摘要：架空地线架设于杆塔的顶端，是输电线路防雷的最主要措施，常见的地线有钢绞线、钢芯铝绞线、OPGW光纤等。近年来，地线断线在各个供电局时有发生。地线断线的后果是很严重的，特别是现在输电线路已经大部分是多回同塔，同时跳闸造成大面积停电事故，且损伤导线，修复时间往往要一两天，费用大，是目前威胁电网安全的最大隐患之一。在众多国内文献中，针对地线断线断股问题，提及的相关防范措施中，除了一些常规措施外，就是在悬垂线夹两端加入引流装置，使得工频续流不流过悬垂线夹及地线的连接处，避开其中较大的接触电阻，进而减少发热。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。
关键词：输电线路；感应电压；架空绝缘地线；掉线
前言：通过输电线路地线掉线事故的分析，指出了目前输电线路设计、运行的不足和潜在的安全隐患，并提出若干防止地线掉线、改进防雷性能的对策。地线更换涉及同塔多回线路安排约一周的同时停电，将造成大量用户错峰停电，极大的增加了电网的运行风险。施工期间需要全线架设大量的交叉跨越公路、铁路、管线等措施和青苗赔偿工作，需要投入人力巨大，常常超出运行管理单位的能力。如何降低带病运行地线带来的可预期巨大风险，已经成为摆在电网运行部门的重大课题。
一. 耐张串地线防掉线装置研究
对于架空输电线路耐张串来说，早期建设时耐张串地线常选用GJ50、GJ70等截面积较小的地线，且金具连接常选用楔形线夹，然后采用两根钢丝绑扎，地线与杆塔之间依靠金具实现电气连接。此种连接在地线运行达到一定年限后，由于地线腐蚀以及微风振动等因素导致的地线断股断线风险大大增加。另外，当地线发生了一定程度的锈蚀（甚至于基本没有锈蚀时），楔形线夹和地线接触处的接触电阻相比于压接或者预绞式连接方式都会大大增加。2016年广西曾发生一起输电线路避雷线掉落在高铁接触网，导致高铁停运3小时，其断线杆塔的地线就是用楔形线夹连接，结果在遭受雷击和工频短路电流时，地线便从楔形线夹处断线。所以，这些老旧地线的断线风险需要得到有效地解决。
图2.2 某线N4塔地线断线图
目前需要完成更换的地线已达1000kM量级，而短期内要完成如此巨大的工程，显然是不可能完成的，而地线的更换还涉及同停线路多，停电时间长，用户错峰大，电网风险高；跨越公路、铁路、管线等措施费用高，协调难；青苗赔偿工作量大，群众阻挠；投入人力多和资金大等问题。所以，研究出一套耐张段地线防掉线装置来延长老旧地线寿命，使地线的更换工程可以有条不紊地展开是非常有必要的。
针对耐张串地线主要从楔形线夹处断线的现状，我们可以设计一套后备保护装置安装在耐张串地线上，在地线正常运行时，此套装置并不受力，一旦老旧地线在楔形线夹附近发生断线后，此套加固装置即可处于受力状态拉住地线防止出现地线断线、掉线状况，从而避免产生更严重的事故和社会影响，大幅延长了地线的寿命，也节约了改造更换老旧地线需要投入的大量人力物力。这种后备保护的金具连接方式可以选择为预绞式金具连接。因此，我们可以称呼这套装置为预绞式耐张线夹。
图2.3中，蓝色的部位1：U型挂环；5：平行挂板；6：延长拉杆；7：嵌环；8：外绞丝；9：內绞丝共同组成了预绞式耐张线夹。此外，由于现有铁塔地线横担处无多余的挂孔，所以需在每基杆塔增加地线挂板。而地线挂板的位置和耐张串偏转的角度有关。对于地线往铁塔中心外偏角度不超过30°的情况，增加挂点位置如图2.4所示，对于地线往铁塔中心外偏角度大于30°的情况，增加挂点的位置就在沿铁塔中心线的横担上（图2.4中的120横担）。
图2.3 预绞式耐张线夹结构图
1：U型挂环；5：平行挂板；6：延长拉杆；7：嵌环；8：外绞丝；9：內绞丝
图2.4 地线挂板安装位置图
三．悬垂串地线防掉线装置研究
相比于耐张串而言，悬垂串地线发生断线的几率要更高。事实上，据不完全统计，80%以上的避雷线断线发生在悬垂线夹处，观察到断口有熔断特征。打开悬垂线夹检查，时有发现存在熔断断股现象。在三相不平衡运行、单相短路、相间短路、雷电冲击的运行条件下，地线易处于长期高负荷运行状态，而交流电流的趋肤效应使电流集中在端口附件，而悬垂线夹与地线处由于地线锈蚀、接触不良等因素导致接触电阻较大，所以在悬垂线夹处容易产生电弧，造成地线断股甚至断线。
为解决地线线夹发热问题，某地区局采用了在原地线缠绕预绞丝，通过线夹与预绞丝固定地线的方法对早期建设线路进行改造，如图3.1所示。原线路大多运行时间超过15年，在改造后约半年时间出现线路短路跳闸，地线在预绞丝端部发生熔断，并且同一根预绞丝两端均发生断线。为分析预绞丝处理对老旧锈蚀钢绞地线发热熔断机理，拟对发生过断线故障的同批次地线进行大电流温升试验，分析改造地线在电流作用下的热效应，探索老旧地线补修改进措施。
图3.1 缠绕预绞丝地线
3.1 试验原理
图3.2 锈蚀钢绞线结构示意图
锈蚀钢绞线经过预绞丝补修后结构如图3.2所示，镀锌钢绞线在表面镀锌层腐蚀后内部钢材裸露产生锈蚀，铁锈的成分主要是铁和锌的氧化物和硫化物，导电性能较差，在电压较小的情况下无法形成导电回路，此时预绞丝与钢绞线间形成高阻回路。如果预绞丝与钢绞线间的铁锈层被部分破坏，则高阻回路被打破，预绞丝与钢绞线间形成低阻回路。而这个高阻回路中形成的低阻回路由于接触面积较小且存在部分电阻率较高的铁锈，仍然比正常接触电阻要高得多。在大电流从铁塔线夹流过预绞丝与钢绞线回路时，会导致接触不良点发热严重，甚至使金属地线熔断。
为增加钢绞线与预绞丝之间的摩擦力通常会在预绞丝内表面粘涂一层磨砂（图中未显示）。磨砂材料有导电和不导电之分，不导电磨砂为方解石之类的无机非金属材料，而导电磨砂为掺杂有碳粉的无机非金属材料。
图3.3地线试验原理
地线试验原理图如图3.3所示,选取长度约10m、截面积50mm2的地线试样，预绞丝缠绕长度约1.5m，利用多磁路变压器中的两相（或者穿心变压器）以及试样形成回路，线头利用线夹与变压器出线端口进行连接，线尾通过安装于缠绕预绞丝段的线夹连接形成回路，红外测温仪对预绞丝部位。若预绞丝与钢绞线间存在导电性能差的铁锈，缠绕预绞丝时容易在端部破坏部分铁锈层，回路在预绞丝端部接触不良点的接触电阻较大，容易引起发热。试验时钢绞线尾端必须通过线夹夹紧在预绞丝上，否则试验电流不会流经预绞丝。
3.2试验结论
通过试验，首先证明了老旧钢绞线锈蚀是导致其缠绕预绞丝后出现异常发热的主要原因。铁锈的导电性能是比较差的，电阻率高，所以发热情况很严重，而在缠绕预绞丝后，由于接触面积较小且铁锈含量高，所以接触电阻很大，此时由于电流的趋肤效应，电流基本会从预绞丝端口流过，因此会引起严重的发热，在出现短路或者雷击的情况下（或者多次作用），地线会有断股或者断线风险。
提出了三种解决的方案，分别是地线整段除锈，端口附近缠绕铜线，加装引流线。其中，除锈的方法可以使端口不会出现异常发热，但针对已经装有预绞丝的线路操作性不强，且在输电线路上防止再生锈又是很困难的事情。
缠绕铜线相当于采用导电性能更好、电阻率低的导电物质来起过渡引流作用，从而减小预绞丝端口以及预绞丝的发热，但是在整齐的铜丝截面上过流依然会出现较大程度的发热，且新铜丝表面光亮，辐射系数较低，测温仪测到的温度可能比实际铜线的温度要低，且在实验过程中，在通电流很短的时间内铜线已经出现了比较明显的氧化，架空输电线路环境下也会很快氧化。
而加装引流线则是在电流流过预绞丝端口之前，把其引到引流的铝绞线上，从而避免端口出现发热，在实际输电线路上可以把引流线另一端接到塔身进而导入地下。从效果来看，加装引流线的效果更好，但是现场安装较为麻烦。并且引流线和地线的连接处会使用C型线夹等金具，又会增加新的发热点和风险点。
根据上面的试验分析及结论，决定在GJ50老旧悬垂段地线上安装悬垂双保险。第一层保险为预绞式护线条，根据护线条与地线的接触电阻要小于带磨砂预绞丝，所以用护线条来进行机械加固；第二层保险为预绞式引流条，通过在第一层保护上加装预绞式引流条，把可能出现的雷电流或工频短路电流通过其引到塔身，提高地线的耐雷水平，通过这种方式可以避免加装引流线带来的金具连接处可能发热的问题。通过以上两层加固大大延长了悬垂段地线的寿命。
四.总结与展望
本论文主要内容是基于预绞丝线夹加固的架空地线防掉线研究。主要完成了以下方面的工作：（1）统计了历年来的地线掉线事故，总结断线的位置，并对断线的机理进行系统、全面的分析；（2）完成了预绞式耐张线夹的设计，通过后备保护的方式降低耐张串地线从楔形线夹处断线的风险；（3）进行了在悬垂线夹处加装预绞丝的相关试验，通过多组有效的试验，找到了地线在预绞丝端口断线的原因，并对相对改进措施进行了相关试验，并通过相关的实验结论决定采用悬垂双保险的方式来降低悬垂串断线风险。
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论文作者:杨锦波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：地线论文; 断线论文; 电流论文; 回路论文; 锈蚀论文; 线路论文; 楔形论文; 《电力设备》2018年第32期论文;