220KV输电线路雷击架空地线断线原因分析

　　摘要：
　　本文分析了雷击架空地线断线原因，包括雷电流的热效应，雷电流的冲击效应，工频短路电流的热效应，高温下架空地线的张力作用，并提出了预防雷击架空地线断线的建议。
　　关键词：220KV输电线路，雷击，架空地线
　　
　　一、雷击架空地线断线原因探讨
　　雷击引起导地线断股或在悬垂线夹处断线的故障比较常见，雷直击架空地线断线的故障亦时有发生。究其原因，值得探讨。
　　（一）雷电流的热效应
　　雷击架空地线时，雷击点的电流密度最大，温度最高，雷电弧的温度可达数千K。虽然雷电流在通过导体时，其热效应是不大的，但是当雷击导体时，在直接与放电通道相接触的地方却可能受到高温的作用，有时可以使金属熔化达几毫米的深度。这个现象很可能是有些架空地线不正常断股的原因。雷电流的电弧热效应可看作为绝热过程。由于雷电流的电弧热效应引起导地线的温升可以通过热平衡方程式(1-1)计算:
　　i(t)2Rθdt=Cθmdθ(1-1)
　　式中i(t):雷电流或短路电流(A);
　　Rθ:雷电流雷击点附近电弧的电阻或短路电流通过的温度为θ℃的导体的电阻(Ω);
　　Cθ:温度为θ℃时导体的比热容(焦/Kg℃);
　　m:导体的质量(Kg)。
　　由于雷电流的大部分能量集中在电弧上，而电弧作用点很小(即m很小)，因此雷电流的电弧引起导地线的温升很高。研究发现，在用29-57kA的振荡波(相当于48-95kA20/40微秒的雷电波)冲击于Ф1.8股径的GJ-50钢绞线时钢丝虽不致熔断，但已受到程度不同的烧伤;用57kA的振荡波冲击中3.0钢丝时，仅镀锌层受损;冲击中Ф1.8钢丝时立即熔断。这说明，仅用雷电流的热效应仍难以解释雷直击导线断线的原因;但说明了，不同大小的钢丝，Cθm是不同的，这就是为什么细股的钢绞线容易断股的原因。
　　（二）雷电流的冲击效应
　　曾有记载雷电劈开百年大树和将钢筋混凝土击出一个大洞的现象，这说明雷电有较大的机械冲击力(即雷电流的冲击效应)，当导地线遭受雷击时，如果雷电冲击波的冲量大于导地线所能耐受的冲量，导地线将被打断。雷电冲击波的冲量决定于雷电流的幅值和波长，导地线所能耐受的冲量决定于它的结构和状态。设冲击雷电流的冲量为A，则
　　A=M∫0i(t)dt=MQ(1-2)
　　式中A：雷电流的冲量(N•S);
　　M：测定常数，其物理意义为每千安的冲击雷电流所形成的冲击波压力（N/kA);
　　i(t)：雷电流的瞬时值(kA);
　　Q：电量即Q=∫0i(t)dt。
　　（三）工频短路电流的热效应
　　雷击架空地线断线的同时几乎伴随着绝缘子闪络放电，由于地线一杆塔系统的阻抗(电阻)远小于被雷击放电接地的杆塔，在雷击放电接地的杆塔，大部分的工频续流分流到架空地线上。设杆塔平均接地电阻Rav=15Ω，地线平均档距电阻rav=3.7/1000*300=1.1Ω，则每侧杆塔数大于20每侧的地线一杆塔系统的的接地电阻R=(Rav*rav)1/2=4.1Ω，有44%的短路电流流过雷击点架空地线。由于雷击瞬间使架空地线的温度骤升，电阻大为增加(即Rθ增加)，进一步使温升提高。由于短路电流的作用时间长(0.2s以上)，虽然短路电流值比雷电流小，但作用时间长，能量大于雷电流能量，在其共同作用下，进一步提高了雷击点的温升。镀锌钢绞线的短路允许温度为+400℃。
　　短路电流热稳定计算公式:
　　I=C/(0.24*α0*R0*T)*In((α0*(t2-20)+l)/(α0*(t1-20)+l))(1-3)
　　I：地线验算短路热稳定允许电流，A;
　　C：载流部分的热容量，cal/℃/cm;
　　α0：载流部分20℃时的电阻温度系数，l/℃;
　　R0：载流部分20℃时的电阻，Ω/cm;
　　T：计算短路热稳定的时间，s;
　　t1：地线的初始温度，℃;
　　t2：地线短路热稳定允许温度，℃。
　　地线的初始温度取最高气温40℃，并考虑雷击造成的升温分别取100℃、150℃、200℃进行计算，对于GJ-25、GJ-35的钢绞线的短路热稳定允许电流，在取短路热稳定的时间为.04s时，只有3kA、4kA，难以满足热稳定要求，尤其在雷电流同时作用加热时，其短路热稳定允许电流更小。在用GJ-50以上较大的钢绞线时，在变电站进线段短路也难以满足要求，应采用措施。架空地线短路热稳定允许电流小是雷击架空地线断线的主要原因，而悬垂线夹处为薄弱环节，则更容易断线。
　　
　　（四）高温下架空地线的张力作用
　　雷电流和工频短路电流的热效应使雷击导线温度升高。在高温下，架空地线的抗拉强度降低，钢的熔化温度为1560℃。由于雷电流的热效应、冲击效应和工频电流的热效应以及抗拉强度下降的架空地线的张力共同作用下，架空地线断落。
　　（五）设计规程和设计考虑欠妥
　　设计规程只对短路电流的热稳定作出要求，没有对雷电流和短路电流共同作用下的热稳定作出要求。而设计部门在设计时，通常按照地线与导线的最小配合进行地线设计，没有认真按照规程进行地线的热稳定校验。
　　
　　二、预防雷击架空地线断线的建议
　　鉴于雷击架空地线断线全发生在GJ-35及以下的钢绞线上，细股的钢绞线容易断股。在全国，发生雷击架空地线断线的情况，时有发生，而在有关规程，却没有这方面的预防措施。建议下次修改“设计规程”时，规定:输电线路的架空地线最小不得小于GJ-50，不得采用细股的钢绞线，并且在校验地线的热稳定时，补充考虑雷电流的作用。各电网公司在生产上可以作出此规定，并规定设计必须按照规程进行地线的热稳定校验。
　　（一）预防雷击永久性故障的有效措施
　　(1)防止雷击绝缘子掉串的有效措施:把好设计关，优先选用玻璃绝缘子，禁止采用瓷绝缘子，防止绝缘子设计不合要求;按周期检测瓷零值绝缘子并通过火花间隙试验和检查以提高其零值检出率;逐步更换瓷绝缘子为玻璃绝缘子，以减少测零工作;
　　(2)防止架空地线断线的有效措施:安装避雷线的附加引流线以增加分流，减少流过悬垂线夹的电流，防止架空地线在线夹处断线;把好设计关，选用GJ-50及以上的钢绞线，禁止采用GJ-35及以下的钢绞线和细股的钢绞线，以提高架空地线的热稳定性。对悬垂线夹与耐张线夹、联结金具等金具的热稳定作出要求，规定其应能耐
　　（二）提高耐雷水平，减少雷击的有效措施
　　(l)对于220kV线路，在山区，以绕击雷击为主，所占比例约为80-90%;在平原、丘陵地区，以反击雷击为主，绕击所占比例约为10~30%。混有30%左右山区线路，绕击率与反击率基本相等。选择良好的具有自然屏蔽的防雷走廊、降低接地电阻、减少保护角、加强绝缘是最有效的防雷措施。在山区线路加祸合地线，不但能通过增大祸合系数和分流提高耐雷水平，而且能通过补偿地形高差降低杆塔、导线相对高度减少绕击雷。辩识雷击频繁段，采取相对应的防雷措施，是防雷的关键。只要把这些工作和防雷措施落实到位，线路防雷就迎刃而解。
　　(2)加强绝缘是见效快投资省，也是可行的防雷措施，只有单回路进线的220kV线路进线段加强绝缘会提高变电站避雷器流过的电流，使其超过5kA，其他情况无影响。
　　(3)降低接地电阻的改造，要严格进行管理，提高工程质量，新旧地网必须多点连接，山区、雷击频繁区的改造，不能照搬原设计，必须采用最大多射线、多闭环、垂直集中接地，以达到在降低接地电阻的同时，减少地网的电感。
　　(4)由于绕击占很大比例，尤其在山区，占绝对多数，因此在众多防雷措施中，减少保护角是最有效的。在运行线路，要调查其雷击频繁段，在雷击频繁段考虑进行单改双避雷线、减少双避雷线的保护角的改造。在无法进行改造的线路，可考虑采用杆头局部加强屏蔽的形式减少保护角。
　　(5)在地形起伏大、高差大的山区线路、接地电阻大的地区线路、反击为主的线路，采用加祸合地线的防雷措施。
　　(6)雷击频繁杆较少、接地电阻大的的线路，投资资金加足够的线路避雷器，可以有效防止雷击跳闸。
　　
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