是不一样的。发热的各个金属的温度变化不同，电阻比例也在变化，使金属之间的电流分配比例不断变化。异温法不考虑传热，各金属发的热自己吸收。这种方法较同温法准确，但计算较复杂，借助计算机可以很好地分析这个过程。综合法是以异温法为基础，补充考虑传热和集肤效应的影响，显然该方法计算结果精确，但计算较复杂，须借助计算机完成。

但有时为了计算方便，人们还是喜欢用传统的同温法计算短路电流温度的变化。即假设OPGW内部瞬时传热，各组成金属元件同时达到同一温度，根据此假定条件，对式（5.3.13）积分可得：

式中：θ——温度变化（℃）；

α0——OPGW综合电阻系数（1／℃）；

I——流经OPGW的短路电流（A）；

R0——起始温度时OPGW综合电阻（Ω／km）；

t——短路电流持续时间（s）；

C0——OPGW综合热容量（J／（kg·℃）。

OPGW达到的最高温度T＝T0＋θ（℃），T0为初始温度（℃）。

式（5.3.14）中，短路电流持续时间t包括继电保护动作时间及其开关动作时间，一般为0.1～0.15s，但线路都有重合闸保护。因重合闸过程很短，避雷线来不及散热，如果考虑第二次跳闸，则两个持续时间应叠加在热稳定性分析中，除了短路电流的周期分量，还应该加上非周期分量的热效应。考虑一级后备保护时间，一般采用0.5s较为合适。

当缺少有关技术资料时，20℃的综合电阻率ρ一般按下列条件计算：

铝：ρAl＝28.26（Ω·mm2／km）

铝合金：ρAA＝32.8（Ω·mm2／km）

铝包钢：

式中，δ为铝截面积与铝包钢总截面积比。OPGW综合电阻为各组成金属的并联电阻。

式（5.3.13）中，Ci为第i层导体的热容量。在OPGW中，可能存在一种、两种或三种以上的材料，但目前市场所用主要材料铝或铝合金热容量CA＝2400J／（kg·℃），铝包钢的热容量CAS＝δ×2400＋（1－δ）×3590J／（kg·℃）。OPGW综合热容量为各种组成材料热容量之和，电阻系数一般采用0.0041／℃。

传统同温法计算温升的假设条件与实际情况存在一定的差距，如果仅仅以此为依据进行测算OPGW的热稳定性，可能存在较大的风险。在现代计算机技术迅猛发展之后，可以使用计算机技术编程计算OPGW在短路情况下的温升，建议多采取综合法计算OPGW温升。具体的计算方法在此就不详细描述和介绍。

根据经验，当输电线路发生短路故障时，地线各档将形成链型网络，短路电流从故障点沿地线向两侧分散，短路电流一部分通过地线返回电站，一部分通过杆塔流向大地再返回电站。当输电线路发生短路故障时，流经OPGW的短路电流随着故障点远离发电厂及变电所而逐渐减小，靠近发电厂、变电所的几档电流最大，该数值是OPGW短路热稳定选型设计的重要依据。因此，在设计中应根据工程的实际情况，对发电厂及变电所出口0～5km内应详细计算。不难理解，减小OPGW电流的措施可以从两个方面考虑：一是加大入地电流的分量；二是加大与OPGW配合的另一根地线的分流作用。

因此，提高OPGW热稳定的常用主要措施如下。

（1）加大对侧地线的截面积

如果计算短路电流超出不多，地线可适当加大外径；如果超出较多，则应考虑采用良导体作为地线（如钢芯铝绞线等）。一般也并不需要全线改为良导体，可只需改变变电所或发电厂附近的一段即可，由计算确定。实际经验表明，OPGW对侧的另一根地线如采用良导体，可以有效降低OPGW中通过的短路电流。

（2）降低接地电阻

降低接地电阻，使之与线路阻抗相匹配，可以有效增加入地电流，减少通过OPGW或地线的电流。

（3）多回路地线或OPGW并联法

多回路地线并联法将几个终端塔的接地装置连接起来，使短路电流沿多回路的地线流进变电所，这样单回的电流就大幅度下降了。如果第2档OPGW的热稳定还不可靠，则可将第2基塔的接地装置连接起来，以此类推。但应注意连接多个塔时需考虑继电零序保护。

5.3.3.5　OPGW光学性能的设计

OPGW应符合自承式架空光缆的所有要求（表5.3.13），也就是OPGW在生产、储存、施工和运行等各阶段，其各种机械性能除了需要满足其作为地线的性能外，当光缆受力拉伸或弯曲时，光纤的传输性能和光纤寿命均不得受影响。影响OPGW光学性能的重要工艺指标是光纤余长，它关系到光缆的应力应变特性和温度特性。

表5.3.13　应力应变特性反映OPGW的拉伸性能

根据表5.3.13要求，当OPGW受力拉伸时，OPGW逐步产生应变，光纤余长被消耗，随着施加在OPGW上张力的增加，即使加载到40%标称抗拉强度，光纤应变和衰减都不应有变化。当达到60%RTS力值时，光缆中光纤应变要求≤0.25%，光纤附加衰减≤0.05dB。过载张力解除后，光缆的应力应变和光纤的衰减应该回归到过载前的状态。

当OPGW受力40%RTS时，光纤如果产生应变，衰减增大，说明SST套管中的光纤余长过小，或者绞合节距过大。跟所有光缆一样，判断余长是否过大，采用温度循环试验可加以验证。当然，作为自承式架空光缆的一种，合适的大余长有利于光纤和光缆的寿命。通过拉力试验和实际线路中光缆的静态受力进行对比分析可以判断余长是否合适。

除了应力应变性能外，还有其他的一些性能要求以满足OPGW的适用性，具体见表5.3.14。

表5.3.14　OPGW机械、环境性能及说明

5.3.3.6　防雷性能设计

（1）雷电的形成

雷电是由雷云放电引起的，关于雷云的聚集和带电至今还没有令人满意的解释。目前比较普遍的看法是：在雷雨季节里，太阳使地面水分部分变为蒸汽，同时地面空气受到地表热的作用变热而上升，成为热气流。由于太阳几乎不能直接使空气变热，所以空气每上升1km，温度约下降10℃。上述的热气流遇到高空的冷空气，水蒸气凝成小水滴，形成热雷云。此外，水平移动的冷气团或暖气团，在其前锋交界面上也会因冷气团将湿热的暖气团抬高而形成面积极大的锋面雷云。在足够冷的高空，例如在4km以上时，水滴也会转化为冰晶。

雷云的带电过程可能是综合性的。强气流使云中水滴吹裂时，较大的水滴带正电，而较小的水滴带负电，小水滴同时被气流携走，于是云的各部带有不同的电荷。此外，水在结冰时，冰粒上会带正电，而被风吹走的剩余的水将带负电，而且带电过程也可能和它们吸收离子、相互撞击或融合的过程有关。

实测表明，在5～10km的高度主要是正电荷的云层，在1～5km的高度主要是负电荷的云层，但在云的底部也往往有一块不大区域的正电荷聚集（图5.3.6）。雷云中的电荷分布也远不是均匀的，往往形成好多个电荷密集中心。每个电荷中心的电荷约为0.1～10库仑，而大块雷云同极性的总电荷则可达数百库仑。雷云中的平均场强约为150kV／m，而在雷击时可达340kV／m。雷云下面地表的电场一般为10～40kV／m，最大可达150kV／m，当云中电荷密集处的场强达到2500～3000kV／m时，就会发生先导放电。雷云放电包括雷云对大地，雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷云放电都是在雷云与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的。雷云对地的电位可高达数千万伏到上亿伏。

图5.3.6　雷云电荷的分布

据统计，无论就放电的次数，还是就放电的电荷量来说，90%左右的雷是负极性的。

雷云对大地放电通常分为先导放电、主放电和辉光放电三个阶段。云—地之间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展，以逐级推进方式向下发展。

每级长度为10～200m，每级的伸展速度约107m／s，各级之间有10～100μs的停歇，所以平均发展速度只有（1～8）×105m／s，这种放电称为先导放电，如图5.3.7所示。当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体（如塔尖或山顶）因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，会发出向上的迎面先导。当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段。主放电的过程极短，只有50～100μs，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称“回击”，其速度高达2×107～1.5×108m／s。以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，可称为下行负雷闪；对应于正电荷雷云对地放电的下行正雷闪所占的比例很小，其发展过程亦基本相似。主放电完成后，云中剩余的电荷沿着原来的主放电通道继续流入大地，看到的是一片模糊的发光，这就是辉光放电。

图5.3.7　雷电放电的发展过程和雷电流的波形

大多数云对地雷击是重复的，即在第一次雷击形成的放电通道中，会有多次放电尾随，放电之间的间隔为0.5～500ms。通常第一次冲击放电的电流最大，以后的电流幅值都比较小。图5.3.7为下行负雷电过程以及与之相对应的电流波形曲线。若地面上存在特别高的导电性能良好的接地物体时，也可能首先从该物体顶端出发，发展向上的先导，称上行雷。

雷电放电涉及气象、地貌等自然条件，随机性很大。在防雷设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等参数。输电线路的存在，改变了雷云—地之间的电场分布，有引雷作用。

（2）雷电对OPGW的损害机理

OPGW和地线等避雷线一般处于地势最高点，又属于导电性能良好的接地体，很容易遭受雷击。避雷线遭雷击断股，取决于雷击点的能量，特别是第一次冲击。每一次放电位置并不一定相同，所以后续的放电能量不会叠加在同一点上。

雷电放电包括脉冲冲击电流和连续电流两种。

脉冲冲击电流的峰值大（为几十到几百千安），但持续时间短（约为几百微秒），尽管在落雷点会产生很高的温度，甚至会超过金属的熔化点温度，但受金属的热传导性能所限，在很短时间的脉冲电流作用下，内热量还来不及深入到金属材料内部。因此，脉冲冲击电流引起的熔化金属的熔斑的面积大（通常宽度为几厘米），然而熔斑的深度较浅（大约为零点几毫米），表现为金属导线表面熔化。而连续电流虽然幅值低（大约为几百安），但是持续时间长（约为几毫秒至零点几秒），热量会深入到金属材料的内部，可引起深层熔化。因此，与脉冲冲击电流引起的金属的熔斑不同，连续电流的熔斑面积小（通常宽度为1cm），但是，熔斑的深度很深。这个持续的电流对避雷线才是致命的，如果材料的体积热容不够或熔点低，就完全有可能熔蚀外层股线甚至熔断。

从某种意义上来看，避雷线承受雷击的能力主要由外层单线的瞬间耐髙温能力决定，而并不完全取决于整根缆的热容量。若外层单线较细又熔点较低，且雷击接触面积较小的话，即使避雷线有足够大的热容量，由雷击放电后持续电流产生的瞬间高温仍可能会熔蚀外层单线甚至熔断。可以说，雷击形成的持续放电产生的瞬间高温是避雷线断股的外因，而地线外层股线的熔点较低是其断股的内因。避雷线遭雷击断股并不完全取决于当地的雷暴日天数，雷击点的能量是决定性因素之一。

相较于地线的镀锌钢丝材料，OPGW一般包含铝合金、铝包钢等良导体，这也就是人们常常说OPGW遭受雷击断线的概率比对侧地线高的原因。如果地线也采用与OPGW相同的铝包钢或铝合金丝良导体，两边遭受雷击的概率就应该相近。

OPGW受雷击断股大体上表现为股线和／或光单元被直接熔断以及股线受损被拉和／或被振断两种基本状况，图5.3.8为OPGW外层铝包钢单丝被雷击熔断的现象，该结构为中心铝管式OPGW，热电流同样熔蚀了内层的铝管。这是明显的连续电流造成的雷电放电现象。

图5.3.8　OPGW受雷击断股的照片

（3）提高OPGW的防雷能力

雷电活动的地区和时间有一定的规律，具体的雷击发生时间和地点就带有一定的偶然性，一般难以预测，但雷暴日次数和杆塔高度（或者说电压等级）对OPGW遭受雷击有借鉴作用。一般电压等级越高，实际的杆塔也越高，加之雷暴日次数多，线路遭受雷击的概率将增大很多。

OPGW遭受雷击发生断股的主要原因跟外层单丝承受瞬时高温有关，就应该在这方面加以改进。虽然不能彻底消除被雷击断股或断缆的事故，但至少可以大为减少此类事故的发生。

要提高OPGW的耐雷击性能，在满足设计参数的前提下，增大外层股线的直径是有利的。除此之外，如杆塔承力允许，内层和外层股线尽可能采用铝包钢线，而且尽量采用低导电率（如20.3%、27%）的铝包钢单丝；外层股线和内层股线间留有空气隙的设计，以防外层热量传导至内层和光纤上，但该设计会使结构松散且复杂，不好操作；还有采用特种材料等。相信随着OPGW应用范围的扩大，各种工况下的防雷手段和经验也将越来越多地被总结出来。

然而，目前电力设计部门对OPGW设计参数面面俱到的追求也会限制光缆结构的进一步完善。光缆制造厂家基本无法做更大的改变，想要提高防雷能力，必须从设计的源头加以重视。

5.3.3.7　OPGW结构设计案例

OPGW一些参数的设计是相互关联，又相互影响的。参数的选择应该有其合理的边界条件。当光纤芯数确定后（也就是套管直径或套管数确定后），在直径、单位质量、抗拉强度以及热容量（I2t）等参数确定的前提下，OPGW的结构可变动范围很小。特别是热容量（I2t），对其他参数的影响最大，基本决定了OPGW结构中的钢铝比和铝（或铝合金）截面积的大小了。

热容量（I2t）主要取决于OPGW光缆所处系统的运行状况、故障条件和环境背景。所谓的系统运行状况，主要指故障时系统的出力和负荷情况（即大小运行方式），也就是说在不同的运行方式下，系统发生故障时，流经光缆的短路电流水平不一样。故障条件，是指故障发生在何处，什么类型的故障以及系统自动保护装置切除故障所需的时间。而环境背景主要指发生故障时的环境温度以及与光缆相邻地线的电气耦合（即地线的分流能力）。目前，对系统的运行方式，一般取5～10年后的系统规划并按最大运行方式考虑。对故障类型，按单相（或单极）接地（以获取最大的零序电流分量）；对于故障位置，以变电所（或电厂）进出线门架外发生故障的短路电流最大，该短路电流随着故障点远离门架而迅速衰减，一般在3～4公里外，就衰减到最大值的80%～85%。至于切除故障的时间，一般取失灵保护或系统的保护能力为时限。环境温度，一般取最高气温月的最高平均温度，通常取40℃。

为安全起见，人们在设计时，基本都是选取最不利条件发生的情况。但实际设计环节，不应该只是简单地把最不利的条件组合起来，这样显然是不科学，也不合理的。从统计资料了解到，国内发生的雷击事故案例中，因短路电流过大而引起光纤烧毁的事故概率几乎可以忽略。因此设计部门应该科学考虑热容量参数的设置要求，否则就是在给定的条件下（即限定光缆的直径或截面）限制了光缆的铝钢截面比。而OPGW的热容量和耐雷性能是“此长彼消”，提高了光缆的热容量，实际上会降低光缆的耐雷性能，所以为提高OPGW的抗雷击性能，设计人员应该科学降低光缆的热容量要求，为光缆制造尽可能地采用热容量相对较低，而单丝熔点高、耐雷性能好、防腐性能优良的铝包钢线创造条件。当然，如果系统的短路故障比较频繁，而雷击概率很低，这时候就要反过来考虑了。

下面根据实际线路参数要求，提供OPGW的设计案例。按给定的参数选择SST管及铝包钢或铝合金的种类、规格，确定OPGW的结构。

如某220kV输电线路，导线采用LGJ－400／35型钢芯铝绞线，线路全长约80km。两根地线，其中一根为24芯OPGW光缆，采用G.652D光纤；另一根地线采用LBJ－120铝包钢绞线。客户要求根据地线的规格要求，设计出合适的OPGW结构。

这是比较常见的一种要求，由于客户对OPGW光单元的设计不了解，无法提出具体、明确的OPGW结构参数。但是要求根据对侧地线的参数来设计OPGW，并尽量与地线匹配。OPGW个别参数值可能会超过地线，只要在合理范围内，就是允许的。“合理”的界限需要根据线路具体情况，由用户或业主单位根据现有杆塔的受力能力予以最终确定，特别是重量和抗拉强度。

因为给定了对侧地线参数，所以设计时就不需要考虑气象条件、导地线的选型、导地线之间的配合（绝缘配合）、地线分流、铁塔和基础荷载以及铁塔和基础等，只须考虑OPGW光缆的结构选型尽可能与对侧地线接近。

按照目前国内普遍使用的不锈钢管式结构，首选SST作为光单元结构的缆芯。在此基础上，根据线路要求对OPGW进行设计计算。

根据国标，LBJ－120铝包钢绞线的参数信息如下：绞线由19根φ2.84mm、20.3%导电率铝包钢绞合而成，缆径φ14.18mm，截面120.30mm2，RTS＝160kN，电阻0.7194Ω／km，缆重805kg／km，短路电流为66.6kA2·s。

（1）不锈钢管（SST）光纤单元设计

由于OPGW的铝包钢丝材料导电率有多种，因此结构设计时会存在不同的截面积和单丝直径。在限定了直径和重量情况下，有可能需要牺牲其他方面的性能。

光单元SST外径需要结合OPGW外径和光缆结构进行设计。为保证SST管中光纤合理的余长和净空，根据经验，推荐的每管最大芯数对应见表5.3.15。

表5.3.15　SST可容纳的最大光纤数

表中光纤为标准的245μm外径光纤，不锈钢管壁厚为0.2mm，如果采用200μm小外径光纤以及薄的钢带，需要重新计算每管的光纤数。

由于光缆要求为24芯的光纤，从表5.3.15可以看出，φ2.4mm以上管径的SST套管，均可以满足要求。如果小于φ2.4mm，可能就需要两根φ2.2mm的SST套管。至于具体的直径，需要核验其他金属单丝的直径。

（2）单丝直径及规格的设计

由于LBJ－120地线外径为14.18mm，即单丝直径为2.84mm的1＋6＋12结构。根据与地线接近的原则，OPGW设计时先全部选择φ2.85mm导电率20.3%的单丝，并且采用1＋6＋12（其中1根SST管）结构。

由于其中一根单丝替换为SST管光单元，经过式（5.3.1）至式（5.3.12）初步计算，可得RTS为137kN，重量为787kg／km，电阻0.751Ω／km，短路电流容量为67.21kA2·s。

由于力值不满足，需要调整，更改全部单丝直径为2.9mm、导电率为20.3%的铝包钢丝，计算可得RTS为143kN，缆重814kg／km，电阻0.726Ω／km，短路电流容量为64.1kA2·s。

这时，发现短路电流容量仍然不满足要求，再次优化，更改中心单丝为3.0mm（电流系数为1.03），其他不变，计算可得RTS为143.39kN，重量为815.6kg／km，电阻0.726Ω／km，短路电流为68.1kA2s，光缆的外径为14.5mm。经过多次这样的调整，参数已经比较接近地线的参数。但想要完全的一致，是不可能的。SST管直径亦为2.9mm。光缆结构参数见表5.3.16。

表5.3.16　OPGW－24B1.3－120［143；68.1］参数表

续表

在设计OPGW结构时，如果单丝直径设计过小，特别是外层，抗雷击性能将变差。在只有一层单丝绞合的情况下，一般将光单元置于中心，也就是设计成中心管式结构。如果因为光纤芯数大导致SST管管径加大，此时设计成层绞式时，同层其他单丝的直径需与SST管接近，这样的结构有时并不一定经济。