广东电网公司东莞供电局 东莞 广东 523000
摘要：500kV东惠甲线N40塔绝缘地线间隙在运行过程中发生放电损坏导致间隙二个电极熔融黏结。本文分析了间隙损坏的危害，通过分析确定安装时间隙距离偏小和运行后固定间隙二个电极螺丝长期受风震动而松动造成间隙距离变小是导致绝缘地线间隙电极发生熔融黏结的直接原因；同时，分析线路在正常运行、发生不对称短路、雷电直击三种不同情况下可能在绝缘地线上产生的过电压，最终确定直击雷过电压幅值大、雷电能量巨大，必然且已经引起并联间隙击穿放电并造成间隙电极损坏；最后从工程安装、运行维护和技术改良等方面提出了绝缘地线间隙质量控制的措施和改进策略。
关键词：绝缘地线 间隙 损坏 分析 过电压
1 前言
绝缘地线在正常情况下保持对地的绝缘，既可以减少潜供电流、节约能源，又可以用于高频载波通信、电流熔冰和电容蓄能；在雷击或者接地短路时能将并联间隙击穿使地线接地，起到防雷保护、降低线路零序阻抗、降低工频过电压和减小对通信设施的干扰影响等作用。绝缘地线常采用“全段绝缘、一点接地”或者是“分段绝缘、一点接地”的运行方式。
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图1 绝缘地线新安装间隙 图2 绝缘地线间隙损坏情况
但是处于实际运行中的绝缘地线常常会出现一些问题，比如说500kV东惠甲线N40塔绝缘地线间隙在运行过程中发生放电损坏导致间隙二个电极熔融黏结，因此分析500kV线路绝缘地线间隙电极熔融损坏对指导架空线路绝缘地线运行管理具有一定意义。新安装及运行后已损坏的间隙装置。见图1、图2。
2 设备基本情况
作为大亚湾核电送出的重要通道的500kV东惠甲线是南方电网主干线路。该线路全长50.576公里，共116基杆塔，导线在N32塔换位一次。全线架设二根地线：一根是绝缘地线，型号是LGJ-95/55，在500kV东莞站出线构架处单点接地，在N16、N57、N86、N106四处换位；另一根是OPGW，逐基接地。地线绝缘装置主要包括绝缘子和并联间隙两部分。其中地线绝缘子是玻璃绝缘子并采用单片串，悬垂串、耐张串的绝缘子型号分别是F70C/200、F70CN/200；而地线绝缘子并联间隙则采用棒-板间隙，间隙的空气距离设计值为15 mm±2mm。该空气距离下间隙的绝缘特性见表1 。
表1 绝缘地线并联空气间隙的绝缘特性
注：表1中U湿、U干分别为湿弧和干弧的放电电压平均值;σ湿、σ干分别为湿弧、干弧放电电压标准偏差值。
3 间隙损坏的危害
2014年07月25日，我所对500kV东惠甲线停电走线检查导地线及金具，结果发现N40、N49塔绝缘地线间隙电极均发生放电烧伤损坏。其中，N40塔绝缘地线间隙严重损坏，二个电极熔融黏结，二个电极相对部位截面损伤减小约40%且有黑色金属瘤状物，电极表面有明显的强烈电弧放电痕迹和锈斑，登塔检查发现对电极起固定作用的螺丝已有松动现象；地线悬垂线夹出口处地线铝股有放电痕迹，分别有2处各2股发生损伤、黏结，具体损坏情况见图3、图4。
500kV东惠甲线N40塔绝缘地线间隙的二个电极发生熔融黏结，改变了绝缘地线原来单点接地的运行方式，使得从500kV东莞站出线构架起至N40杆塔这一段的绝缘地线变成了二点直接接地，从而形成地线-大地回路，使得地线电能损耗必然增加。N40塔绝缘地线变成直接接地，一方面，增加了雷电流泄放的概率；另一方面，由于地线线径较小，地线与悬垂线夹的接触往往不够紧密，在雷电流泄放过程中，悬垂线夹处容易起弧，而地线外层铝股熔点低，容易引起地线起弧烧蚀断股；特别是在夏季，线路落雷频繁，雷电流多次泄放、冲击，很可能会导致地线发生断线事故。同时，雷电流泄放过程中产生的强大热能会使间隙黏结部位和二个电极熔融，产生的金属熔融物在往地面坠落的过程中，如遇干枯树叶等易燃物质，很容易引发火灾。
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图3 电极熔融黏结 图4 地线铝股放电痕迹
4 间隙损坏原因分析
正常间隙电弧电流流过时，能利用自身产生的电动力将弧根迅速移动，并将电弧不断拉长，从而使电弧电压不断增高，电弧电流不断减少，在过零时熄灭。
从间隙电极发生熔融黏结损坏的情况推断：绝缘地线上出现过电压，间隙首先被击穿、接着发生过强烈电弧放电、最后大电流将电极熔融，经过一次或多次间隙放电最终将使二个电极燃烧至熔融黏结。
N40塔绝缘地线间隙发生剧烈放电导致电极熔融黏结，说明间隙能够起弧并持续放电积聚足够热能，最终超过电极耐电弧能力，使电极发生烧伤损坏，间隙的多次放电最终将使二个电极燃烧直至熔融黏结。由于正常时间隙能够自动熄弧避免电弧持续燃烧，而N40塔绝缘地线间隙会使电极发生熔融黏结现象，这就说明间隙不正常、距离偏小。
初步推测，造成间隙电极距离偏小的原因可能有三个：1、在间隙击穿后，由于流过间隙的电流的电动力使得两片间隙相互吸引而黏结在一起；2、并联间隙的一个或两个电极松动导致间隙距离减小，当距离减小到能被感应电压击穿且感应电压足以维持电弧时，间隙就会维持长时间的放电，多次放电产生的能量使电极熔融而最终使间隙距离为零；3、间隙在安装时距离就偏小（小于设计值），绝缘子出现过电压时间隙多次放电使电极熔融而最终黏结在一起。但是经过分析知：间隙被击穿后，流过两片间隙电极的电流方向正好是相反的，由右手定则和法拉第电磁感应定律知两片间隙电极之间的电动力是相斥的，不可能使两片电极黏结在一起，因此第一个推测是不成立的。登塔检查发现对间隙起固定作用的螺丝有小许松动现象。这样，可以判断：造成熔融粘结的原因是安装时间隙距离过小和固定间隙螺丝松动造成间隙距离过小。间隙距离过小，当绝缘地线上出现过电压时，间隙就容易建弧而难以熄弧，使得二个电极之间具有足够的时间持续放电从而造成电极被烧伤损坏。
绝缘地线间隙能够建弧，首先要求绝缘地线出现过电压。绝缘地线在以下三种情况下会出现过电压：1、正常情况下导线对地线产生的静电感应电压和电磁感应电压；2、导线不对称短路时短路电流对地线电磁感应产生的电动势所形成的对地电压；3、直击雷击过电压。
4.1 正常情况下导线对地线产生的静电感应电压和电磁感应电压
绝缘地线、OPGW和三相导线共同构成输电线路统一的电磁场，因而相互平行的各导体的型号、相对位置、荷电情况、换位和接线方式等，都会直接影响到电磁场的分布情况，从而决定各导地线上的静电感应电压和电磁感应电压的大小。由于三相导线与地线间的空间位置分布并不对称，因此即便是在线路正常运行的时候，在地线上也不可避免的存在静电感应电压和电磁感应电压。
4.1.1 静电感应电压
由电磁场知识知，在多导体系统中，各个导体的电位与电荷的关系为=.png)
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[1]， 用数学模型的矩阵方式表达为：
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其中.png)
——各导地线对地电位；
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——电位系数；
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——各导地线上的电荷。
a、b、c、v、w——分别为a、b、c三相导线、OPGW地线、绝缘地线。
即各导地线对地电位等于该相分别与各对应相的电位系数与其对应导地线上的电荷的乘积之和：Ua=Paa*Qa+Pab*Qb+Pac*Qc+Pav*Qv+Paw*Qw。
可见，地线上的静电感应电压与导线的电压和导地线的相互位置有关而与导线的电流和长度基本无关。当地线存在接地时，感应在地线上的静电感应电压基本上为零。静电感应电流也很小，一般可忽略。500kV东惠甲线采用一点接地方式，基本可消除静电感应电压。
4.1.2 电磁感应电压
导地线上的电磁感应电动势与导线上负荷电流和地线上感应电流的关系为=[1]，用数学模型的矩阵方式表达为：
=
（2）
其中.png)
——各导地线上的电磁感应电动势；
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——全阻抗矩阵；
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——导线上的负荷电流或地线上的感应电流；
a、b、c、v、w——分别为a、b、c三相导线、OPGW地线、绝缘地线。
即各导地线上的电磁感应电动势等于该相分别与各对应相的全阻抗与其对应导线上的负荷电流或地线上的感应电流的乘积之和：Ea=Zaa*Ia+Zab*Ib+Zac*Ic+Zav*Iv+Zaw*Iw。
电磁感应电压与导线上的负荷电流、布置方式以及长度有关，而与导线上的电压无关。假设地线不换位，绝缘地线上每千米的电磁感应电压为133伏，N40塔处绝缘地线的电磁感应电压是2.8千伏，而实际上绝缘地线全线四处换位，地线上的感应电压必然小于2.8千伏。正常绝缘地线间隙的最低击穿电压6.25kV，但是并联间隙的空气距离缩小、间隙的击穿电压也会降低，当并联间隙的空气距离缩小至击穿电压小于绝缘地线上的电磁感应电压时，间隙就会击穿形成持续放电接地点，存在间隙放电损坏电极的可能性。但是，夜间红外检测没有发现N40塔绝缘地线间隙有过热现象，说明正常情况下导线对地线产生的感应能量是比较低，不足于让间隙发生强烈电弧放电并熔融黏结。
4.2 导线不对称短路时短路电流对地线电磁感应产生的电动势所形成的对地电压
发生单相接地短路导线周围产生强大磁场，磁场强度大小与接地短路电流If成正比。地线、两侧杆塔以及大地组成环路中的磁通量发生突变，地线将产生电磁感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可以推导，电磁感应电动势与接地短路电流If成正比。在绝缘地线中，越远离接地点的电势就越高，当绝缘地线对地的电位差大于并联间隙的最高工频干闪电压时，绝缘地线间隙就被击穿放电，在绝缘地线中形成电磁感应电流。电磁感应能量会否造成N40塔绝缘地线并联间隙的放电取决于绝缘地线上的电磁感应电动势的分布，因此存在引起并联间隙放电的可能性。
500kV东惠甲线自2004年10月安装绝缘地线间隙至2008年2月期间，线路仅发生过一次故障：2007年06月25日N62塔C相因雷击发生接地短路，线路保护检测得接地短路电流最大值为4.83kA。但是，电极耐弧能力（I2t）是允许10kA工频电流持续通流0.2S，线路短路电流持续时间小于0.1 S，绝缘地线的电磁感应电流及其持续时间均小于电极耐弧能力。可见，线路单相接地短路电流对地线电磁感应产生的电动势会形成绝缘间隙放电，但能量不足于造成绝缘间隙电极损坏。
4.3 直击雷击过电压
查询雷电定位系统，2010年8月至2014年7月期间，500kV东惠甲线N39-N41线段雷电活动频繁，雷电流幅值I主要分布在10-30kA。正常绝缘地线间隙（15mm±2mm）的最高工频干闪电压为25.25kV。N40杆塔参数为：冲击接地电阻Rch 为7-15、分流系数β为0.88、杆塔电感Lgt 为0.50H/m、杆塔高度hd为34m，绝缘地线的波阻抗Z为400。
雷击N40塔顶时，杆塔塔顶最小电位为[2]：
U=Iβ(Rch+Lgt/2.6)=119kV （3）
绝缘地线并联间隙被击穿，绝缘地线对雷电流的分流作用可视为与直接接地的OPGW地线一样，流经绝缘地线间隙的雷电流为0.5* I*（1-β）,即0.6-1.8 kA。
而雷击N40相邻档绝缘地线档距中央位置时，绝缘地线的最小电位为[3]：
U=I*（Z/4）=1000kV （4）
绝缘地线并联间隙被击穿，流经绝缘地线间隙距离的雷电流为0.5I，即5-15 kA。实际上，雷击地线概率是最高的,而且必然发生过更强大的雷电流流经绝缘地线间隙，因此流经绝缘地线间隙的雷电流大部分都将超过5-15 kA。
综上可知，正常情况下导线对地线产生的感应电压可能使间隙击穿, 但感应能量是比较低，不足于让间隙发生强烈电弧放电造成绝缘间隙电极损坏。导线不对称短路时短路电流对地线电磁感应产生的电动势所形成的对地电压存在击穿N40塔绝缘地线并联间隙的可能性, 但能量不足于造成绝缘间隙电极损坏。地线的主要作用是引雷,保护线路导线避免遭受雷击,直击雷过电压幅值大,必然引起并联间隙击穿放电并造成间隙电极损坏。
如果雷电流热效应用热功I2Rt来衡量，由于电极金属材料熔融过程中伴随着有氧化过程，因此熔融黏结部位并不是纯金属接触，而是掺杂金属氧化物，接触电阻比较大，雷电流泄放时将产生强大热能将使间隙二个电极发生熔融黏结。多次雷电流泄放使到间隙二个电极多次熔融，并扩大二个电极黏结部位的接触面积。高温熔融的电极金属材料部分热能转换成光能，将向四周发射出明亮的光芒。由于本身重力作用，金属熔融物在冷却过程中将有部分往地面坠落。雷电流的泄放必然且已经造成N40塔绝缘地线并联间隙的损坏。
5 防范对策
无论并联间隙距离过大还是过小都会改变间隙的放电击穿特性（伏秒特性），都不利于并联间隙的正常工作。若间隙的空气距离缩小，易使电极烧伤损坏；但是如果间隙的空气距离增大，并联间隙对地线绝缘子的保护可能就会因击穿电压的升高就会失效。
绝缘地线并联间隙的安装必须调整好间隙空气距离满足设计要求并做好验收质量控制，同时做好定期检查、维护和技术改良：
（1）在线路带电运行时，应定期抽检间隙电极和绝缘子有无放电烧伤、间隙二个电极的空气间隙距离有无明显变化、两个电极是否平行于地面垂直线、喇叭口是否朝上等等。
（2）若遇线路停电检修，应抽查并测量绝缘地线间隙的距离是否符合设计要求以及固定电极的螺栓是否拧紧等等。若发现地线绝缘子自爆，则意味着并联间隙保护将失效，应及时更换。绝缘子钢帽、钢脚之间因受雷电冲击而发生放电烧蚀，单联单片串存在掉串隐患，应及时更换。
（3）防雷间隙两极片在运行过程中，暴露在野外，长期经正常过电压、雷电流冲击、氧化、电蚀等因素的影响，其表面难免会产生锈蚀、轻微灼伤、凹凸不平的现象而增加放电机会。应结合停电检修计划，检查防雷间隙的两极片的光洁度，若发现两极片表面有以上现象，则应以200号砂纸小心磨平整，并注意不可移动和掰动两极片的位置和距离。
（4）在紧固完连接于钢冒端的极板螺栓后，加装一块螺丝防松卡，以卡紧螺栓两端的螺帽，防止该螺栓因风力震动、电流力等机械力引起的螺栓松动。（如图5、6所示）
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图5 研制的螺丝防松卡 图6 安装装防松卡的间隙装置
（5）检查绝缘地线的绝缘子的表面和瓷裙的清洁度，表面有无裂纹、粉化、放电痕迹和电蚀等现象。
（6）检查接地装置各部件，如接地体与塔身的连接是否良好，连接处是否有放电痕迹。
（7）对运行时间长、实测接地电阻值不符合要求的，应该对接地体进行开挖检查，看其是否有严重锈蚀的情况；埋入地下部分是否有因挖土而外露、丢失、挖断等情况，确保接地体的各部分完好无损、连接良好。
6 结论
本文以500kV东惠甲线N40塔绝缘地线间隙电极发生放电烧伤损坏为基础，对可能导致间隙电极熔融黏结的原因进行了分析，得出了以下结论：
（1）绝缘架空地线并联间隙安装时距离偏小是导致500kV东惠甲线N40塔绝缘地线间隙电极发生熔融粘结的直接原因。
（2）直击雷过电压幅值大、雷电能量巨大，必然且已经引起并联间隙击穿放电并造成间隙电极损坏。
（3）严格控制间隙距离为15mm±2mm，保证在正常运行时不会发生间隙放电。这就要求在安装绝缘地线并联间隙时，必须要做到三个保证：保证安装的间隙距离符合设计要求、保证固定电极的螺栓已拧紧、保证两个电极确实平行于地面垂直线。
（4）对运行线路绝缘地线间隙应安排定期抽检，及时更换已不符合标准的间隙和损坏的绝缘子，在更换时应打开地线悬垂线夹检查地线是否有断股，若是已断股则需及时采取措施。
参考文献：
[1]吴康平，500kV绝缘地线的设计，电力建设，2001年
[2]吴伯华，张孝军，方瑜，超高压绝缘地线的研究，中国电力，1997年
[3]宋执诚，高电压技术，中国电力出版社
作者简介：
林绍亭（1975年01月出生），男，广东丰顺人，1997年毕业于广东省电力技工学校梅州分校《架空线路专业》并进入东莞供电局输电管理所工作。2012年取得技师资格。主要从事110～500 kV输电线路运行、维护和带电工作。
论文作者:林绍亭
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2017/8/24
标签：地线论文; 间隙论文; 电极论文; 过电压论文; 电压论文; 电磁感应论文; 导线论文; 《基层建设》2016年13期论文;