本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)高壓架空線路中的地線，尤其是一種架空線路上防雷擊型帶光纖的雙導(dǎo)體絕緣地線。適用于高壓架空交流輸電線路。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，光纖復(fù)合架空地線Optical fiber composite overhead ground wires(OPGW)是集光纖通信功能與輸電線路避雷功能于一體的復(fù)合架空地線，屬于電力系統(tǒng)專用的一種特種光纜線路。隨著電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，光纖復(fù)合架空地線(OPGW)越來越大規(guī)模采用。目前使用的光纖復(fù)合架空地線結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，基本結(jié)構(gòu)大致相同，光纖1套在光纖套管2內(nèi)形成光纖單元(用于通信)，光纖單元夾設(shè)于呈梅花型的鋁包鋼線101中(鋁包鋼線提供機(jī)械強(qiáng)度)，最外層是鋁合金線102(鋁合金線易于導(dǎo)電)。

但是由于過去對(duì)雷擊造成光纖復(fù)合架空地線(OPGW)斷股影響的認(rèn)識(shí)不足，造成目前運(yùn)行中的光纖復(fù)合架空地線(OPGW)耐雷擊性能低下，在運(yùn)行中的OPGW遭雷擊而發(fā)生斷股現(xiàn)象頻繁發(fā)生。按照國際電工技術(shù)委員會(huì)IEC-60794-4-1(1999)光纜第4部份高壓電力線架空光纜(OPGW)、IEEE美國電子和電氣工程師協(xié)會(huì)、IEEE Std-1138-1994《用于公用電力線路的光纖架空地線復(fù)合纜(OPGW)的試驗(yàn)和性能使用標(biāo)準(zhǔn)》的要求，現(xiàn)有光纖復(fù)合架空地線中的外層金屬線規(guī)定采用鋁包鋼線和鋁合金線，由于鋁的熔點(diǎn)較底，在受到雷擊時(shí)容易燒熔斷，采用這種結(jié)構(gòu)的抗雷擊性能較差，在高雷暴地區(qū)更加容易造成外層鋁熔化損壞，影響光纖復(fù)合架空地線的作用，對(duì)高壓輸電線路以及電力通訊構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

事實(shí)上，自20世紀(jì)90年代以來，復(fù)合光纖地線的斷線問題已經(jīng)是一個(gè)國際性的技術(shù)難題：日本在1983～1992年十年間共發(fā)生10次，約為0.08次/年百千米；德國每年都有OPGW雷擊斷股事件發(fā)生，一般斷1～2股，最多斷7股；據(jù)報(bào)導(dǎo)，在我國500kV線路上，每年都有OPGW雷擊斷股事件發(fā)生，從2000年至2005年3月，在21條500kV線路上共發(fā)生47次雷擊斷股事件，一般斷1～2股，最多斷10股，有的線路甚至每年都有斷股事件發(fā)生。

據(jù)申請(qǐng)人的檢索，目前在該領(lǐng)域有所改進(jìn)的方案有：

1、中天日立光纜有限公司申請(qǐng)的“一種外纏式融冰光纖復(fù)合架空地線”，專利號(hào)：201320492612.8，是針對(duì)冰災(zāi)多發(fā)地區(qū)設(shè)計(jì)的一種外纏式融冰光纖復(fù)合架空地線，在地線覆冰時(shí)，利用絕緣扁線進(jìn)行通電流升溫融冰，杜絕線纜覆冰后的線纜桿塔斷倒導(dǎo)致的長時(shí)間停電事故。

2、江蘇中天科技股份有限公司、中國電力科學(xué)研究院、國家電網(wǎng)公司、國網(wǎng)四川省電力公司申請(qǐng)的“一種內(nèi)嵌式可融冰光纖復(fù)合架空地線”，專利號(hào)：201420251323.3，針對(duì)冰雪災(zāi)害多發(fā)地區(qū)設(shè)計(jì)的一種嵌入式可融冰光纖復(fù)合架空地線，地線中嵌有絕緣導(dǎo)體，可以在地線覆冰時(shí)，對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行通電融冰；通過內(nèi)嵌的絕緣導(dǎo)體給各種智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備、通信中繼設(shè)備遠(yuǎn)端供電。

3、廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心、中國電力科學(xué)研究院、中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院申請(qǐng)的“耐雷擊光纖復(fù)合架空地線”，專利號(hào)：201220570388.5。耐雷擊光纖復(fù)合架空地線主要用于電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，兼具避雷分流的功能和光纖通訊等功能，并且具有良好的抗雷擊性能，能夠適用高雷暴地區(qū)。

以上三個(gè)專利與傳統(tǒng)的光纖復(fù)合架空地線相比在融冰方面有了改進(jìn)，但由于仍然是沿用了以鋁包鋼+鋁合金作為導(dǎo)電體的方式，在受到雷擊后還是頻繁斷股，因此，至今國家層面的電力通信主管部門仍沒有大規(guī)模推廣應(yīng)用這些方案。

申請(qǐng)人認(rèn)為，上述現(xiàn)有的和改進(jìn)的技術(shù)方案為什么仍然沒有解決光纖復(fù)合架空地線的斷股問題，其根本原因是用錯(cuò)了材料，即使用了鋁包鋼線和鋁合金。

經(jīng)研究，雷電流是一個(gè)非周期的瞬態(tài)電流，通常是很快上升到峰值，然后較為緩慢的下降。雷電流的波頭非常地陡。由于在雷電流波的起始和峰值處常常疊加有振蕩，很難確定其真實(shí)零點(diǎn)和到達(dá)峰值的時(shí)間，因此，通常用視在波頭時(shí)間t₁和視在波長時(shí)間t₂來表示雷電流的上升時(shí)間和半峰值寬度，一般記為t₁/t₂,如圖3所示。

通過對(duì)雷電流的頻譜分析可知：1)雷電流的實(shí)質(zhì)是一種高頻脈沖，且隨著頻率的升高而遞減。在波尾相同時(shí)，波前越陡高次諧波越豐富；在波前相同的情況下，波尾越長低頻部分越豐富；2)雷電的能量主要集中在低頻部分，約90％以上的雷電能量分布在頻率為100kHz以下，這說明只要防止100kHz以下頻率的雷電流竄入，就能把雷電流能量消減90％以上。

對(duì)于高頻脈沖而言，如使用了非鐵磁材料或者是弱鐵磁性材料(鋁包鋼線等)，由于鋁為非導(dǎo)磁材料，在雷電流高頻能量傳遞中因?yàn)闆]有導(dǎo)磁性而出現(xiàn)磁鏈斷裂，即會(huì)引起磁能量的傳遞失敗進(jìn)而迫使雷電能量向光、熱轉(zhuǎn)換后將會(huì)產(chǎn)生巨大的熱能，進(jìn)而將鋁線熔化。而現(xiàn)有實(shí)施的國際電工委員會(huì)IEC和美國電子電氣學(xué)會(huì)IEEE在光纖復(fù)合地線的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程設(shè)計(jì)中，對(duì)最外層的要求恰恰規(guī)定了要采用鋁包鋼或者鋁合金材料，這樣在雷電流來臨時(shí)，致使磁鏈不能有效傳遞，反而使鋁層熔化，造成斷線事故。這是造成近幾十年來故障情況不斷的根本原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的問題，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是：根據(jù)雷電流的特性和鐵磁材料具有消納雷電場(chǎng)能量的原理，提供一種架空線路上防雷擊型帶光纖的雙導(dǎo)體絕緣地線，其主要目的是解決光纖復(fù)合架空地線的斷股問題，同時(shí)還將達(dá)到的目的包括節(jié)能降損、減少潛供電流、融冰除雪、野外取電。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：架空線路上防雷擊型帶光纖的雙導(dǎo)體絕緣地線，其特征在于，所述地線由內(nèi)而外依次為光纖單元、導(dǎo)電磁性體內(nèi)層、復(fù)合絕緣層和導(dǎo)電磁性體外層，其中：

所述光纖單元為光纖套于光纖套管內(nèi)；

所述導(dǎo)電磁性體內(nèi)層由多根鍍鋅鋼絲絞制而成，所述光纖單元夾設(shè)于多根鍍鋅鋼絲的中間；

所述復(fù)合絕緣層由絕緣內(nèi)層、主絕緣層和絕緣外層覆合而成，其中絕緣內(nèi)層和絕緣外層為半導(dǎo)電層；

所述導(dǎo)電磁性體外層由多根鍍鋅鋼絲絞制而成，包覆于絕緣外層的外面。

所述光纖套管采用帶磁性的不銹鋼制成，優(yōu)選馬氏體不銹鋼。

所述鍍鋅鋼絲采用軟磁性鋼絲鍍鋅；或者馬氏體不銹鋼絲鍍鋅。

所述導(dǎo)電磁性體內(nèi)層和導(dǎo)電磁性體外層的導(dǎo)體截面積均不小于50mm²。

所述半導(dǎo)電層厚度為1～3mm，半導(dǎo)電層的原料按以下重量％配制：

石墨 10～20

鐵粉 5～10

交聯(lián)聚乙烯 余量。

所述主絕緣層厚度為3～25mm，主絕緣層的原料按以下重量％配制：

鎂鋅鐵氧體粉末 20～30

交聯(lián)聚乙烯 余量。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1)、采用雙層帶有磁性的鍍鋅不銹鋼絲作為導(dǎo)體后，可迅速將雷電能量引排入大地，從根本上解決了光纖復(fù)合架空地線的斷股問題，保護(hù)了光纖的正常通信。

2)、復(fù)合絕緣層的設(shè)置使得內(nèi)外兩層導(dǎo)體與絕緣層之間形成了電容效應(yīng)，相當(dāng)于給具有高頻特性的雷電波提供了一個(gè)能量傳遞通道，有助于地線快速排雷，保護(hù)地線不被打斷。

3)、外層導(dǎo)體因絕緣層的存在而懸空，這樣就切斷了地線與大地之間的電流通路，消除了架空地線上的電能損耗，達(dá)到節(jié)能降損目的。

4)、減少潛供電流，提高供電的可靠性。

5)、解決了輸電線路監(jiān)測(cè)裝置在運(yùn)行中野外取電困難的問題，同時(shí)可供照明用電。

附圖說明

圖1、圖2分別是本實(shí)用新型背景技術(shù)光纖復(fù)合架空地線的兩種結(jié)構(gòu)圖。

圖3是雷電流的波形示意圖。

圖4是本實(shí)用新型光纖復(fù)合架空地線的截面圖。

圖5是本實(shí)用新型光纖復(fù)合架空地線的立體分解圖。

具體實(shí)施方式

如圖4、圖5所示，本實(shí)施例架空線路上防雷擊型帶光纖的雙導(dǎo)體絕緣地線的截面呈圓形，由內(nèi)而外層層包裹，依次為光纖單元、導(dǎo)電磁性體內(nèi)層3、復(fù)合絕緣層4和導(dǎo)電磁性體外層5。

所述光纖單元為光纖1(一根或多根)套于光纖套管2內(nèi)，光纖套管2采用帶磁性的不銹鋼制成，如馬氏體不銹鋼。

所述導(dǎo)電磁性體內(nèi)層3由多根鍍鋅鋼絲絞制而成(由絞線機(jī)絞制)，所述光纖單元夾設(shè)于多根鍍鋅鋼絲中間。鍍鋅鋼絲采用軟磁性鋼絲(或馬氏體不銹鋼絲)鍍鋅。導(dǎo)電磁性體內(nèi)層3的導(dǎo)體截面積不應(yīng)小于50mm²。

所述復(fù)合絕緣層4由絕緣內(nèi)層4－1、主絕緣層4－2和絕緣外層4－3覆合而成。

絕緣內(nèi)層4－1和絕緣外層4－3為半導(dǎo)電層，該兩層半導(dǎo)電層的厚度均為1～3mm，半導(dǎo)電層由主料交聯(lián)聚乙烯(重量％)中添加10～20％(重量)石墨和5～10％(重量)鐵粉配制而成，在半導(dǎo)電層中加入石墨和鐵粉是為了獲得導(dǎo)電性。該兩層半導(dǎo)電層的作用是使絕緣層與跟它接觸的導(dǎo)電層處于等電位，從而避免了因?qū)Ь€表面不光滑而產(chǎn)生的局部放電現(xiàn)象，確保電纜長期安全運(yùn)行。

主絕緣層4－2厚度為3～25mm，主絕緣層由主料交聯(lián)聚乙烯(重量％)中添加20～30％(重量)鎂鋅鐵氧體粉末配制而成，加入鎂鋅鐵氧體粉末是為了提高絕緣層的導(dǎo)磁性能。

本例導(dǎo)電磁性體外層5同樣由多根鍍鋅鋼絲絞制而成(由管式絞線機(jī)絞制)，層數(shù)二層，包覆于絕緣外層4－3的外面。鍍鋅鋼絲采用軟磁性鋼絲鍍鋅，或者馬氏體不銹鋼絲鍍鋅。導(dǎo)電磁性體外層5的導(dǎo)體截面積不應(yīng)小于50mm²。

經(jīng)過本實(shí)用新型改進(jìn)后的地線具有以下前所未有的優(yōu)勢(shì)：

1)、鐵磁材料消納雷電能量計(jì)算

本地線中鐵磁材料的使用是基于美國電氣學(xué)家史丹梅智(Charles Proteus Steinmetz 1865-1923)于一百多年前提出的鐵磁材料磁化功率(損耗)模型公式：

式中，K—考慮鐵加工、磁通密度分布不均勻等因素使鐵磁損耗增加的修正系數(shù)；P_1/50—頻率為50Hz，磁通密度為1T(特斯拉)時(shí)鐵磁材料的最大磁化容量(損耗)(W/kg)，請(qǐng)見表1；B—鐵磁通密度(T)；f—磁通交變頻率(Hz)；G_Fe—鐵磁性物質(zhì)的質(zhì)量(kg)。

表1低碳鋼冷軋疊片鋼的最大磁化容量(損耗)值

表1的參數(shù)來自于《鐵磁材料磁有序物質(zhì)特性手冊(cè)》，EP.Wohlfarth主編。

取K＝0.8，鐵磁材料厚度為δ＝2.1mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的單位損耗P_1/50＝36W/kg，假設(shè)雷電脈沖的平均頻率f＝1000Hz、B＝1T(特斯拉)，＝0.8×36×1×20^1.3×G_Fe＝28.8×49G_Fe＝1411.2G_Fe。

再參見表2，雷電流的統(tǒng)計(jì)能量值(南京信息工程大學(xué)肖穩(wěn)安教授教材)：

表2首次正極性雷擊的雷電流參量

假設(shè)雷電能量A＝10MJ(兆焦耳),擬以磁場(chǎng)能量P_Fe來承納雷電場(chǎng)能量關(guān)系，則必須滿足P_Fe≥A條件，A≤P_Fe＝10×10⁶＝1411.2G_Fe，得出鐵磁重量G_Fe≥7086kg。本能量轉(zhuǎn)換理論是建立在由電磁場(chǎng)系統(tǒng)的能量傳輸速度是與光速等同的即為3×10⁸m/s，因此它可以通過鐵磁材料迅速地將雷電脈沖的電場(chǎng)能量以磁的方式吸收與接納損耗掉。

從能量吸收對(duì)等的模型設(shè)計(jì)出發(fā)，要求鐵磁材料所擁有的磁化容量P_Fe即磁能積功率≥雷電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)能的功率的容量值A(chǔ)，如果達(dá)到這個(gè)要求就能將雷電的電場(chǎng)能吸收轉(zhuǎn)換到鐵磁材料之中，為此，根據(jù)公式：在架空線路中對(duì)鐵磁的重量G是按雷電流在相應(yīng)架空線上統(tǒng)計(jì)雷擊的強(qiáng)度等級(jí)有一個(gè)最小的重量要求，如果以雷電強(qiáng)度為10MJ，則該雷擊區(qū)域鐵磁材料的最小重量G＝7086kg。若以鋼絞線型號(hào)LG-70mm²為例，單位長度重量570kg/km，地線連續(xù)長度最低為7086kg/570＝12.4km，即12.4km的鍍鋅鋼絲線即可以消納該次雷電的能量。在實(shí)際工程中往往取P_Fe≥1.62A，(經(jīng)驗(yàn)可靠系數(shù)為1.62)。

2)、電容效應(yīng)快速排泄雷電流

本實(shí)用新型地線在兩層導(dǎo)電磁性體之間增加了一個(gè)復(fù)合絕緣層4，這樣在物理結(jié)構(gòu)上就形成了一個(gè)電容層，根據(jù)平板電容器的理論計(jì)算，電容量ε為空氣的介電常數(shù)，ε_r為介質(zhì)的介電常數(shù)，S為面積，d為導(dǎo)體之間的距離，在本方案中為絕緣層的厚度δ，即電容器的導(dǎo)體間距d＝δ,這樣通常以絕緣層為30～100kV耐壓設(shè)計(jì)，絕緣層一般為6～20mm厚度，若按此結(jié)構(gòu)下導(dǎo)線的電容量，通常每公里為0.2μF(微法)左右的電容量，若導(dǎo)線的連續(xù)長度為10～20公里時(shí)，電容量可達(dá)到4～5μF的電容。在輸電線路很長的情況下，則電容值相應(yīng)增大，由于雷電流是一種高頻率的脈沖波，其很容易通過電容性的電氣元件，如此結(jié)構(gòu)的地線相當(dāng)于對(duì)具有高頻特性的雷電波提供了一個(gè)能量傳遞的通道。

假如電容量C為每公里長度可達(dá)0.2μF，如果地線長度為50km時(shí)，電容量可達(dá)10μF，而由此電容量形成的容抗當(dāng)雷電流頻率f為10kH_Z時(shí)，該地線呈現(xiàn)的容抗性阻抗為這個(gè)阻值相當(dāng)于是一個(gè)良好的電氣通路，即可以從這個(gè)電容器構(gòu)成的通道快速將雷電流排泄至大地中去。然而該地線電纜對(duì)50H_Z工頻電壓則呈現(xiàn)容抗Xc＝阻抗比雷擊時(shí)增加了約300倍，接近于高阻抗，相當(dāng)于開路狀態(tài)。

在實(shí)際安裝工程中若將避雷器與導(dǎo)電磁性體外層5連接，就可以有效地利用接地電纜來達(dá)到防雷的效果，同時(shí)又可以使導(dǎo)電磁性體外層5在平時(shí)運(yùn)行達(dá)到懸空的目的。

3)、降損節(jié)能

在現(xiàn)有技術(shù)中，帶光纖地線采用的是逐塔接地，因此具有很大的感應(yīng)電流，其結(jié)果就增加了線路的電能損失，這個(gè)附加的電能損失是同負(fù)荷電流的平方和線路長度成比例的，對(duì)于500kV長200～300km的送電線路，每年約損失電能量約數(shù)百萬度，造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。本發(fā)明通過雙層導(dǎo)電磁性體加上中間的復(fù)合絕緣層，利用導(dǎo)電磁性體外層5作為感應(yīng)層，由于復(fù)合絕緣層4的存在使得導(dǎo)電磁性體外層5對(duì)地懸空，這樣就切斷了地線與大地之間的電流通路，消除了架空地線上的電能損耗。正常情況下，地線的電磁性體外層5與大地桿塔絕緣，避免了感應(yīng)電流的產(chǎn)生。當(dāng)雷電過電壓發(fā)生或線路故障時(shí)，地線除了通過已裝設(shè)的地線絕緣子的放電間隙放電外，同時(shí)還可通過本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電容高頻通道與大地接通，自動(dòng)排泄雷電流，保證雷電流和故隙工頻電流的有效泄放。

4)、融冰除雪

由于輸電線路的地線架設(shè)在線路鐵塔的塔頂上，更容易形成覆冰情況，一旦覆冰厚度超過設(shè)計(jì)極限值，將會(huì)引起線路桿塔傾倒、地線斷裂，導(dǎo)線、地線之間形成短路接地，整條線路中斷供電，這將對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成極大危害。目前對(duì)架空地線的融冰方法是將融冰區(qū)地線對(duì)地全部絕緣，地線上加直流電源的方法，但是該方法工作量大，實(shí)施困難，除冰效果不明顯，對(duì)于帶有光纖的地線而言，加載的直流電流還會(huì)因?yàn)闇囟壬哌^大而損壞光纖。

本實(shí)用新型由于設(shè)置了復(fù)合絕緣層4，使導(dǎo)電磁性體外層5得以絕緣懸空，當(dāng)對(duì)其通以直流電流時(shí)導(dǎo)線因通電而升溫，達(dá)到融冰除雪的目的；與此同時(shí)，由于絕緣層的存在，帶有光纖的導(dǎo)電內(nèi)層卻不會(huì)升溫過高，保護(hù)了光纖的安全。

5)、減少潛供電流

本實(shí)用新型的復(fù)合絕緣層4使導(dǎo)電磁性體外層5對(duì)地懸空絕緣后，可以減少潛供電流，加速潛供電弧的熄滅，提高單相重合閘的成功率，提高電網(wǎng)可靠性。

6)、滿足野外取電需求

在架空線路運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通常采用太陽能加蓄電池的供電方式，但經(jīng)過幾年的試運(yùn)行表明，在光照不足、連續(xù)陰雨天氣的情況下，靠蓄電池供電無法滿足設(shè)備供電可靠性要求，且蓄電池壽命有限，一年左右就需要更換，使得在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)無法得到保障。本實(shí)用新型將外層導(dǎo)體5懸空絕緣后與相鄰的高壓帶電相導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對(duì)于500kV線路，感應(yīng)電壓達(dá)3～5kV(經(jīng)分段)，通過在外層5上面安裝變壓器即可獲取感應(yīng)電能用于照明和監(jiān)測(cè)儀器。