王祥祥

（中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000）

在電力系統(tǒng)中架空地線是架設(shè)在輸電線路上方，為避免輸電線路遭受直接雷擊而鋪設(shè)的線路，架空地線也就是我們通常所說的避雷線。為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，最大層度減小雷電對輸電線路正常運行的影響，我國相關(guān)規(guī)程規(guī)定110kV級以上高壓輸電線路應(yīng)全線架設(shè)雙地線[1]。在電力系統(tǒng)中，500kV及以上電壓等級的高壓輸電線路架空地線架設(shè)方式主要有三種，即直接接地、絕緣以及分段絕緣架設(shè)方式。天平線雙地線架設(shè)方式采用分段絕緣單點接地方式，即部分直線塔左右架空地線掛點直接接地，所有耐張塔架空地線連接方式均采用調(diào)整板代替絕緣子連接，也是直接接地。在2019年10月和2020年3月開展直升機巡視作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的部分直接接地掛點金具出現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象，達到緊急缺陷級別，嚴重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。本文對天平線地線掛點金具發(fā)熱及磨損的詳細分析可為同類型輸電線路運維方式將提供參考。

1 線路基本情況

天平線于1993年1月投產(chǎn)，是西電東送南通道第一、二回線路，西起天生橋一級電站，東至500kV平果變電站，線路所經(jīng)地形環(huán)境復(fù)雜，山地地形占90%以上。天平線直線塔采用貓頭塔型，耐張塔采用干字型塔，直線塔占全線92%，直線小轉(zhuǎn)角塔占42%，該條線路架空地線全線采用AACSR-97型的良導(dǎo)體鋁合金鋼絞線，至今為止已經(jīng)服役近30年，屬于老舊的輸電線路。

2 掛點金具發(fā)熱情況

南方電網(wǎng)超高壓輸電公司百色局在2019年10月和2020年3月開展直升機巡視作業(yè)中發(fā)現(xiàn)500kV天平線315號、350號、408號桿塔左右架空地線掛點金具出現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱點最高溫度達81.2℃（見圖1），與正常運行的掛點金具溫度之差均大于40℃。根據(jù)中國南方電網(wǎng)公司輸電設(shè)備缺陷定級標準（運行分冊）2015版的規(guī)定，以上3處發(fā)熱均屬于緊急缺陷，需立即進行消缺處理，在進行緊急消缺處理過程中，運維人員又發(fā)現(xiàn)U型環(huán)、直角掛環(huán)、連接螺桿均出現(xiàn)不同程度的磨損現(xiàn)象。

圖1 小轉(zhuǎn)角塔地線掛點金具局部過熱

3 掛點金具發(fā)熱、腐蝕原因分析

3.1 發(fā)熱原因分析

3.1.1 發(fā)熱機理

①根據(jù)《電力金具通用技術(shù)條件》（GB2314-2008）的要求以及線路運行經(jīng)驗來看，線路金具作為線路非主要載流設(shè)備一般不會產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，所有元件均應(yīng)無磁滯損失。所有承受電氣負荷的金具，其載流量應(yīng)不小于被安裝導(dǎo)線的載流量，即連接金具的溫度應(yīng)與導(dǎo)線相同或比它小[6]。當金具磨損截面積變小時，其載流量會小于原來不磨損的載流量，架空地線與桿塔直接連接，地線上感應(yīng)電流全部通過掛點金具泄入大地，而小轉(zhuǎn)角掛點金具張力較大，在微風振動的作用下，U型環(huán)和直角掛環(huán)弧口間接觸面在做無規(guī)律變化，同時接觸電阻大小也在不斷變化，久而久之，感應(yīng)電壓在金具磨損處產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，放電的能量使連接金具電弧灼傷。電弧放電是一種很特殊的自持放電，電弧放電的電流密度很大，在高溫、強電場條件（強感應(yīng)電壓）下較容易引發(fā)電弧放電。根據(jù)焦耳定律可知，較大感應(yīng)電流產(chǎn)生時，通過電阻值大的金具會發(fā)熱，當電流、電阻越大時焦耳熱能越大，與電弧放電熱量疊加會造成掛點金具局部發(fā)熱。

圖2 小轉(zhuǎn)角塔架空地線直接接地掛點金具

②掛點金具長期處于發(fā)熱狀態(tài)下時，金具內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生細微變化，結(jié)構(gòu)變化更易造成金具接觸點之間磨損，因而電弧放電會更加強烈。

3.1.2 發(fā)熱原因類型

500kV天平I線小轉(zhuǎn)角塔其地線通過U型環(huán)、直角掛環(huán)、平行掛板、懸垂線夾等金具連接直接接地（見圖2）。發(fā)現(xiàn)掛點金具發(fā)熱緊急缺陷后，立即對小轉(zhuǎn)角直接接地的桿塔進行排查，發(fā)現(xiàn)掛點金具出現(xiàn)了嚴重銹蝕、且個別金具嚴重磨損的現(xiàn)象（見表1）。經(jīng)現(xiàn)場初步判定，掛點金具發(fā)熱原因為金具磨損、銹蝕氧化產(chǎn)生不導(dǎo)電產(chǎn)物導(dǎo)致接觸電阻值增大，電流通過時產(chǎn)生一定的焦耳熱量。

根據(jù)紅外測溫分析，金具發(fā)熱不是太陽光直射所致，在運行的高壓輸電線路中架空地線存在感應(yīng)電動勢，架空地線通過金具與大地連接形成回路。由于地線與桿塔連接的金具張力很小，在外部環(huán)境的影響下地線發(fā)生熱脹冷縮，造成地線松弛或張力過大，長時間運行并在風力作用下發(fā)生不規(guī)則擺動以及日曬雨淋影響，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，掛點金具因承受著拉伸、扭曲、剪切等垂直荷載和水平荷載的作用逐漸磨損、生銹、接觸電阻增大，地線感應(yīng)電流大小也不斷變化，當感應(yīng)電流較大時使溫度升高加快；由于感應(yīng)電流的作用，當金具連接處的電阻較大，該電流通過時產(chǎn)生焦耳熱。同時，在掛點金具兩端也會存在一定的電壓差，當該電壓達到其電暈放電時，不光滑的金具表面將會發(fā)生連續(xù)的電暈放電，從而造成金具局部持續(xù)過熱[3]。

表1 小轉(zhuǎn)角塔地線掛點金具銹蝕磨損情況

3.1.2.1 地線感應(yīng)電壓的存在

①高壓輸電線路正常送電時，架空地線中會受到三相電流的電磁感應(yīng)而出現(xiàn)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。

②高壓輸電線路交叉跨越或穿越其他帶電線路時以及與其他線路平行同走廊走線時也會對地線產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

③雙回不同塔線路中部分桿塔共用接地網(wǎng)時會使得該處桿段架空地線感應(yīng)電動勢加大。

3.1.2.2 分段絕緣形成多個電路回路

①在大電磁環(huán)境中分段絕緣區(qū)段內(nèi)構(gòu)成一個完整的小電流回路，也就是地線通過直接接地掛點金具與鐵塔和大地相連形成回路（見圖3）。在回路中直接接地掛點金具相當于電阻元件（用符號R表示），即R1和R2，通過絕緣子連接的絕緣部分相當于電容元件，用符號C1、C2、 C3...表示，并聯(lián)在電路中，在分段內(nèi)地線絕緣架設(shè)的桿塔越多等效并聯(lián)的電容越多，在電磁環(huán)境的作用下導(dǎo)線對架空地線的感應(yīng)電壓會變大，即電壓容性補償。

圖3 分段絕緣架設(shè)方式形成電流回路

②在線路運行時以及掛點金具完好無損的情況下感應(yīng)電流很小，再者掛點金具與大地良好連接，不至于使金具發(fā)熱。

3.1.2.3 感應(yīng)電壓大

500kV天平I線起于天生橋一級電站，止于500kV平果變電站，線路總長400多千米，全線鐵塔較矮，與500kV天平Ⅱ線平行且同一走廊，兩條線路最近點不足20m，兩條線路存在共地網(wǎng)的情況，在線路高負荷運行時導(dǎo)線對各自架空地線會相互感應(yīng)出較大的感應(yīng)電動勢。在電網(wǎng)建設(shè)不斷發(fā)展的過程中，至今天平I線整條線路與其他帶電線路存在多處交叉跨越現(xiàn)象，據(jù)了解，該線路被特高壓±800kV楚穗直流、±500kV金中直流線跨越以及其跨越多條110kV、220kV輸電線路，部分交叉線路情況 見表2。

表2 交叉跨越線路情況

正常情況下，500kV線路靜電感應(yīng)電壓大約在50kV～60kV之間[4]，但在與其他帶電線路交叉跨越并與其他線路共用地網(wǎng)時，地線上感應(yīng)電會大大增加，高負荷運行時即達到金具電暈放電時所需電壓。

3.2 磨損原因分析

3.2.1 受不平衡作用力影響

圖4 直角掛環(huán)弧口銹蝕磨損導(dǎo)致截面積減小

圖5 連接螺桿銹蝕磨損導(dǎo)致截面積減小

圖6 U型環(huán)一側(cè)銹蝕磨損導(dǎo)致厚度變小

對于直接接地的小轉(zhuǎn)角桿塔架空地線張力會比較大，500kV天平Ⅰ線采用AACSR-97型鋁合金鋼絞線，計算重量為707.3kg/km。小轉(zhuǎn)角塔掛點除了受到地線本身的重力外，還受到向前的牽引力、張力以及向左或向右的剪應(yīng)力，在三個力的共同作用下，當掛點金具在大小風力且方向不同的反復(fù)作用下，金具接觸點慢慢地會發(fā)生輕微磨損，磨損的地方很快會被氧化掉并產(chǎn)生不導(dǎo)電的化學產(chǎn)物，然而作用力在掛點處永遠不會變得均勻或消停，長時間的磨損氧化下掛點金具截面積逐漸變小，而氧化物越來越多，進而導(dǎo)致電阻值增大。掛點金具磨損情況見圖4、5、6。

3.2.2 受化學物質(zhì)影響

掛點金具常年暴露于空氣之中，經(jīng)常受到各種腐蝕性氣體的侵蝕。隨著輸電線路沿線工業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)生硫化物的工業(yè)企業(yè)越來越多，而硫元素是腐蝕鍍鋅層的罪魁禍首。天平線雖然大部分桿塔處于山區(qū)，但空氣中的硫分子隨著風力作用到處飄散，產(chǎn)生酸雨，慢慢的金具表面就會發(fā)生鍍鋅層的溶解反應(yīng)，直接接地的架空地線掛點金具因為有小感應(yīng)電流流過，在雨水作用下發(fā)生電化學反應(yīng)，經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)過程產(chǎn)生硫酸鋅，使鍍鋅層完全消化掉，鐵質(zhì)或鋼制金具沒有保護層保護會加速腐蝕。同時，金具本身獨有的特性，使其正常情況下腐蝕速度也會快于塔材和導(dǎo)線。第一，金具的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，其單位質(zhì)量的比表面積較大，存在較多邊角和孔隙結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生縫隙腐蝕和接觸腐蝕兩種局部腐蝕形態(tài)，從邊角縫隙處引發(fā)腐蝕；第二，金具一般承受較大拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下，金屬將比靜止狀態(tài)更容易腐蝕，因為應(yīng)力增大了鍍鋅層表面的破壞程度，使表面產(chǎn)生的裂紋擴展且增多，表面破壞程度變大，腐蝕介質(zhì)更容易進入鍍鋅層[5]。

4 解決措施

4.1 安裝地線引流線，由引流導(dǎo)流。采用與地線同型號的良好導(dǎo)體制成引流線安裝于架空地線支架左右兩側(cè)，通過并溝線夾使得引流線與地線穩(wěn)固連接，接地端直接通過螺栓緊固與塔材。對于緊急發(fā)熱缺陷必須緊急處理，采用帶電安裝方式進行（見圖7）。

圖7 安裝接地引流線

4.2 對嚴重銹蝕、磨損嚴重的掛點金具進行帶電更換，要使用高強度、導(dǎo)電良好的金具材料。對于輕微銹蝕輕微磨損的金具可等到線路停電檢修時進行更換，并作好記錄。

4.3 對防銹層脫離的金具要進行防銹噴漆處理，防止金具因日曬、雨淋、粉塵及化學活性氣體的侵蝕而發(fā)生氧化。

4.4 利用每年大修技改制定計劃。采取奇數(shù)段接地、偶數(shù)段換位的接地方式，利用500kV雙架空地線感應(yīng)電壓近乎反相的特點，通過架空地線的偶數(shù)段換位，使同一段地線換位前和換位后的電壓得到中和，有效降低了感應(yīng)電壓，減小了接地環(huán)流的產(chǎn)生。

5 注意事項及建議

5.1 服役多年的老線路，對直接接地的架空地線掛點金具要高度重視其運行情況，特別是小轉(zhuǎn)角桿塔，地線掛點受多種作用力。要利用紅外測溫儀定期進行測溫，利用高清無人機攝像頭對金具 進行高清晰拍照檢查、分析，充分發(fā)揮無人機的機動、靈活、快速高效的特性。

5.2 制定計劃，在檢修期對掛點金具進行檢查，使用高精度游標卡尺對磨損處進行測量并做好詳細記錄，為運行分析作對比。

5.3 對處于重要交跨的地線掛點應(yīng)進行加固處理，單聯(lián)單線夾掛點改為單聯(lián)雙線夾或雙掛點雙線夾連接方式。

5.4 金具安裝前應(yīng)加強對鍍鋅質(zhì)量的檢測和控制，在確保尺寸精度的前提下，應(yīng)盡量增加鍍鋅厚度，目前金具表面鍍鋅層平均厚度為85μm，實驗表明金具表面鍍鋅層增加到192μm時能使金具使用壽命延長。

5.5 在腐蝕嚴重區(qū)段，應(yīng)加強防護措施?？稍阱冧\表面涂覆一道柔性耐磨涂層，顯著提高防腐壽命和抗微動腐蝕特性，金具運行時較難維護，因此需在安裝之前涂覆。

6 結(jié)語

在線路正常運行情況下架空地線感應(yīng)電的存在是不可避免的，同時架空地線常年暴露在空氣中，與硫化物等化合物發(fā)生復(fù)雜的電化學反應(yīng)，導(dǎo)致金具表面慢慢腐蝕。為了有效防止地線掛點金具因腐蝕、磨損導(dǎo)致異常發(fā)熱，在現(xiàn)行條件下應(yīng)對老舊線路本體設(shè)備進行細化管控，對重要掛點金具進行分類，小轉(zhuǎn)角直線塔掛點金具應(yīng)加強防腐，應(yīng)用高強度材料替代普通材料，直接接地掛點兩側(cè)安裝引流線，專人跟蹤并制定科學的防范措施，一線設(shè)備主人必須實時掌握設(shè)備運行情況，避免金具持續(xù)性發(fā)熱加劇設(shè)備的磨損層度，導(dǎo)致架空地線墜落事故的發(fā)生。