光纤复合架空地线光缆(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,简称OPGW)是将光纤单元放进架空地线中,将光缆技术和输电线技术相融合,同时又不损害架空地线原有电器性能及抗拉强度等机械性能的一种特殊光缆。作为多功能的架空地线,既是避雷线,又是架空光缆,同时还是屏蔽线。OPGW安装在杆塔顶部保护导线免受雷击损坏,所以它较易受雷击。当雷击能量极大时,受到雷击的OPGW可能会发生部分股线断裂。 本文通过雷电流数学模型的搭建和比较,选择最符合OPGW线路条件的雷电模型,通过对雷电流波型的分析,提出不同波段对OPGW雷击断股的影响因子,根据雷电波能量频谱分析,建立雷击电流与电荷转移量的关系、单丝材料与熔蚀能量的关系、熔蚀能量与雷击能量的试验关系。采用变步长法对雷电流进行迭代,使用差分法计算暂态过程,利用ANSYS软件对雷电流的梯度进行仿真研究。采用三维有限元法对雷击后OPGW瞬态温度场和应力场仿真分析,考虑到外界条件和热释放、弹性模量等热力学和物理力学参数随时间变化对温度应力的影响,建立数学模型进行模拟计算。针对复杂的雷电过程,提出相关的假设,简化了雷电流模型,并对非线性瞬态温度场热传导进行有限元求解。在空间域上,假设在一个单元内节点的温度呈线性分布,根据变分公式推导节点温度的一阶常微分方程组。在时间域上用有限差分法将它化成节点温度线性代数方程组的递推公式,然后将每个单元矩阵叠加起来,形成节点温度线性方程组,进而求得节点的温度。同时根据OPGW雷击过程中温度场的计算和分析,建立实时的应力场模型,将实验室的结果和仿真的数据进行对比分析。对OPGW雷击断股点进行化学成分分析、熔点分析、电子探针分析和金相分析,比较不同类型样品遭雷击后所表现出的差异。 本文分别分析了脉冲冲击电流和长时连续电流对OPGW的危害程度,得出长时连续电流形成的稳定电弧是引起OPGW熔化断股的主要原因,而放电电荷(电荷转移量)是决定对OPGW伤害大小的最重要的参数。本文认为,雷击能量和雷电先导形成的电弧是造成OPGW断股的外因,而OPGW股线熔点偏低则是造成断股的内因。雷击OPGW的熔蚀试验结果表明：若强雷电直击OPGW,由电弧弧根产生的高温可能对地线产生熔蚀,电弧弧根持续的时间越长,对OPGW的烧蚀越严重,甚至可因烧蚀直接产生断股。也有可能在熔蚀深度达到一定程度时,在OPGW的张力的作用下由拉伸产生断股。 本文结合广东省500kV江茂乙线雷击断股的典型案例,分别将温度场和应力场的计算结果和实际雷击情况做对比分析,使模拟的过程更具有对比性和真实意义。采用有限元软件在现行的线路中输入相应的参数,可以模拟计算出线路中任意点OPGW的抗雷能力,将为电力光缆的选型提供足够的依据,指导OPGW的设计,大大降低OPGW雷击断股的概率,促进电力系统运行与控制、继电保护、数字电网的建设,为电力系统自动化安全和灵活交流输电技术的实施建立坚强的架构。