輸電線路地線斷落原因分析及改進措施

林滿波

摘要：地線斷線事故極易導致同塔多回線路同時跳閘，嚴重威脅電網(wǎng)安全，本文針對目前發(fā)生的地線斷落事故事件從日常運行地線損傷及斷線機理兩方面展開原因分析，同時根據(jù)耐張段和懸垂段不同的金具連接方式，設計和安裝不同的裝置來降低地線斷線風險，保障輸電線路安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：地線;斷線;懸垂;耐張;防掉線

1. 引言

近年來，地線斷線在各個供電局時有發(fā)生。地線斷線的后果是很嚴重的，特別是現(xiàn)在輸電線路已經(jīng)大部分是多回同塔，同時跳閘造成大面積停電事故，且損傷導線，修復時間往往要一兩天，耗時長，費用大，是當下威脅電網(wǎng)安全的最大隱患之一[1]。

目前，根據(jù)設備運行年限和反措要求更換的地線已達1000kM量級，地線更換涉及同塔多回線路安排約一周的同時停電，將造成大量用戶錯峰停電，極大的增加了電網(wǎng)的運行風險。施工期間需要全線架設大量的交叉跨越公路、鐵路、管線等措施和青苗賠償工作，需要投入巨大的人力和財力。

因此，針對目前發(fā)生的地線斷落事故事件展開原因分析，同時根據(jù)耐張段和懸垂段不同的金具連接方式，設計和安裝不同的裝置來降低地線斷線風險，延長地線壽命，將獲得良好的經(jīng)濟和社會效益。

2. 故障原因分析

正常運行過程中，導致架空地線損傷的因素通常有三種：

（1）地線銹蝕，長時間的運行不可避免地產(chǎn)生地線銹蝕，在污染嚴重的地區(qū)，地線銹蝕會更加嚴重，甚至可直接導致地線機械強度下降，直至拉斷。

（2）雷電流或者工頻短路電流的熱效應。雷電流雖然幅值較大，但作用時間極短，能量小，通常不能直接導致地線斷線，但集中的瞬時能量可造成鋼絲灼傷。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)生的電弧會導致地線外層出現(xiàn)局部灼傷[2]。

雷擊、鳥害或者污閃等因素導致絕緣子閃絡后，由系統(tǒng)繼續(xù)提供能量，維持續(xù)流通道[3]。地線-桿塔系統(tǒng)的阻抗遠小于桿塔-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，工頻故障電流會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，工頻故障電流主要沿系統(tǒng)-導線-地線-導線-系統(tǒng)通道形成環(huán)流。故障時，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較大，因此在線夾處發(fā)熱最為嚴重。

（3）微風振動，架空電線受風的影響，經(jīng)常出現(xiàn)的是均勻低速下的微風振動，個別覆冰情況下的舞動，當分裂導線加間隔棒時有時會在次檔距振蕩，其中微風振動最為常見，危害性更為普遍。架空電線的微風振動常以駐波型式表示，一定頻率下的振蕩波在波節(jié)點僅有角位移，且在電線位置上不變，檔距兩端電線懸掛點相對各種頻率的振蕩波均為波節(jié)點，受線夾約束使電線不能自由移動，是應力集中點，經(jīng)常會受到拉、彎曲和擠壓等靜態(tài)應力，因此該處易產(chǎn)生電線材料的疲勞斷股等損傷。另外，當線夾與電線壓接不夠緊密時，線夾與電線間會產(chǎn)生相對運動致使電線磨損，亦導致線夾與電線之間的接觸電阻增大。

對于地線斷線斷股位置，絕大多數(shù)情況均發(fā)生在懸垂線夾處及其附近，斷線斷股的斷口經(jīng)分析均有熔斷的跡象。進一步分析得出：雷電流雖然幅值較大，但作用時間極短，能量小，通常不能直接導致地線斷線，其集中的瞬時能量能造成鋼絲灼傷。地線斷線斷股的原因主要歸結(jié)于工頻短路電流的熱效應[4]。

目前在國內(nèi)，對于避雷線懸垂串斷線的機理及防范措施研究更多的是偏向于案例分析，直接全面的研究在國內(nèi)未見報道。在案例分析中，也主要從以下兩個方面進行簡單分析：一是地線斷線斷股機理，二是相應的防范措施。

地線斷線斷股的原因有多種（包括雷擊，鳥害等）。在眾多國內(nèi)相關文獻中提到，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。而且其中主要原因均指向于工頻續(xù)流的熱效應：在懸垂線夾端口及附近接觸電阻較大，在工頻續(xù)流的作用下發(fā)熱嚴重[5，6]。不過目前國內(nèi)對于該方面的研究更多的是定性非系統(tǒng)的分析，甚少為定量全面性的研究。

除了工頻短路電流熱穩(wěn)定計算之外，部分文獻中還提及，對于工頻短路電流需要考慮避雷線的分流作用：雷擊架空地線斷線的同時幾乎伴隨著絕緣子閃絡放電，由于地線—桿塔系統(tǒng)的阻抗（電阻）遠小于被雷擊放電接地的桿塔的阻抗，因此，在雷擊放電接地的桿塔，大部分的工頻續(xù)流分流到架空地線上。這一部分的分析確定了工頻短路電流流經(jīng)的通道，進一步驗證預絞絲金具（預絞絲）與地線接觸部分因工頻續(xù)流發(fā)熱而導致斷線斷股事故的發(fā)生。

3. 防地線掉落裝置研制及應用

3.1耐張串地線防掉線裝置研究

對于架空輸電線路耐張串來說，早期建設時耐張串地線常選用GJ50、GJ70等截面積較小的地線，且金具連接常選用楔形線夾，然后采用兩根鋼絲綁扎，地線與桿塔之間依靠金具實現(xiàn)電氣連接。此種連接在地線運行達到一定年限后，由于地線腐蝕以及微風振動等因素導致的地線斷股斷線風險大大增加。另外，當?shù)鼐€發(fā)生了一定程度的銹蝕（甚至于基本沒有銹蝕時），楔形線夾和地線接觸處的接觸電阻相比于壓接或者預絞式連接方式都會大大增加。

針對耐張串地線主要從楔形線夾處斷線的現(xiàn)狀，我們可以設計一套后備保護裝置安裝在耐張串地線上，在地線正常運行時，此套裝置并不受力，一旦老舊地線在楔形線夾附近發(fā)生斷線后，此套加固裝置即可處于受力狀態(tài)拉住地線防止出現(xiàn)地線斷線、掉線狀況，從而避免產(chǎn)生更嚴重的事故和社會影響，大幅延長了地線的壽命，也節(jié)約了改造更換老舊地線需要投入的大量人力物力。根據(jù)南網(wǎng)的反事故措施要求，這種后備保護的金具連接方式可以選擇為預絞式金具連接。因此，我們可以稱呼這套裝置為預絞式耐張線夾，裝置如圖1所示。

此外，由于現(xiàn)有鐵塔地線橫擔處無多余的掛孔，所以需在每基桿塔增加地線掛板。而地線掛板的位置和耐張串偏轉(zhuǎn)的角度有關。對于地線往鐵塔中心外偏角度不超過30°的情況，增加掛點位置如圖2所示，對于地線往鐵塔中心外偏角度大于30°的情況，增加掛點的位置就在沿鐵塔中心線的橫擔上（圖2中的120橫擔）。目前該裝置已在東莞供電局110kV北金甲南線N2耐張塔上試用，如圖3所示。

3.2懸垂串地線防掉線裝置研究

相比于耐張串而言，懸垂串地線發(fā)生斷線的幾率要更高。事實上，據(jù)不完全統(tǒng)計，80%以上的避雷線斷線發(fā)生在懸垂線夾處，觀察到斷口有熔斷特征。打開懸垂線夾檢查，時有發(fā)現(xiàn)存在熔斷斷股現(xiàn)象。在項目背景中，我們已經(jīng)提過在三相不平衡運行、單相短路、相間短路、雷電沖擊的運行條件下，地線易處于長期高負荷運行狀態(tài)，而交流電流的趨膚效應使電流集中在端口附件，而懸垂線夾與地線處由于地線銹蝕、接觸不良等因素導致接觸電阻較大，所以在懸垂線夾處容易產(chǎn)生電弧，造成地線斷股甚至斷線。

根據(jù)懸垂串地線受力機理，GJ50老舊懸垂段地線上安裝懸垂雙保險。第一層保險為預絞式護線條，根據(jù)護線條與地線的接觸電阻要小于帶磨砂預絞絲，所以用護線條來進行機械加固;第二層保險為預絞式引流條，通過在第一層保護上加裝預絞式引流條，把可能出現(xiàn)的雷電流或工頻短路電流通過其引到塔身，提高地線的耐雷水平，通過這種方式可以避免加裝引流線帶來的金具連接處可能發(fā)熱的問題。通過以上兩層加固大大延長了懸垂段地線的壽命。目前該裝置已在東莞供電局110kV北金甲南線N3直線塔上試用，如圖5所示。

4.總結(jié)與展望

本論文主要內(nèi)容是基于預絞絲線夾加固的架空地線防掉線研究。主要完成了以下方面的工作：

（1）統(tǒng)計了歷年來的地線掉線事故，總結(jié)斷線的位置，并對斷線的機理進行系統(tǒng)、全面的分析;

（2）完成了預絞式耐張線夾的設計，通過后備保護的方式降低耐張串地線從楔形線夾處斷線的風險;

（3）通過分析地線在預絞絲端口斷線的原因，并采取相應改進措施決定采用懸垂雙保險的方式來降低懸垂串斷線風險。

參考文獻：

[1] 尹創(chuàng)榮[1]， 徐征[2]. 110kV景沙甲乙線雙地線斷落原因分析及對策[J]. 廣東電力， 2015， 28（1）：72-75.

[2] 張忠豪， 劉偉亮. 110kV大松線地線斷落原因分析及對策[J]. 科技視界， 2017（9）：321-321.

[3] 楊挺， 蔡柏林. 鳥害引起輸電線路地線斷線的原因分析及對策[J]. 廣東電力， 2006， 19（12）：72-75.

[4] 王銳，彭向陽，梁永純.一起因雷擊造成的220 kV架空地線斷線故障分析[J].廣東電力，2019，32（04）：106-111.

[5] 李海. 輸電線路雷擊架空地線斷線原因探析[J]. 中國高新技術企業(yè)， 2016（12）：133-134.

[6] 謝億，劉純，陳紅冬，牟申周.輸電線路斷線原因分析及應對措施[J].內(nèi)蒙古電力技術，2012，30（05）：114-116.