輸電線路架空地線斷線原因分析及其防范措施

周學(xué)明，李 健，朱昌成，史天如，張耀東

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 前言

架空地線斷線故障在全國(guó)范圍內(nèi)多次發(fā)生，引發(fā)原因存在多樣性，有雷擊、鳥害、污閃和銹蝕等。文獻(xiàn)[1]介紹了廣東電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)一起鳥害引發(fā)110 kV架空地線斷線故障的案例，文獻(xiàn)[2]介紹了湖南電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)一起污閃引發(fā)110 kV架空地線斷線故障的案例，文獻(xiàn)[3]介紹了湖南電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)一起因地線本身銹蝕引發(fā)220 kV架空地線斷線故障的案例。雷擊是引發(fā)架空地線斷線故障的主要原因，雷擊引發(fā)架空地線斷線故障在全國(guó)均有發(fā)生，文獻(xiàn)[4-7]介紹了多起雷擊引發(fā)110 kV及以下架空地線斷線故障的案例。從各架空地線斷線案例基本情況可知，絕大多數(shù)地線斷口位于懸垂線夾處或出口附近，且斷口顯示有多股鋼絞線存在熔斷痕跡。架空地線作為輸電線路的重要保護(hù)設(shè)施，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)輸電網(wǎng)和用戶至關(guān)重要。架空地線斷線故障輕則導(dǎo)致輸電線路發(fā)生永久性故障，重則引發(fā)其它方面的安全事故。《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》（2012修訂版）針對(duì)防斷線事故專門提出了相關(guān)的反措要求，但架空地線斷線故障依然時(shí)有發(fā)生，因此，針對(duì)架空地線斷線特征，深入分析導(dǎo)致架空地線斷線的因素，對(duì)有效開展防地線斷線措施研究具有重要意義。

1 導(dǎo)致架空地線斷線的因素

1.1 導(dǎo)致地線損傷的因素

正常運(yùn)行過程中，導(dǎo)致架空地線損傷的因素通常有三種：1）地線銹蝕，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行不可避免地產(chǎn)生地線銹蝕，在污染嚴(yán)重的地區(qū)，地線銹蝕會(huì)更加嚴(yán)重，甚至可直接導(dǎo)致地線機(jī)械強(qiáng)度下降，直至拉斷。2）雷電流灼傷，雷電流雖然幅值較大，但作用時(shí)間極短，能量小，通常不能直接導(dǎo)致地線斷線，但集中的瞬時(shí)能量可造成鋼絲灼傷。曾有研究機(jī)構(gòu)用29～57 kA的振蕩波（相當(dāng)于48～95 kA 20/40 μm的雷電波）沖擊Φ1.8 mm股徑的GJ-50鋼絞線做熱效應(yīng)試驗(yàn)，鋼絲雖不致熔斷，但表面已有燒傷痕跡，說明異常大的雷電流擊中地線是有可能導(dǎo)致地線出現(xiàn)斷股現(xiàn)象的；另外，線夾作為地線和桿塔的連接金具，是雷電流主要放電通道，線夾與地線之間始終存在部分間隙，雷電流在間隙間放電產(chǎn)生的電弧會(huì)導(dǎo)致地線外層出現(xiàn)局部灼傷。3）微風(fēng)振動(dòng)，架空電線受風(fēng)的影響，經(jīng)常出現(xiàn)的是均勻低速下的微風(fēng)振動(dòng)，個(gè)別覆冰情況下的舞動(dòng)，當(dāng)分裂導(dǎo)線加間隔棒時(shí)有時(shí)會(huì)在次檔距振蕩，其中微風(fēng)振動(dòng)最為常見，危害性更為普遍。架空電線的微風(fēng)振動(dòng)常以駐波型式表示，一定頻率下的振蕩波在波節(jié)點(diǎn)僅有角位移，且在電線位置上不變，檔距兩端電線懸掛點(diǎn)相對(duì)各種頻率的振蕩波均為波節(jié)點(diǎn)，受線夾約束使電線不能自由移動(dòng)，是應(yīng)力集中點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)受到拉、彎曲和擠壓等靜態(tài)應(yīng)力，因此該處易產(chǎn)生電線材料的疲勞斷股等損傷。另外，當(dāng)線夾與電線壓接不夠緊密時(shí)，線夾與電線間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)致使電線磨損，亦導(dǎo)致線夾與電線之間的接觸電阻增大。

1.2 工頻短路電流的熱效應(yīng)

雷擊、鳥害或者污閃等因素導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)后，由系統(tǒng)繼續(xù)提供能量，維持續(xù)流通道。地線-桿塔系統(tǒng)的阻抗遠(yuǎn)小于桿塔-接地體系統(tǒng)阻抗（桿塔平均接地電阻為15 Ω，地線平均檔距電阻為3.7/1 000×300=1.1 Ω）。因此在發(fā)生單相接地故障時(shí)，工頻故障電流會(huì)沿地線分流至附近接地電阻小的桿塔而入地；在發(fā)生相間接地故障時(shí)，工頻故障電流主要沿系統(tǒng)-導(dǎo)線-地線-導(dǎo)線-系統(tǒng)通道形成環(huán)流。故障時(shí)，工頻故障電流最有可能通過線夾處，而線夾與地線的接觸電阻相對(duì)較大，因此在線夾處發(fā)熱最為嚴(yán)重。

1.3 熱效應(yīng)對(duì)地線機(jī)械強(qiáng)度的影響

工頻短路電流的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致地線溫度上升，鋼絞線的機(jī)械強(qiáng)度隨著溫度的升高而下降，不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼管鋼材機(jī)械強(qiáng)度隨溫度變化情況如圖1所示。

圖1 鋼材機(jī)械強(qiáng)度隨溫度變化情況Fig.1 The mechanical strength of steel changes by temperature

2 架空地線斷線案例分析

2.1 故障現(xiàn)場(chǎng)分析

2015年，某35 kV線路36開關(guān)相間距離二段保護(hù)動(dòng)作，故障跳閘，重合閘不成功。經(jīng)檢查，架空地線在42號(hào)桿塔懸垂線夾處發(fā)生斷線故障。通過登塔發(fā)現(xiàn)42號(hào)桿塔A相（中相）絕緣子和導(dǎo)線線夾處，及地線線夾處均有明顯灼燒痕跡；41號(hào)桿塔B相（上相）絕緣子和導(dǎo)線線夾處均有明顯灼燒痕跡，地線線夾處亦有明顯灼燒痕跡；故障時(shí)段，該線路附近有8次落雷，其中最大雷電流為-113.9 kA，該雷電流距離故障桿塔42號(hào)最近。絕緣子閃絡(luò)痕跡如圖2所示。

圖2 絕緣子閃絡(luò)痕跡Fig.2 Flashover marks of insulator

斷點(diǎn)位于42號(hào)桿塔地線懸垂線夾靠近小號(hào)側(cè)，離并溝線夾約6 cm處。架空地線為GJ-35型號(hào)的鋼鉸線，共有7股，從斷口斷面看，有4股的斷口處有明顯的灼燒和熔化痕跡，另外3股的斷口呈現(xiàn)拉伸變形。地線懸垂線夾處斷口復(fù)原圖如圖3所示。

2.2 閃絡(luò)原因分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，40號(hào)-43號(hào)桿塔接地電阻分別為10.0 Ω，11.9 Ω，11.5 Ω和 12.0 Ω，反擊耐雷水平約40 kA。故障時(shí)段，監(jiān)測(cè)到時(shí)間和地點(diǎn)最吻合的雷電流為-113.9 kA。-113.9 kA雷電流幅值較大，出現(xiàn)概率極低，通過計(jì)算，在湖北地區(qū)該雷電流出現(xiàn)概率約為0.1%。

圖3 地線懸垂線夾處斷口復(fù)原圖Fig.3 Restored map of fracture on suspension clamp

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)閃絡(luò)痕跡，判斷為-113.9 kA雷電流擊中41號(hào)-42號(hào)檔距內(nèi)地線，雷電流沿地線向兩端傳播，由于雷電流幅值極大，遠(yuǎn)超該線路耐雷水平，導(dǎo)致兩端桿塔41號(hào)（B相）、42號(hào)（A相）絕緣子被擊穿。40號(hào)-43號(hào)段為獨(dú)立耐張段，40號(hào)-41號(hào)、41號(hào)-42號(hào)和42號(hào)-43號(hào)檔距分別為104 m、152 m和201 m，雷擊閃絡(luò)示意圖如圖4所示。

圖4 雷擊閃絡(luò)示意圖Fig.4 Sketch map of flashover by lightning stroke

2.3 工頻續(xù)流通道分析

該35 kV線路電源側(cè)變壓器為三角形接線方式，為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。雷擊造成41號(hào)B相和42號(hào)A相閃絡(luò)擊穿后，由系統(tǒng)繼續(xù)提供工頻故障電流，形成續(xù)流通道。工頻續(xù)流通道等效電路圖如圖5所示。

圖5 工頻續(xù)流通道等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of power-frequency short circuit current gallery

等效電路圖中，Ua和Ub分別為系統(tǒng)等效電源，Za和Zb分別系統(tǒng)等效阻抗，Z01、Z12和Z22分別為檔距內(nèi)地線的等效阻抗，Z40、Z41、Z42和Z43分別桿塔與對(duì)應(yīng)接地體的等效阻抗。

由等效電路圖可知，I1為系統(tǒng)提供的總故障電流，I2為流過41號(hào)-42號(hào)檔距內(nèi)地線的故障電流。因檔距內(nèi)地線等效阻抗遠(yuǎn)小于相鄰桿塔接地體的等效阻抗，即Z01、Z12和Z22遠(yuǎn)小于Z40、Z41、Z42和Z43，故

由上式分析可知，I2與I1大小較為接近，即系統(tǒng)提供的絕大部分故障電流經(jīng)由41號(hào)-42號(hào)檔距內(nèi)的地線形成回路，即系統(tǒng)—A相導(dǎo)線—41號(hào)-42號(hào)檔距內(nèi)的地線—B相導(dǎo)線—系統(tǒng)是本次工頻故障電流的主要續(xù)流通道。

2.4 斷線原因分析

1）該35 kV線路于1992年10月投運(yùn)，已運(yùn)行超過20年，地線長(zhǎng)期受微風(fēng)振動(dòng)作用，地線與懸垂線夾會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成地線磨損，產(chǎn)生縫隙；該線路處于雷擊多發(fā)區(qū)，地線多次遭受雷電襲擊，雷電流會(huì)在懸垂線夾與地線縫隙間產(chǎn)生電弧，造成地線進(jìn)一步灼傷；損傷后的地線與懸垂線夾連接會(huì)不緊密，造成地線與線夾之間的接觸電阻增大。

2）結(jié)合雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查詢結(jié)果，判斷為-113.9 kA雷電流擊中41號(hào)-42號(hào)檔距內(nèi)地線，雷電反擊導(dǎo)致41號(hào)桿塔B相和42號(hào)桿塔A相均閃絡(luò)擊穿，造成雷擊閃絡(luò)故障。

3）雷擊造成閃絡(luò)后，由系統(tǒng)繼續(xù)提供能量，形成續(xù)流通道；系統(tǒng)—A相導(dǎo)線—41號(hào)-42號(hào)檔距內(nèi)的地線—B相導(dǎo)線—系統(tǒng)是本次工頻故障電流的主要續(xù)流通道，工頻故障電流主要沿該通道流通；工頻故障電流容易造成線夾等接觸電阻較大的節(jié)點(diǎn)處發(fā)熱，另外因本次由距離二段啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，故障切除時(shí)間較長(zhǎng)（＞0.5 s），導(dǎo)致42號(hào)桿塔地線懸垂線夾處發(fā)熱更加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致地線在42號(hào)桿塔地線懸垂線夾小號(hào)側(cè)出口處4股鋼絞線被熔斷，其余3根屈服強(qiáng)度下降，并在地線應(yīng)力作用下被拉斷，造成地線脫落。

綜上分析，本次地線斷線原因?yàn)槔讚舻鼐€造成線路A、B兩相均閃絡(luò)擊穿，導(dǎo)致地線流過雷電流和工頻故障電流，由于故障電流切除前持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而且線路長(zhǎng)期運(yùn)行中42號(hào)塔地線懸垂線夾處地線產(chǎn)生一定的磨損，造成接觸電阻變大，在通過很大電流時(shí)造成42號(hào)地線線夾處嚴(yán)重發(fā)熱，致使4股鋼絞線被熔斷，其余3根屈服強(qiáng)度下降，并在地線應(yīng)力作用下被拉斷，造成地線脫落。

3 防架空地線斷線措施

架空地線斷線故障主要發(fā)生在懸垂線夾出口處，其重要原因?yàn)閼掖咕€夾處是應(yīng)力集中點(diǎn)，懸垂線夾與地線間接觸電阻相對(duì)較大，通過工頻故障電流后發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致部分鋼絞絲被熔斷，剩余鋼絞絲發(fā)熱后屈服強(qiáng)度下降，抗拉強(qiáng)度不足，導(dǎo)致拉斷。因此本文針對(duì)故障時(shí)，基于減少地線線夾處流過的工頻故障電流的研究方向，提出在地線懸垂線夾兩側(cè)加裝引流線的防地線斷線措施。引流線安裝示意圖如圖6所示。

圖6 地線懸垂線夾兩側(cè)安裝引流線示意圖Fig.6 Sketch map of drainage wire sideward the suspension clamp

在懸垂線夾兩側(cè)加裝引流線時(shí)應(yīng)注意兩方面的問題：1）引流線通過并溝線夾與地線緊密相連，并溝線夾應(yīng)具有較好的機(jī)械強(qiáng)度；2）引流線應(yīng)具有較高的導(dǎo)電性能，保證地線-引流線-桿塔系統(tǒng)電阻小于地線-懸垂線夾-桿塔系統(tǒng)電阻。

懸垂線夾兩側(cè)加裝引流線的優(yōu)點(diǎn)有以下兩方面：1）可有效對(duì)懸垂線夾兩側(cè)入侵的雷電流和工頻故障電流進(jìn)行分流；2）兩側(cè)緊密連接的并溝線夾可在檔距中間發(fā)生斷線故障時(shí)，有效防止地線不從懸垂線夾處抽出，防止故障范圍擴(kuò)大。

4 結(jié)論

1）地線斷線的主要原因?yàn)椋旱鼐€在懸垂線夾處受磨損后接觸電阻增大，工頻故障電流會(huì)導(dǎo)致地線在懸垂線夾處發(fā)熱嚴(yán)重，造成鋼絲熔斷。

2）可從以下三方面綜合開展防地線斷線對(duì)策：（1）懸垂線夾處的地線用鋁包帶纏繞并壓緊，防止地線磨損；（2）懸垂線夾兩側(cè)加裝引流線，減小雷電流和工頻故障電流在地線-懸垂線夾-桿塔通道的分流；（3）定期打開懸垂線夾進(jìn)行檢查，查看地線在懸垂線夾處的磨損情況。

（References）

[1]楊挺，蔡柏林.鳥害引起輸電線路地線斷線的原因分析及對(duì)策[J].廣東電力，2006，19（12）：72-75.Yang Ting,Cai Bolin.Analysis of wire break caused by bird on overhead earth wire and prevention measure[J].Guangdong Electric Power,2006,19(12):72-75.

[2]諸約瑟.工頻短路續(xù)流造成架空地線斷線或燒傷的原因探討[J].湖南電力技術(shù)，1994，6（6）：1-3.Zhu Yuese.Discussion and analysis of wire break caused by power-requency short circuit current[J].Hunan Electric Power Technology,1994,6(6):1-3.

[3]胡加瑞，謝億，劉純,等.架空線路典型斷線分析[J].電世界，2013，2（1）：2-3.Hu Jiarui,Xie Yi,Liu Chun,et al.Analysis of wire break on overhead earth wire[J].Electric World,2013,2(1):2-3.

[4]劉曉東.110 kV線路幾起雷擊故障分析及對(duì)策[J].高電壓技術(shù)，2002，28（9）：52-53.Liu Xiaodong.Analysis of lightning failure on 110 kV lines[J].High Voltage Engineering,2002,28(9):52-53.

[5]高日亮.35 kV右元線避雷線斷線原因分析及其對(duì)策[J].農(nóng)村電氣化，1994，2（2）：21-22.Gao Riliang.Analysis of wire break on overhead earth wire of 35 kV line and prevention measure[J].Rural Electrification,1994,2(2):21-22.

[6]崔勇霞.架空避雷線斷線事故解析[J].電工技術(shù)，2003，2（6）：41-42.Cui Yongxia.Analysis of wire break on overhead earth wire [J].ElectriclTechnology,2003,2(6):41-42.

[7]李如虎.雷直擊架空避雷線能否使避雷線斷線[J].高電壓技術(shù)，1990，2（1）：2-3.Li Ruhu.Probability of wire-broken of shield wire due to direct lightning strike[J].High Voltage Engi?neering,1990,2(1):2-3.