新型輸電線路桿塔雷電流記錄裝置的應用研究

李金戈（湖北省送變電工程公司，湖北武漢430000）

新型輸電線路桿塔雷電流記錄裝置的應用研究

李金戈（湖北省送變電工程公司，湖北武漢430000）

本文首先設計了新型輸電線路桿塔雷電流記錄裝置，闡述了項目總體方案設計，針對其中的項目關鍵技術研究，重點對雷電流記錄裝置的工業設計進行討論，結果表明獲得了良好的經濟效益。希望對于其他人士具有啟發與參考的作用。

新型輸電線路；桿塔雷電流；記錄裝置

1 引言

目前雷電流記錄裝置主要可分為兩大類型：電磁繼電器型和電子型。電磁繼電器型計數器通過雷電流在非線性電阻上產生電壓，經過直流變換，對電磁繼電器線圈放電，驅動電磁繼電器銜鐵，撥動機械計數器撥盤，實現計數的目的。感應電流電子型計數器通過雷電流感應電壓，產生‘0’或‘1’信號，通過芯片數顯，實現計數的目的。上述雷電流記錄裝置均采用了電子器件和電源，要求運行環境較好，并需定期維護，在應用環境較為惡劣，要求免維護的場合，其應用受到限制。

本文針對工程實際需要，尤其是應用環境惡劣，要求免維護的情況下，基于將電流變化轉化為機械動作研發出一種無源雷電流記錄裝置，具有原理結構簡單、可靠性高、成本低、無需電源及電子器件，性能穩定等優點。

2 項目總體方案設計

總體方案設計如下：

（1）針對目前雷擊計數器普遍采用電子器件和電源的局限，本文研發一種熱效應雷擊計數器，利用雷電流通過電阻絲發熱產生的熱量使空氣等介質膨脹，推動活塞運動，驅動計數器計數。本裝置無需電源及電子器件、可靠性高、成本低、性能穩定，尤其適用于應用環境惡劣、要求免維護的情況。

（2）在裝置的主要內部結構定型之后，結合應用環境，確定裝置的IP等級和外形結構，進行裝置試制。

（3）該裝置研發成功之后，篩選100基雷擊概率較大的輸電桿塔進行試安裝，裝置具有體積小、易安裝和操作的特點，在通常巡線時即可安裝和統計數據，并對數據進行整理和分析，評估該批桿塔的雷擊跳閘事故風險。

注：普通輸電線路雷擊設計數據為0.1～0.2次/百公里/年，為了能夠有效反映該裝置的使用效果，應至少安裝100基桿塔（500m檔距）作為應用，且應選擇落雷密度較高的地區。

3 項目關鍵技術研究

3.1 理論分析

3.1.1 雷電流特性

（1）沖擊電流大

一次雷擊大多數分成3～4次放電，一般是第一次放電的電流最大，正閃電的電流比負閃電的電流大（在100kA以上）。雷云對地負閃擊，電流值高達幾萬-幾十萬安培。世界觀測到的最大雷電流為430kA（黑龍江省記錄300kA的正電荷閃擊，西藏記錄有760kA）。

（2）時間短

一般雷擊分為三個階段，即先導放電、主放電、余光放電。整個過程一般不會超過60μs。最長記錄1.33s。

（3）雷電流變化梯度大

雷電流變化梯度大，有的可達10kA/μs。

（4）沖擊電壓高

強大的電流產生的交變磁場，其感應電壓可高達上億伏。

3.1.2 雷電流等值波形及能力估算

雷電流等值波形的擬合方法有多種，常見的有雙指數等值波形、等值斜角波、等值余弦波、冪指數波形等，具體根據雷電流不同的特性進行模擬。本文考慮工程實用性采用雙指數等值波形對幾種雷電流波形進行分析。

圖1 雙指數等值波形

函數表達式：i（t）=AIm（e-αt-e-βt）

分別對三種常見標準雷電流波形：①2.6/50μs、②8/20μs、③10/350μs進行能量估算，使用雙指數函數進行擬合：

（1）2.6/50μs雷電波

圖2 2.6/50μs雷電波形

擬合函數為：i（t）=Imax1.047453（e-14790t-e-1877833t），經計算單位電流、電阻對應發熱量：3.6221×10-4J。

（2）8/20μs雷電波

圖3 8/20μs雷電波形

擬合函數為：i（t）=Imax2.33（e-77140t-e-248900t），經計算單位電流、電阻對應發熱量：1.279×10-4J。

（3）10/350μs雷電波

擬合函數為：i（t）=Imax1.024429（e-2049.38t-e-563758t），經計算單位電流、電阻對應發熱量：2.5×10-3J。

3.1.3 機械操作機構的設計。

如何將雷擊電流產生的熱效應直接轉換成機械效應是本文的關鍵點。雖然雷電流幅值很大，但是雷電流的發生在微秒級的時間域內，因此產生的熱量并不大。將熱能轉化為機械能時對機械部件的敏感度要求較高，因此該裝置的機械部分采用聯動的操作機構，實現雷電流流經時產生的熱效應轉換成機械能。

3.1.4 電阻絲的選擇

電阻絲將串聯入雷電流通道，雷電流通過電阻絲時，將產生熱量。熱量使膨脹介質膨脹做功。電阻絲宜選擇電阻率高的金屬，在流過雷電流時產生較大的熱量，本文計劃選用鎳鉻電阻絲。選擇線徑為0.8mm的鎳鉻電阻絲，長度為30cm，以并聯10根鎳鉻電阻絲為例，計算通過雷電流后鎳鉻電阻絲產生的溫升。

3.1.5 膨脹介質的選擇

本裝置的構想是利用雷電流流過電阻絲產生的熱量，使熱膨脹介質溫升膨脹，推動活塞運動，活塞將力傳遞到撥桿，撥桿驅動計數器計數，實現雷擊計數的目的。為能夠準確反映裝置所在桿塔的雷擊次數，要求該裝置能夠在更寬的雷電流范圍內進行計數。要求熱膨脹介質的熱膨脹系數應較高，且應具有穩定物理和化學性質，如空氣、氮氣、水、油等。預計采用空氣作為熱膨脹介質，實現記錄雷電流幅值為1～100kA及以上的雷電流。

3.2 雷電流記錄裝置的工業設計

根據科學的理論研究，進行合理的機械操作機構的設計和外觀工業設計，設計此雷電流記錄裝置由基座、腔室、發熱組件、熱膨脹介質、熱動機構、計數器等部件構成，利用電流流過腔室中的電阻絲產生的熱量，使腔室內熱膨脹介質溫升膨脹，熱膨脹介質推動腔道中的活塞運動，活塞將力傳遞到撥桿，撥桿驅動計數器計數，實現雷擊計數的目的。

3.2.1 基 座

用于固定腔室、發熱組件、熱動機構、計數器等部件，要求其機械性能、力學性能好，材料選擇環氧樹脂。

3.2.2 腔 室

具有一定的容積，用于儲存熱膨脹介質，發熱組件置于其中，和腔道連通。要求腔室具有絕熱功能。設計腔室的長、寬、高為3cm×3cm×1cm，內壁敷一層隔熱層。

3.2.3 發熱組件

發熱組件由連接片和電阻絲構成，其中連接片用于導引雷電流通過電阻絲。電阻絲采用串聯或并聯結構，在電流的作用下產生熱量。電阻絲選擇線徑為0.8mm的鎳鉻電阻絲，長度為30cm。

3.2.4 熱膨脹介質及電子器件，能耐受各種氣候條件和惡劣環境，反應靈敏，穩定可靠，免維護。

4 結論

4.1 經濟效益分析

4.1.1 提高雷擊跳閘故障點查詢效率

雷電定位系統無法精確到某基桿塔，尋找故障點的勞動強度大，效率低，必要時需要人工登桿判斷；目前市場上現有的雷擊跳閘計數器分為電磁繼電器型和電子型兩種，需要較多的電子器件和電源，結構較為復雜，在輸電桿塔的應用中，環境較為復雜，且無法實現免維護，限制了其應用。綜合以上兩種實際情況，現有輸電桿塔領域的雷擊跳閘事故查詢效率底下，該裝置無需電源和電子器件，能夠適應輸電桿塔惡劣的使用環境，為雷擊跳閘故障點查詢提供有效的數據支撐。

4.1.2 雷擊跳閘事故的預判和提前預防

雷擊跳閘作為輸電線路維護中重要的故障，目前仍沒有有效的預判手段，該裝置無需電源和電子器件的特點能夠適應輸電桿塔的惡劣環境，使雷擊計數器能夠大范圍推廣應用，在此基礎之上，可對其記錄數據進行記錄和分析，對可能發生的雷擊跳閘故障點進行預判，并針對性地對該故障點的防雷接地措施進行整改，做到提前預防。

4.2 主要創新點

（1）利用雷電流流過電阻絲產生的熱效應直接轉換成機械效應，雷電流流過電阻絲產生的熱量，使熱膨脹介質溫升膨脹，推動活塞運動，活塞將力傳遞到撥桿，撥桿驅動計數器計數，實現雷擊計數的目的，無需電源，長期免維護。

（2）計算雷電流流過電阻絲產生的熱效應，每次雷擊電流波形及強度都會不同，在電阻絲中會產生不同的熱量，并在一定的空間中產生溫升。

[1]范 冕.輸電桿塔接地電阻的沖擊測量系統的研制[J].西華大學，2008（05）：23～24.

[2]李昆侖.雷電流在線監測裝置的設計[J].廣西師范大學，2013（04）：68～69.

[3]陳名銘.輸電線路桿塔接地極沖擊放電特性及接地降阻措施的研究[J].西南交通大學，2013（05）：89～90.

要求熱膨脹介質的熱膨脹系數應較高，且應具有穩定物理和化學性質，如空氣、氮氣、水、油等。

3.2.5 熱動機構

由腔道、活塞、撥桿構成，當熱膨脹介質通過腔道時，推動活塞運動，活塞推動撥桿撥動。其中腔道還包括擋桿和濾網，其中擋桿用于防止腔道中的活塞脫離腔道，濾網用于阻止外界異物進入腔道。腔道選擇內徑4mm長15mm的銅管，其中活塞選擇外徑4mm的銅球，在腔道中可自由移動。

3.2.6 計數器

計數器在撥桿的驅動下計數，每撥動一次，增加顯示數碼，代表增加一次雷擊計數。計數器選擇3位機械撥桿計數器。

本設計提供的雷電流記錄裝置原理結構簡單，無需電源

TM755

A

2095-2066（2016）32-0029-02

2016-11-3

李金戈（1984-），男，工程師，本科，主要從事送變電工程設計研究工作。