周學明，李 健，朱昌成，史天如，張耀東

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 前言

架空地線斷線故障在全國范圍內多次發(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[1]介紹了廣東電網轄區(qū)內一起鳥害引發(fā)110 kV架空地線斷線故障的案例，文獻[2]介紹了湖南電網轄區(qū)內一起污閃引發(fā)110 kV架空地線斷線故障的案例，文獻[3]介紹了湖南電網轄區(qū)內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均有發(fā)生，文獻[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設施，其安全穩(wěn)定運行對輸電網和用戶至關重要。架空地線斷線故障輕則導致輸電線路發(fā)生永久性故障，重則引發(fā)其它方面的安全事故?！秶译娋W公司十八項電網重大反事故措施》（2012修訂版）針對防斷線事故專門提出了相關的反措要求，但架空地線斷線故障依然時有發(fā)生，因此，針對架空地線斷線特征，深入分析導致架空地線斷線的因素，對有效開展防地線斷線措施研究具有重要意義。

1 導致架空地線斷線的因素

1.1 導致地線損傷的因素

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）雷電流灼傷，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。曾有研究機構用29～57 kA的振蕩波（相當于48～95 kA 20/40 μm的雷電波）沖擊Φ1.8 mm股徑的GJ-50鋼絞線做熱效應試驗，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致地線出現斷股現象的；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生的電弧會導致地線外層出現局部灼傷。3）微風振動，架空電線受風的影響，經常出現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，經常會受到拉、彎曲和擠壓等靜態(tài)應力，因此該處易產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。

1.2 工頻短路電流的熱效應

雷擊、鳥害或者污閃等因素導致絕緣子閃絡后，由系統繼續(xù)提供能量，維持續(xù)流通道。地線-桿塔系統的阻抗遠小于桿塔-接地體系統阻抗（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-導線-地線-導線-系統通道形成環(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。

1.3 熱效應對地線機械強度的影響

工頻短路電流的熱效應會導致地線溫度上升，鋼絞線的機械強度隨著溫度的升高而下降，不同強度等級的鋼管鋼材機械強度隨溫度變化情況如圖1所示。

圖1 鋼材機械強度隨溫度變化情況Fig.1 The mechanical strength of steel changes by temperature

2 架空地線斷線案例分析

2.1 故障現場分析

2015年，某35 kV線路36開關相間距離二段保護動作，故障跳閘，重合閘不成功。經檢查，架空地線在42號桿塔懸垂線夾處發(fā)生斷線故障。通過登塔發(fā)現42號桿塔A相（中相）絕緣子和導線線夾處，及地線線夾處均有明顯灼燒痕跡；41號桿塔B相（上相）絕緣子和導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號最近。絕緣子閃絡痕跡如圖2所示。

圖2 絕緣子閃絡痕跡Fig.2 Flashover marks of insulator

斷點位于42號桿塔地線懸垂線夾靠近小號側，離并溝線夾約6 cm處。架空地線為GJ-35型號的鋼鉸線，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股的斷口呈現拉伸變形。地線懸垂線夾處斷口復原圖如圖3所示。

2.2 閃絡原因分析

經現場檢測，40號-43號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。故障時段，監(jiān)測到時間和地點最吻合的雷電流為-113.9 kA。-113.9 kA雷電流幅值較大，出現概率極低，通過計算，在湖北地區(qū)該雷電流出現概率約為0.1%。

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

結合現場閃絡痕跡，判斷為-113.9 kA雷電流擊中41號-42號檔距內地線，雷電流沿地線向兩端傳播，由于雷電流幅值極大，遠超該線路耐雷水平，導致兩端桿塔41號（B相）、42號（A相）絕緣子被擊穿。40號-43號段為獨立耐張段，40號-41號、41號-42號和42號-43號檔距分別為104 m、152 m和201 m，雷擊閃絡示意圖如圖4所示。

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

2.3 工頻續(xù)流通道分析

該35 kV線路電源側變壓器為三角形接線方式，為中性點不接地系統。雷擊造成41號B相和42號A相閃絡擊穿后，由系統繼續(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分別為系統等效電源，Za和Zb分別系統等效阻抗，Z01、Z12和Z22分別為檔距內地線的等效阻抗，Z40、Z41、Z42和Z43分別桿塔與對應接地體的等效阻抗。

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

由上式分析可知，I2與I1大小較為接近，即系統提供的絕大部分故障電流經由41號-42號檔距內的地線形成回路，即系統—A相導線—41號-42號檔距內的地線—B相導線—系統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，已運行超過20年，地線長期受微風振動作用，地線與懸垂線夾會產生相對運動，造成地線磨損，產生縫隙；該線路處于雷擊多發(fā)區(qū)，地線多次遭受雷電襲擊，雷電流會在懸垂線夾與地線縫隙間產生電弧，造成地線進一步灼傷；損傷后的地線與懸垂線夾連接會不緊密，造成地線與線夾之間的接觸電阻增大。

2）結合雷電監(jiān)測系統查詢結果，判斷為-113.9 kA雷電流擊中41號-42號檔距內地線，雷電反擊導致41號桿塔B相和42號桿塔A相均閃絡擊穿，造成雷擊閃絡故障。

3）雷擊造成閃絡后，由系統繼續(xù)提供能量，形成續(xù)流通道；系統—A相導線—41號-42號檔距內的地線—B相導線—系統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)點處發(fā)熱，另外因本次由距離二段啟動保護動作，故障切除時間較長（＞0.5 s），導致42號桿塔地線懸垂線夾處發(fā)熱更加嚴重，最終導致地線在42號桿塔地線懸垂線夾小號側出口處4股鋼絞線被熔斷，其余3根屈服強度下降，并在地線應力作用下被拉斷，造成地線脫落。

綜上分析，本次地線斷線原因為雷擊地線造成線路A、B兩相均閃絡擊穿，導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)時間較長，而且線路長期運行中42號塔地線懸垂線夾處地線產生一定的磨損，造成接觸電阻變大，在通過很大電流時造成42號地線線夾處嚴重發(fā)熱，致使4股鋼絞線被熔斷，其余3根屈服強度下降，并在地線應力作用下被拉斷，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，其重要原因為懸垂線夾處是應力集中點，懸垂線夾與地線間接觸電阻相對較大，通過工頻故障電流后發(fā)熱嚴重，導致部分鋼絞絲被熔斷，剩余鋼絞絲發(fā)熱后屈服強度下降，抗拉強度不足，導致拉斷。因此本文針對故障時，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

在懸垂線夾兩側加裝引流線時應注意兩方面的問題：1）引流線通過并溝線夾與地線緊密相連，并溝線夾應具有較好的機械強度；2）引流線應具有較高的導電性能，保證地線-引流線-桿塔系統電阻小于地線-懸垂線夾-桿塔系統電阻。

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

4 結論

1）地線斷線的主要原因為：地線在懸垂線夾處受磨損后接觸電阻增大，工頻故障電流會導致地線在懸垂線夾處發(fā)熱嚴重，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行檢查，查看地線在懸垂線夾處的磨損情況。

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