輸電線路雷擊架空地線斷線原因及防雷措施

付強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司商洛供電公司，陜西商洛 726000）

0 引言

架空地線是指用于在高壓線路，與大地聯(lián)通的導(dǎo)線，由于存在對(duì)導(dǎo)線屏蔽以及耦合作用，可以大幅度降低雷電直擊導(dǎo)線的概率。但也難以避免的會(huì)因雷擊造成線路跳閘。因此如何實(shí)現(xiàn)線路防雷成為現(xiàn)階段，眾多企業(yè)的研究重點(diǎn)，為此，筆者將以最常見的雷擊架空地線斷線作為研究對(duì)象，在分析故障原因的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性的預(yù)防措施。

1 案例分析

筆者將以國(guó)網(wǎng)陜西商洛供電公司線路作為研究對(duì)象，該公司共運(yùn)維127 條輸電線路，長(zhǎng)度達(dá)到2900km，線路走徑超過(guò)90%位于崇山峻嶺當(dāng)中，且輸電線路面寬、線廣，跨越地形環(huán)境較為復(fù)雜，山大溝深雷電混動(dòng)較為頻繁。一般情況下當(dāng)產(chǎn)生雷擊故障后，會(huì)造成架空地線斷線，通常位于懸垂線夾處。為了避免雷擊架空地線斷線的形成，該企業(yè)采用了雷電定位系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并在參考大量文獻(xiàn)后，將其總結(jié)為如下。

2 輸電線路雷擊架空地線斷線原因

2.1 雷電流熱效應(yīng)

雷電流熱效應(yīng)是指在雷電流經(jīng)過(guò)被雷擊的物體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，由于雷電流較大，且經(jīng)過(guò)時(shí)間較短，因此物體瞬間產(chǎn)生的熱無(wú)法及時(shí)發(fā)散，進(jìn)而造成物體水分迅速蒸發(fā)，使蒸汽快速膨脹，產(chǎn)生爆炸。在雷擊架空電線時(shí)，雷電通道溫度甚至一度達(dá)到上千攝氏度，即便對(duì)于架空地線導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，熱效應(yīng)程度偏低，但在與放電通道接觸的區(qū)域，足以產(chǎn)生熔化幾毫米金屬的高溫，此類現(xiàn)象也是造成架空地線無(wú)法有序斷股的直接原因。在分析時(shí)，可將其視作絕熱過(guò)程，并借助熱平衡公式計(jì)算溫升大小，即：

式中：i——短路電流；m——導(dǎo)體質(zhì)量；R0——雷擊點(diǎn)周邊的電弧電阻；c0——導(dǎo)體比熱容。

同時(shí)要注意，由于短路電流主要集中在電弧位置，而電弧作用點(diǎn)質(zhì)量較低，因此，引發(fā)的溫升往往較大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)查顯示，在使用50～100kA 的雷電波沖擊GJ50 鋼絞線的過(guò)程中，雖然沒(méi)有產(chǎn)生鋼絲熔斷的問(wèn)題，但也存在一定程度的燒傷，而在使用100kA 雷電波沖擊鋼絲的過(guò)程中，則只有鍍鋅層存在一定的損壞現(xiàn)象。由此可見，若單純依靠雷電流熱效應(yīng)無(wú)法準(zhǔn)確解釋雷擊導(dǎo)線斷線，但也可證明規(guī)格不同的鋼絲，導(dǎo)體比熱容與導(dǎo)體質(zhì)量存在較大差異性，相較于GJ50 鋼絞線來(lái)說(shuō)，細(xì)股鋼絞線更容易產(chǎn)生斷股問(wèn)題。

2.2 雷電流沖擊效應(yīng)

雷電流沖擊效應(yīng)是指在空氣中可傳播高達(dá)數(shù)萬(wàn)攝氏度的激波，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)便是一種極強(qiáng)的機(jī)械沖擊力。當(dāng)導(dǎo)地線受到雷擊時(shí)，機(jī)械沖擊波產(chǎn)生的沖量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)地線的承受極限，最終造成斷線。其沖量大小往往由短路電流的幅值高低所決定，并直接決定了導(dǎo)地線的實(shí)際狀態(tài)，具體的計(jì)算方法為：

2.3 工頻短路電流熱效應(yīng)

一般情況下，當(dāng)產(chǎn)生雷擊架空地線斷線時(shí)，伴隨絕緣子閃絡(luò)放電，是指在電場(chǎng)作用下，并未出現(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)擊穿，但表面接觸空氣時(shí)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。圖1 為絕緣子雷擊。因?yàn)榈鼐€系統(tǒng)本身的電阻遠(yuǎn)低于，斷線后被接地的桿塔阻抗，所以工頻續(xù)流會(huì)持續(xù)不斷地分流到架空地線。假設(shè)桿塔接地電阻為R1，地線電阻為R2，則可通過(guò)（R1×R2）1/2，推算出近45%的短路電流經(jīng)過(guò)雷擊點(diǎn)。同時(shí)還要注意，由于雷擊時(shí)，會(huì)造成架空地線溫升，也會(huì)進(jìn)一步提高電阻值，即便短路電流低于雷電流，但作用時(shí)間較長(zhǎng)，使最終能量超出雷電流能量，在增加雷擊點(diǎn)溫度的同時(shí)，也會(huì)加大斷線的可能性。

圖1 絕緣子雷擊

在分析過(guò)程中，需要預(yù)先計(jì)算短路電流熱穩(wěn)定數(shù)值，之后結(jié)合電阻溫度系數(shù)，確定不同架空地線的熱穩(wěn)定大小。例如，GJ25 鋼絞線每厘米長(zhǎng)度熱容量達(dá)到1J/K，每厘米長(zhǎng)度電阻達(dá)到5×10-5Ω；GJ50 鋼絞線每厘米長(zhǎng)度熱容量達(dá)到1.88J/K，每厘米長(zhǎng)度電阻達(dá)到2.8×10-5Ω；GJ100 鋼絞線每厘米長(zhǎng)度熱容量達(dá)到3.8J/K，每厘米長(zhǎng)度電阻達(dá)到1.4×10-5Ω。假設(shè)地線初始溫度為40°C，可通過(guò)計(jì)算得到在不同升溫條件下的地線熱穩(wěn)定數(shù)值。即：313K 溫度下，GJ25、GJ50、GJ100 鋼絞線在0.1s 時(shí)的電流分別為6150A、11430A、23300A；423K 溫度下，GJ25、GJ50、GJ100 鋼絞線在0.1s 時(shí)的電流分別為4700A、8700A、17800A；473K 溫 度 下，GJ25、GJ50、GJ100 鋼絞線在0.1s 時(shí)的電流分別為4100A、7500A、15400A。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，GJ25 鋼絞線的熱穩(wěn)定電流難以契合熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，尤其在雷電流作用下，熱穩(wěn)定數(shù)值更低。而對(duì)于GJ50 以及GJ100 來(lái)說(shuō)，同樣無(wú)法滿足實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，因此需要采用針對(duì)性的處理措施，最終可以確定，工頻短路電流熱效應(yīng)是引發(fā)雷擊架空地線斷線的原因之一。

2.4 架空地線張力作用

根據(jù)上述分析可知，無(wú)論是雷電流熱效應(yīng)，還是短路電流熱效應(yīng)，都會(huì)在一定程度上提高導(dǎo)線溫度，而在高溫條件下，架空地線本身的抗拉強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)大幅度衰減，對(duì)于鋼材來(lái)說(shuō)，熔化溫度大約在1550°C，在熱效應(yīng)以及抗拉性能削弱的共同影響下，必然會(huì)引發(fā)架空地線斷落[1]。

2.5 設(shè)計(jì)規(guī)程不夠合理

根據(jù)筆者實(shí)際調(diào)查顯示，我國(guó)在架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程中雖然明確提出了短路電流熱穩(wěn)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于雷電流+短路電流下的熱穩(wěn)定則缺少詳細(xì)解釋。一般情況下，在線路設(shè)計(jì)方面，需要充分考慮地線與導(dǎo)線的實(shí)際匹配情況，但許多人員往往會(huì)忽視地線的熱穩(wěn)定校驗(yàn)。除此之外，對(duì)于本次輸電線路來(lái)說(shuō)，造成斷線的雷電流，數(shù)值往往不到100kA，而作用時(shí)間也往往不超過(guò)100μs，至于工頻續(xù)流的數(shù)值基本與雷電流一致，作用時(shí)間在100～1000ms。由于作用時(shí)間更長(zhǎng)，因此產(chǎn)生的能量更高，此時(shí)可將其看做造成架空地線線夾位置斷線的主要原因之一。至于另一原因則表現(xiàn)為線夾與架空地線間的接觸電阻，當(dāng)電阻數(shù)值偏高，形成的能量也就越大，若線路本身的規(guī)格偏高，則會(huì)加大熱容量，從而進(jìn)一步增加溫升。通常來(lái)說(shuō)，接觸電阻的組成部分主要包括束流、表面膜電阻，當(dāng)處于高電壓環(huán)境下，后者極易出現(xiàn)破壞，因此在分析時(shí)可忽略不計(jì)。由束流電阻直接反映接觸電阻大小，并采用下述公式進(jìn)行計(jì)算。

由此可知，接觸電阻數(shù)值大小基本由線夾的構(gòu)造形式所決定，而在安裝時(shí)的緊固力也會(huì)在一定程度上對(duì)數(shù)值產(chǎn)生影響。對(duì)于本次輸電線路來(lái)說(shuō)，桿塔上采用的接頭螺栓扭矩在18～47Nm，尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。而利用回路法獲取接地電阻大小時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值大約在幾歐姆左右。究其原因在于，以往施工線路會(huì)采用鋁包帶，進(jìn)而造成接觸電阻數(shù)值偏高。至于懸垂線夾等金具在日常使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)電流導(dǎo)通，只有在出現(xiàn)異常故障時(shí)，才會(huì)導(dǎo)通短路電流。但在有關(guān)懸垂線夾的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，并未明確規(guī)定短路電流的電阻、溫升，這也是造成線夾位置出現(xiàn)斷線的原因之一[2]。

3 輸電線路防雷措施

3.1 預(yù)防雷擊永久性故障

（1）要避免雷擊絕緣子掉串，需要技術(shù)人員嚴(yán)把設(shè)計(jì)關(guān)，盡可能使用玻璃絕緣子，是指用于支持導(dǎo)線，并使其絕緣的器件，其優(yōu)勢(shì)在于表層機(jī)械強(qiáng)度極高，不易產(chǎn)生裂縫，且電氣強(qiáng)度能夠保持在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)改變，而老化過(guò)程也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于瓷件。同時(shí)，采用玻璃絕緣子可以進(jìn)一步取消運(yùn)行環(huán)節(jié)的預(yù)防性實(shí)驗(yàn)，究其原因在于，若鋼化玻璃損壞，必然會(huì)引發(fā)絕緣子損壞，很容易被運(yùn)行人員在巡線階段發(fā)現(xiàn)，且損壞絕緣子的剩余部分具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠避免絕緣子串?dāng)嗝摗D2 為鋼材機(jī)械強(qiáng)度在溫度變化下的表現(xiàn)。

圖2 鋼材機(jī)械強(qiáng)度在溫度變化下的表現(xiàn)

（2）要安裝引流線，如圖3 所示，用以提高分流，最大程度降低經(jīng)過(guò)懸垂線夾的電流，并同樣要把好設(shè)計(jì)關(guān)，在鋼絞線的選擇上，優(yōu)選采用GJ50 型號(hào)，禁止使用GJ35 以下的鋼絞線，從而保證架空地線具有極高的熱穩(wěn)定性。并合理使用金具，明確規(guī)定其熱穩(wěn)定指標(biāo)[3]。

圖3 安裝引流線

3.2 提高耐雷水平，減少雷擊

（1）需根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域，進(jìn)行耐雷水平的針對(duì)性強(qiáng)化，例如，在山區(qū)，雷擊形式更多的表現(xiàn)為繞擊雷擊，占比超過(guò)80%，可采用構(gòu)建防雷走廊的形式，降低雷擊。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，便是架設(shè)配網(wǎng)避雷線，實(shí)現(xiàn)引雷入地，采用鐵線制成，固定在電桿上，保證架空地線高度超過(guò)電桿頂端一定距離，使用鍍鋅鐵線架設(shè)，并焊接好引線，沿電桿接地，這樣也能確保避雷線對(duì)感應(yīng)雷起到一定的屏蔽效果。或是選擇減少接地電阻，具體操作為：更換土壤，選擇電阻率更低的土壤；添加降阻劑，在接地體表面涂抹電解質(zhì)或是導(dǎo)電物質(zhì)，用以大幅度提高接地體與土壤的接觸面積，達(dá)到分散電流的目的；使用水池，對(duì)于土壤電阻率相對(duì)較高的地區(qū)，可直接利用水井，憑借水電阻率較低的特性，減少接地電阻；延長(zhǎng)接地極，即利用多根鋼筋相互連接，打造接地極組；使用爆破接地技術(shù)，是指利用鉆孔機(jī)在地中垂直鉆出直徑為100mm 的孔，在孔內(nèi)設(shè)置接地極，之后依照一定距離放置炸藥，實(shí)施爆破作業(yè)，在巖石爆裂后，采用壓力機(jī)將調(diào)成漿狀的低電阻率材料壓入深孔，以及爆破產(chǎn)生的裂縫，從而達(dá)到將低電阻率材料下入土壤內(nèi)部的目的，促進(jìn)接地電極與土壤的接觸，實(shí)現(xiàn)接地電阻的大幅度削弱。對(duì)于平原、丘嶺地區(qū)來(lái)說(shuō)，則主要表現(xiàn)為反擊雷擊，更適合采用減少保護(hù)角的防雷措施，例如，對(duì)于500kV 高壓輸電線路來(lái)說(shuō)，要保證保護(hù)角始終低于-5°。或者加強(qiáng)絕緣，例如，采用金屬避雷針，使用有機(jī)硅、聚氨酯等防雷絕緣涂料[4]。

（2）要切實(shí)提高工程質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)新舊地網(wǎng)的多點(diǎn)連接，盡可能使用多閉環(huán)、垂直集中接地的形式，減少地網(wǎng)電感。搭配桿頭局部加強(qiáng)屏蔽的方式，提高雷擊應(yīng)對(duì)效果，若企業(yè)資金較為充足，對(duì)于雷擊概率較少的線路，可設(shè)置數(shù)量充足的線路避雷器，用于保護(hù)電氣設(shè)備免受高瞬態(tài)過(guò)電壓危害，能夠在一定程度上限制續(xù)流時(shí)間，也能有效控制續(xù)流幅值的電器。其應(yīng)用原理在于在系統(tǒng)工作電壓下，設(shè)備表現(xiàn)為高電阻狀態(tài)，只有微安級(jí)電流經(jīng)過(guò)。而在大電流作用下，設(shè)備則表現(xiàn)為低電阻，以此起到限制避雷器兩端殘壓的作用。在安裝避雷器時(shí)還要做好過(guò)電壓的約束，防止出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)，降低斷路器擊穿的概率，最大程度維護(hù)線路安全。此外，工作人員要充分考慮到，隨著系統(tǒng)容量的不斷提升，已建線路的接地短路容量逐漸無(wú)法滿足短路熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，為此應(yīng)及時(shí)校核架空地線的短路熱穩(wěn)定容量，并結(jié)合實(shí)際結(jié)果采取針對(duì)性的改造措施。最后，則要落實(shí)防雷評(píng)估，結(jié)合信息化技術(shù)、數(shù)字化設(shè)備，打造微觀化風(fēng)雷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制，結(jié)合評(píng)估結(jié)果，采取差異化防雷應(yīng)對(duì)。至于在人員管理方面，則要做好人員培訓(xùn)與教育，使其樹立良好的責(zé)任意識(shí)與安全意識(shí)，促進(jìn)其提升專業(yè)能力，做到有效應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，若條件允許，企業(yè)可結(jié)合VR 技術(shù)，打造虛擬情境，豐富人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最大程度降低安全事故的不良影響[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)以某地方城市的輸電線路作為研究對(duì)象，闡述電網(wǎng)線路故障特點(diǎn)，分析雷擊架空地線斷線原因，并提出一系列切實(shí)有效的防雷措施，包括把好設(shè)計(jì)關(guān)，更換玻璃絕緣子，安裝引流線，以此控制線路雷擊跳閘率，促進(jìn)電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。