郑为凑 林 福 叶鑫杰 王 涛 郑 烨

(国网宁德供电公司) *1

0 引言

输电线路上的两种大气过电压, 直击雷过电压和感应雷过电压, 两种过电压形成反击和绕击, 从而导致线路引起闪络雷击跳闸。35kV 输电线路是电网中的重要组成部分, 仍是部分县公司的主干网和“生命线”, 在运行过程中受周边复杂环境与恶劣气候的影响容易出现各种故障, 进而影响线路的正常运行, 部分35kV 线路跳闸后可能引起35kV 变电站全站失压,进一步扩大了停电范围。而35kV 线路一般反击耐雷水平为20 -30kA, 耐雷水平较低, 极易在强对流天气下发生大面积雷击跳闸, 影响供电可靠性。根据某省电网2018—2021 年间故障统计, 累计发生35kV 电网异常2248 起, 其中断线故障219 起, 占比9.7%,雷击断线占比达70.6%。断线故障由于发生频次较低, 但一旦发生断线情况, 因保护装置特性, 单相接地后仍可持续运行2h, 对人身和设备均有极大隐患。对用户供电可靠性和电压质量的影响不容忽视, 对生产、生活用电和人民的生命安全影响很大, 且被归类为电网企业恶性事故[1], 而断线事故中以雷击断线事故占比最大, 所以采取有效的防雷击断线措施至关重要。

1 现有技术分析

1.1 雷击时雷电流路径分析

线路绕击是指雷击线路附近大地, 由电磁感应在导线上产生的过电压, 雷电绕过避雷线击中导线。线路反击是指雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压, 雷击杆塔或避雷线, 造成绝缘子接地端电位比导线高, 并击穿绝缘子。

通过雷电流路径分析可得出, 不论发生绕击还是反击均会流经悬垂线夹, 传统35kV 直线杆大档距和重要跨越导线无保护, 通过铝包带缠绕后与悬垂线夹直接固定安装。悬垂线夹采用鞍型螺栓和舌片夹持实现导线承托, 导线采用铝包带包裹。因连接部位间隙较多, 且不同位置截面不一致, 导致在雷电流通过时局部产生热效应易熔断导线。

1.2 现有防雷措施和后备保护技术分析

当前35kV 输电线路防雷击断线方式未有十分有效的方法, 经过进一步调查对比, 架设避雷线、加装避雷器、降低杆塔接地电阻三类方式在防雷击方面有一定效益[2]。但35kV 线路多为单地线架设方式, 防雷水平较低, 常发生地线雷击断落和绕击情况, 防雷保护范围小。加装线路型避雷器, 可以提高线路防雷水平, 但因避雷器本身所设计承受电流原因, 常发生雷击后避雷器断裂情况; 降低接地电阻主要为提供良好的泄流通道, 可避免部分雷击跳闸情况。以上措施在雷击发生时无法有效解决连接点处热效应情况, 防止断线情况发生。

安装导线后备保护的方法能有效在断线情况发生时拉住导线。现有防脱金具主要有预绞丝式后备保护和金具式后备保护[3-4]。预绞丝式后备保护具备良好的防导线断线脱落和雷击电流泄流功能, 主要安装在耐张线夹调节板上进行后备保护[5], 没有在直线杆塔上的安装案例。金具式后备保护, 安装便捷, 防导线脱落功能强, 均仅在耐张杆塔上有所应用[6]。无法应用于直线杆导线后备保护。

2 直线导线后备原理

35kV 直线杆塔常因承受雷电流过大, 出线直线杆悬垂线夹处导线雷击断股, 甚至脱线事故, 造成巨大安全隐患。设计一种可调节式机构, 能够适用于95 或120 等35kV 常用导线, 保证线路安全, 一旦出现该处导线可实现后备保护。

2.1 设备构成

本课题拟采用由导线机械保护部分和电气分流两部分构成。其中机械保护部分由夹持式卡线头、內楔卡槽型阻挡器、拉杆、引流线四个部分构成; 采用钢外套向原有的导线耐张轴向滑移, 便会产生相应的径向收缩, 实现大小调节。作业方法操作简单, 无需改变原设备结构, 适用性好, 能大大降低作业人员的劳动强度, 最大限度消除了事故的断线冲击力, 同时,也不影响防振效果。

1) 夹持式卡线头: 通过夹持大小和楔形位置自动固定, 能有效夹持住不同大小导线, 承受不同截面积大小导线最大使用张力的推力不发生滑移。

2) 內楔形卡槽型阻挡器: 內楔形卡槽型阻挡器将卡线器安装在内部, 自动适配位置后, 通过径向压缩受力, 能有效防止卡线头受冲击时失效, 即受冲击不发生脱落。

3) 不锈钢材质拉杆: 在保护范围内发生断线时阻挡器和卡线头紧紧握住导线, 拉杆将两端阻挡器拉住, 防止脱落, 从而实现脱落保护。

4) 铜材质引流线: 在导线遭受雷击时实现泄流功能, 引导雷电流从引流线通过, 减少通过绝缘子悬垂线夹电流从而避免线夹处雷击断线, 同时长时间导通对应不同截面积大小导线部分电流。

当导线断裂时, 产生钢外套向原有的导线耐张轴向滑移现象, 便会产生相应的径向收缩力(如图1 所示), 压迫铝质内套锁紧导线, 锁紧力随着拉杆拉力的增大而增加, 从而实现机械防护, 防止导线掉落。

图1 径向受力分析

采用楔形夹持式卡线头并在楔形卡线头端部两侧安装螺丝调节孔使得夹槽满足可调节性, 通过螺丝固定, 将楔形夹持式卡线头安装至阻挡器, 实现受力。通过楔形夹持式卡线头和內楔卡槽型阻挡器配合使用, 实现将装置安装在直线杆的导线上, 直线杆绝缘子两端安装完成后由螺栓拉杆将两侧內楔卡槽型阻挡器连接一起并张紧, 当发生断线故障时, 两侧可同时受力, 防止脱线, 从而实现断线保护。引流线将引导雷电流通过金具泄流, 避免通过线夹内部, 导致内部导线受损。当发生断线故障时, 两侧可同时受力, 防止脱线, 从而实现断线保护。图2 为整体安装示意图。

图2 整体安装示意图

2.2 电流改善分析

采用了后备金具后, 雷电流大部分会通过引流线分流, 减少途经悬垂线夹处的电流, 降低热效应带来的危害, 同时因后备金具处与导线的接触面积较大降低局部热效应作业, 避免导线损伤。

2.3 断线受力分析

若仍发生线夹处雷击或磨损断线, 通过后备金具可以降低短时断线冲击力, 当导线断裂时, 产生钢外套向原有的导线耐张轴向滑移现象, 便会产生相应的径向收缩力, 压迫铝质内套锁紧导线, 锁紧力随着拉杆拉力的增大而增加, 从而实现机械防护。断线后由原部分导线和压接引流线受力将导线承托住, 实现垂直方向受力, 避免导线脱落事故。

3 试验分析

根据《GB/T 2314—2008 电力金具通用技术条件》、《GB/T 2315—2000 电力金具 标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》、《GB/T 2317.1—2000 电力金具机械试验方法》、《Q/GDW 13263.1—2014 35kV ～750kV 输配电线路档内金具专用技术规范》等技术规范对所设计装置进行型式试验。

3.1 可调节度测试

所设计金具, 兼具螺栓型和压缩型特性。螺栓型主要体现在采用楔形夹持式卡线头并在楔形卡线头端部两侧安装螺丝调节孔使得夹槽满足可调节性, 实现垂直压力, 引起夹持器的线槽对绞线产生摩擦力从而固定绞线。楔形夹持式卡线头能有效夹持住95mm2和120mm2大小的35kV 导线。阻挡器内部卡槽受力的滑移会使夹持器和导线产生变形受力, 形成受力整体。

3.2 机械载荷试验

技术要求: 在标称机械损伤荷载时金具未发生永久变形, 在标称破坏载荷时, 未发生破坏。对所设计线夹施加相应荷载进行试验分析。标称机械损伤荷载试验: 在标称机械损伤荷载时金具未发生永久变形。标称破坏载荷试验: 在标称破坏载荷时, 未发生破坏。通过试验, 所设计线夹未发生形变, 满足标准要求。

3.3 握紧力试验

对导线握紧力不低于40% RTS 的工作张力。95mm2和120mm2导线, 对导线握紧力不低于40%RTS的工作张力, 金具无损伤、导线无断股和破损。

3.4 电气性能试验

根据电气性能要求, 导线连接两端点之间的电阻, 不大于接续点同样长度的电阻, 通过后备金具的并联, 可以使连接部位截面积增大, 从而降低局部电阻。面积增大实现受承受的载流量增大和温升降低。经试验可得出增加金具后线夹部位导电性能不低于导线本身。

4 应用情况

将35kV 可调式直线杆导线后备金具安装在35kVXX 线上对其进行安装运行。可实现现场单人安装, 能够适用于95mm2或120mm2等不同大小35kV常用导线, 调节后需能够保护对导线的吻合度, 避免局部受力。自身所具备对导线拉断力40%的握紧力,在输电线路出现突发情况时, 可以第一时间握住导线, 防止跌落。同时分担了雷电流传送的压力, 减少雷击过热现象导致断线事故。

本成果35kV 可调式直线杆导线后备金具, 能大幅度提高35kV 架空线路直线塔防雷击断线水平, 通过该金具的后备保护功能可以直接避免雷击断线导致的巨大损失, 据统计, 1 基35kV 直线杆塔发生雷击断线事故造成的损失或超25 万元。该后备金具安装在直线杆上, 不影响线路的正常运行, 安装后基本无需维护, 每年也能节约管理成本数十万元。

5 结束语

本课题针对35kV 雷击故障情况, 在明确影响35kV 输电线路雷击断线的几个主要因素, 形成了以防外力断线和抗雷击性能为主要性能依据后, 设计了相应的卡线和防雷结构, 实现了35kV 输电线路有效防雷击断线措施。该后备金具安装后, 有效防止了因雷击断线造成的线路跳闸、大面积电网停电事故以及严重的社会经济损失, 所产生的间接效益也十分巨大。该后备金具的投入运行, 将帮助线路运行管理部门提升35kV 架空线路直线塔的抗雷和防外力破坏水平, 保障输电线路的安全可靠运行,弥补35kV 架空线路直线杆塔防雷击断线保护的空白。装置安装后, 减少了线路雷击跳闸次数, 不仅减轻了输电线路维护人员的工作负担, 同时也节省了庞大的线路雷击线路跳闸故障特巡费用, 充分保证了部门的经济效益。综上所述, 该后备金具投入运行后, 有效地将35kV 架空线路直线杆塔雷击断线的发生可能性减少到最小, 可见其具备很好的经济效益和社会效益。