變電站戶外落地式OPGW余纜盤存接續集成裝置研究與設計

王凱，姬鵬，安寧，朱蓉蓉

（國網甘肅省電力公司天水供電公司，甘肅 天水 741000）

隨著我國智能電網深入發展，越來越多的變電站采用光纖通信。光纖復合架空地線（OPGW）主要應用于220kV及以上輸電線路中。依據《電力系統通信光纜安裝工藝規范》要求，光纖接續處應預留20m左右的余纜，并使用余纜架圈放。在常規設計中，余纜架和接續盒安裝在變電站門構架上。這種方式的缺點是：設備暴露于戶外，加劇老化；遇到惡劣天氣，設備容易受損；安裝位置較高，不易維護。針對上述缺點，本文設計了一種OPGW余纜盤存及接續集成裝置，該裝置安裝在變電站門構架附近。

1 總體方案

1.1 功能分析

設計一種變電站戶外落地式OPGW余纜盤存接續集成裝置，不是單單改變余纜架和接續盒的安裝位置，還應該考慮到絕緣和接地的問題，并且能適應不同地點和接線形式的應用。其主要功能如下：采用下進纜方式；箱內溫濕度在設備正常運行范圍內；余纜與箱體可靠絕緣；余纜與變電所接地網可靠接地；絕緣監督檢測時，可方便斷開OPGW與接地線的連接。

1.2 總體布局

高端的光纜箱一般采用SMC材料經高溫模壓而成，表面無特殊工藝處理。這種箱體防護等級高，但不能根據用戶的要求定制，成本較高。國內應用最多的為不銹鋼材料為主的箱體，材料強度高，價格適中，抗腐蝕、老化能力強。缺點是良導熱性引起箱內產生凝露或過熱；易漏電帶電，對人身安全造成危害。綜合性能和功能要求，本文提及的OPGW余纜盤存接續集成裝置設計的重點在于：（1）具有防水蒸氣凝結、箱內過熱的性能。（2）可靠絕緣和接地。

2 關鍵設計

2.1 溫度性能優化設計

夏季強光的曝曬，金屬材料會有較大的溫升，密閉箱體吸收的熱量無法散出。根據《YDT 814.2-2005 光纜接頭盒》規定，接續盒的使用溫度為-40～+65℃。因此，必須保證箱內溫度不超過設備工作溫度。當外界氣溫下降時，箱體溫度會隨之一起迅速下降，箱內空氣的自然對流引起緊貼箱體壁面的邊界層溫度不均勻。當邊界層內溫度低于箱體內水蒸氣的飽和溫度時，就會引起邊界層內水蒸氣凝結。

2.1.1 水蒸氣凝結分析

箱體傳熱過程串聯著三個環節：（1）從熱流體到壁面高溫側。（2）從壁面高溫側到壁面低溫側。（3）從壁面低溫側到冷流體。設平壁的表面積為A,壁厚為δ，導熱系數為λ，熱流量為Φ，tf和tw分別為流體溫度和壁面溫度，h為表面傳熱系數。下標1和2分別代表高溫側和低溫側。

這三個環節的熱流量表達式為：

綜合式（1）～（3）可以計算得出：

對于多層平壁，總的傳熱系數可以表示為：

蒸氣遇冷凝結也屬于對流換熱的范圍，并且伴隨著相變。隨著環境溫度的降低，蒸氣的飽和溫度也隨之降低。若箱壁溫度下降緩慢，箱內氣體通過對流換熱，溫度均勻降低，不易出現壁面溫度低于蒸氣飽和溫度的情況。增加平壁的壁厚或減小平壁導熱系數都可以增大總的傳熱系數。

2.1.2 熱輻射分析

太陽輻射下金屬箱表面熱流荷載主要有與空氣的對流換熱、太陽輻射、環境輻射。這三種熱流量可按照下列公式計算：

處于換熱穩態平衡時：

式中，Tk為箱體表面熱力學溫度；θ為太陽輻射入射面法線與水平面法線間的夾角；α為輻射吸收系數；G為太陽輻射強度；T0為空氣熱力學溫度；h為箱體和空氣間的對流換熱系數；Tg為地面熱力學溫度；Fwg為箱體表面與地面之間的角度關系系數；Fws為箱體表面與天空間的角度關系系數；εf為箱體表面熱輻射的發射率；Ts為天空熱力學溫度；A為輻射表面積；σ為斯忒藩-波爾茲曼常數。

太陽直射且最高氣溫為40℃時，假設太陽的輻射量為1500W/m2，箱體表面溫度可高達70～80℃。若未采取其他措施，箱體表面的熱量將會傳遞到箱內。

2.1.3 解決方法

將箱體設計成雙層，且在層間添充導熱系數小的材料，既有效防止水汽凝結，又能防止密閉的箱體過熱。層間隔熱材料應具有密度小、阻燃性能好、不易霉變等特點。在實際應用中，可根據式（5）選擇合理導熱系數和厚度的隔熱材料。選擇輻射吸收比例系數小、發射比例系數高的涂料作為箱體外涂層，在一定程度上可以降低箱體表面的溫度。

2.2 接地和絕緣

運行中的OPGW存在兩類感應電壓和電流：（1）雷電、短路等原因下的短時感應電壓電流。（2）正常運行狀態下的長期感應電壓電流。在接觸不良、接觸電阻相對較大時，短時感應電流較大，可局部燒熔OPGW外層股線；而長時感應電流雖然較小，但作用時間長，連續作用會引起OPGW外股線熔斷。

2.2.1 接地設計

OPGW和普通地線的接地有所不同，它有一段垂直引下線，目前尚無說明其接地方式的規范。在實際操作中有兩種方式：第一種為兩點式接地，即在構架頂端進行可靠連接，在末端經接地線與變電站接地網連接；第二種為單點式接地，僅在構架頂端進行可靠連接。其中以第一種接地方式為主。在構架頂端，OPGW采用專用接地線連接至構架接地端子，OPGW側采用并溝線夾連接，構架側采用螺栓連接。變電站做絕緣監督檢測等作業時登桿不方便、不安全等問題依然存在。

OPGW接地設計的重點在于既要保證感應電壓電流可以及時消除，又能迅速斷開OPGW與接地網的連接。綜合這兩方面的因素，本文提出了一種改進的接地方式：構架頂端采用非接觸式的放電方式，余纜末端通過隔離開關與接地網相連。采用本文設計的集成箱，必須配合使用一套間隙放電裝置。

間隙放電裝置經緊固抱箍安裝在門型構架的頂部。裝置主要包括高壓引弧棒和低壓引弧棒。高壓引弧棒和低壓引弧棒的一端均設有放電球，OPGW光纜固定在高壓引弧棒的另一端，低壓引弧棒的另一端連接有接地線，接地線的另一端與門型構架連接。高壓引弧棒和低壓引弧棒之間用針式絕緣子連接。該裝置可對雷擊感應電、變電站內感應電進行限壓放電，裝置通過接地線連接到構架保證了接地的可靠性。在箱體底部安裝一套高壓交流隔離開關。開關一側通過專用地線連接到變電站接地網，另一側連接OPGW專用接地線，OPGW專用接地線經并溝線夾與OPGW光纜相連。作業時，斷開隔離開關即可，測試完畢，合上隔離開關，節約了測試時間、減少停電損失、方便維護。

2.2.2 絕緣設計

傳統的安裝方式，引下光纜、接續盒及余纜架與構架間采用帶絕緣橡膠的金具進行固定，引下光纜與構架構件間保持18～20mm間距。這種方式雖然解決了OPGW與門型構架、大地的絕緣問題，但橡膠夾、橡膠墊長期處于變電站高壓感應環境中會加劇氧化，易造成OPGW脫落搭桿。間隙放電裝置采用針式絕緣子固定，可以保證OPGW與構架的可靠絕緣，在戶外環境中，使用壽命長達25年。

為保證OPGW與落地式集成箱的可靠絕緣，須保證箱內部件的材料使用得當，布局合理。本文使用了一種高強度SMC絕緣板作為余纜架、接續盒的固定基板，基板左右邊緣開有螺紋孔陣列，通過螺栓將其固定在箱體內側的鋼架結構上。值得注意的是，必須保證余纜架和接續盒安裝完成后，與箱體的距離不小于50mm。

3 結語

通過上述研究分析，這種戶外落地式OPGW余纜盤存接續集成裝置解決了箱內水汽凝結、溫度過高、絕緣和接地等關鍵問題。集成箱在設計過程中考慮了成本、壽命等基本要素，是一種極具市場潛力和競爭力的產品，具有很強的推廣價值。

[1]DL/T832-2016，光纖復合架空地線[S]. 北京: 國家能源局,2016.

[2]Q/GDW 758-2012，電力系統通信光纜安裝工藝規范[S].國家電網公司:北京, 2012.