输电线路雷击架空地线断线原因及防雷措施

0引言架空地线是指用于在高压线路，与大地联通的导线，由于存在对导线屏蔽以及耦合作用，可以大幅度降低雷电直击导线的概率。但也难以避免的会因雷击造成线路跳闸。因此如何实现线路防雷成为现阶段，众多企业的研究重点，为此，笔者将以最常见的雷击架空地线断线作为研究对象，在分析故障原因的基础上，提出针对性的预防措施。1案例分析笔者将以国网陕西商洛供电公司线路作为研究对象，该公司共运维127条输电线路，长度达到2900km，线路走径超过90%位于崇山峻岭当中，且输电线路面宽、线广，跨越地形环境较为复杂，山大沟深雷电混动较为频繁。一般情况下当产生雷击故障后，会造成架空地线断线，通常位于悬垂线夹处。为了避免雷击架空地线断线的形成，该企业采用了雷电定位系统，用于数据的统计分析，并在参考大量文献后，将其总结为如下。2输电线路雷击架空地线断线原因2.1雷电流热效应雷电流热效应是指在雷电流经过被雷击的物体时，会出现发热现象，由于雷电流较大，且经过时间较短，因此物体瞬间产生的热无法及时发散，进而造成物体水分迅速蒸发，使蒸汽快速膨胀，产生爆炸。在雷击架空电线时，雷电通道温度甚至一度达到上千摄氏度，即便对于架空地线导体来说，热效应程度偏低，但在与放电通道接触的区域，足以产生熔化几毫米金属的高温，此类现象也是造成架空地线无法有序断股的直接原因。在分析时，可将其视作绝热过程，并借助热平衡公式计算温升大小，即：式中：i——短路电流；m——导体质量；R0——雷击点周边的电弧电阻；c0——导体比热容。同时要注意，由于短路电流主要集中在电弧位置，而电弧作用点质量较低，因此，引发的温升往往较大。根据实验调查显示，在使用50～100kA的雷电波冲击GJ50钢绞线的过程中，虽然没有产生钢丝熔断的问题，但也存在一定程度的烧伤，而在使用100kA雷电波冲击钢丝的过程中，则只有镀锌层存在一定的损坏现象。由此可见，若单纯依靠雷电流热效应无法准确解释雷击导线断线，但也可证明规格不同的钢丝，导体比热容与导体质量存在较大差异性，相较于GJ50钢绞线来说，细股钢绞线更容易产生断股问题。2.2雷电流冲击效应雷电流冲击效应是指在空气中可传播高达数万摄氏度的激波，简单来说便是一种极强的机械冲击力。当导地线受到雷击时，机械冲击波产生的冲量远远高于导地线的承受极限，最终造成断线。其冲量大小往往由短路电流的幅值高低所决定，并直接决定了导地线的实际状态，具体的计算方法为：2.3工频短路电流热效应一般情况下，当产生雷击架空地线断线时，伴随绝缘子闪络放电，是指在电场作用下，并未出现绝缘结构击穿，但表面接触空气时产生放电现象。图1为绝缘子雷击。因为地线系统本身的电阻远低于，断线后被接地的杆塔阻抗，所以工频续流会持续不断地分流到架空地线。假设杆塔接地电阻为R1，地线电阻为R2，则可通过（R1×R2）1/2，推算出近45%的短路电流经过雷击点。同时还要注意，由于雷击时，会造成架空地线温升，也会进一步提高电阻值，即便短路电流低于雷电流，但作用时间较长，使最终能量超出雷电流能量，在增加雷击点温度的同时，也会加大断线的可能性。图1绝缘子雷击在分析过程中，需要预先计算短路电流热稳定数值，之后结合电阻温度系数，确定不同架空地线的热稳定大小。例如，GJ25钢绞线每厘米长度热容量达到1J/K，每厘米长度电阻达到5×10-5Ω；GJ50钢绞线每厘米长度热容量达到1.88J/K，每厘米长度电阻达到2.8×10-5Ω；GJ100钢绞线每厘米长度热容量达到3.8J/K，每厘米长度电阻达到1.4×10-5Ω。假设地线初始温度为40°C，可通过计算得到在不同升温条件下的地线热稳定数值。即：313K温度下，GJ25、GJ50、GJ100钢绞线在0.1s时的电流分别为6150A、11430A、23300A；423K温度下，GJ25、GJ50、GJ100钢绞线在0.1s时的电流分别为4700A、8700A、17800A；473K温度下，GJ25、GJ50、GJ100钢绞线在0.1s时的电流分别为4100A、7500A、15400A。根据计算结果显示，GJ25钢绞线的热稳定电流难以契合热稳定标准，尤其在雷电流作用下，热稳定数值更低。而对于GJ50以及GJ100来说，同样无法满足实际标准，因此需要采用针对性的处理措施，最终可以确定，工频短路电流热效应是引发雷击架空地线断线的原因之一。2.4架空地线张力作用根据上述分析可知，无论是雷电流热效应，还是短路电流热效应，都会在一定程度上提高导线温度，而在高温条件下，架空地线本身的抗拉强度也会出现大幅度衰减，对于钢材来说，熔化温度大约在1550°C，在热效应以及抗拉性能削弱的共同影响下，必然会引发架空地线断落[1]。2.5设计规程不够合理根据笔者实际调查显示，我国在架空送电线路设计技术规程中虽然明确提出了短路电流热稳定的相关标准，但对于雷电流+短路电流下的热稳定则缺少详细解释。一般情况下，在线路设计方面，需要充分考虑地线与导线的实际匹配情况，但许多人员往往会忽视地线的热稳定校验。除此之外，对于本次输电线路来说，造成断线的雷电流，数值往往不到100kA，而作用时间也往往不超过100μs，至于工频续流的数值基本与雷电流一致，作用时间在100～1000ms。由于作用时间更长，因此产生的能量更高，此时可将其看做造成架空地线线夹位置断线的主要原因之一。至于另一原因则表现为线夹与架空地线间的接触电阻，当电阻数值偏高，形成的能量也就越大，若线路本身的规格偏高，则会加大热容量，从而进一步增加温升。通常来说，接触电阻的组成部分主要包括束流、表面膜电阻，当处于高电压环境下，后者极易出现破坏，因此在分析时可忽略不计。由束流电阻直接反映接触电阻大小，并采用下述公式进行计算。由此可知，接触电阻数值大小基本由线夹的构造形式所决定，而在安装时的紧固力也会在一定程度上对数值产生影响。对于本次输电线路来说，杆塔上采用的接头螺栓扭矩在18～47Nm，尚未达到标准值。而利用回路法获取接地电阻大小时，发现数值大约在几欧姆左右。究其原因在于，以往施工线路会采用铝包带，进而造成接触电阻数值偏高。至于悬垂线夹等金具在日常使用时不会出现电流导通，只有在出现异常故障时，才会导通短路电流。但在有关悬垂线夹的国家标准中，并未明确规定短路电流的电阻、温升，这也是造成线夹位置出现断线的原因之一[2]。3输电线路防雷措施3.1预防雷击永久性故障（1）要避免雷击绝缘子掉串，需要技术人员严把设计关，尽可能使用玻璃绝缘子，是指用于支持导线，并使其绝缘的器件，其优势在于表层机械强度极高，不易产生裂缝，且电气强度能够保持在整个运行周期内不会出现改变，而老化过程也要远远慢于瓷件。同时，采用玻璃绝缘子可以进一步取消运行环节的预防性实验，究其原因在于，若钢化玻璃损坏，必然会引发绝缘子损坏，很容易被运行人员在巡线阶段发现，且损坏绝缘子的剩余部分具有足够的机械强度，能够避免绝缘子串断脱。图2为钢材机械强度在温度变化下的表现。图2钢材机械强度在温度变化下的表现（2）要安装引流线，如图3所示，用以提高分流，最大程度降低经过悬垂线夹的电流，并同样要把好设计关，在钢绞线的选择上，优选采用GJ50型号，禁止使用GJ35以下的钢绞线，从而保证架空地线具有极高的热稳定性。并合理使用金具，明确规定其热稳定指标[3]。图3安装引流线3.2提高耐雷水平，减少雷击（1）需根据项目所在区域，进行耐雷水平的针对性强化，例如，在山区，雷击形式更多的表现为绕击雷击，占比超过80%，可采用构建防雷走廊的形式，降低雷击。简单来说，便是架设配网避雷线，实现引雷入地，采用铁线制成，固定在电杆上，保证架空地线高度超过电杆顶端一定距离，使用镀锌铁线架设，并焊接好引线，沿电杆接地，这样也能确保避雷线对感应雷起到一定的屏蔽效果。或是选择减少接地电阻，具体操作为：更换土壤，选择电阻率更低的土壤；添加降阻剂，在接地体表面涂抹电解质或是导电物质，用以大幅度提高接地体与土壤的接触面积，达到分散电流的目的；使用水池，对于土壤电阻率相对较高的地区，可直接利用水井，凭借水电阻率较低的特性，减少接地电阻；延长接地极，即利用多根钢筋相互连接，打造接地极组；使用爆破接地技术，是指利用钻孔机在地中垂直钻出直径为100mm的孔，在孔内设置接地极，之后依照一定距离放置炸药，实施爆破作业，在岩石爆裂后，采用压力机将调成浆状的低电阻率材料压入深孔，以及爆破产生的裂缝，从而达到将低电阻率材料下入土壤内部的目的，促进接地电极与土壤的接触，实现接地电阻的大幅度削弱。对于平原、丘岭地区来说，则主要表现为反击雷击，更适合采用减少保护角的防雷措施，例如，对于500kV高压输电线路来说，要保证保护角始终低于-5°。或者加强绝缘，例如，采用金属避雷针，使用有机硅、聚氨酯等防雷绝缘涂料[4]。（2）要切实提高工程质量，实现新旧地网的多点连接，尽可能使用多闭环、垂直集中接地的形式，减少地网电感。搭配杆头局部加强屏蔽的方式，提高雷击应对效果，若企业资金较为充足，对于雷击概率较少的线路，可设置数量充足的线路避雷器，用于保护电气设备免受高瞬态过电压危害，能够在一定程度上限制续流时间，也能有效控制续流幅值的电器。其应用原理在于在系统工作电压下，设备表现为高电阻状态，只有微安级电流经过。而在大电流作用下，设备则表现为低电阻，以此起到限制避雷器两端残压的作用。在安装避雷器时还要做好过电压的约束，防止出现绝缘子闪络，降低断路器击穿的概率，最大程度维护线路安全。此外，工作人员要充分考虑到，随着系统容量的不断提升，已建线路的接地短路容量逐渐无法满足短路热稳定标准，为此应及时校核架空地线的短路热稳定容量，并结合实际结果采取针对性的改造措施。最后，则要落实防雷评估，结合信息化技术、数字化设备，打造微观化风雷风险评估机制，结合评估结果，采取差异化防雷应对。至于在人员管理方面，则要做