kV輸電線路架空絕緣地線掉線原因分析及對策王浩東

500kV輸電線路架空絕緣地線掉線原因分析及對策王浩東（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義56）2400摘要通過分析南方電網(wǎng)兩起 輸電線路架空絕緣地線掉線事故，認(rèn)為其主要原因是線路設(shè)計(jì)間隙不足以及絕緣子老化導(dǎo)致掉線。對輸電線路設(shè)計(jì)、運(yùn)行的不足和潛在安全隱患，提出防止地線掉線、改進(jìn)防雷性能的對策。關(guān)鍵詞：輸電線路；感應(yīng)電壓；絕緣地線；掉線前言：近幾年南方電網(wǎng)500kV輸電線路多次發(fā)生地線掉線事故，對事故原因進(jìn)行深入分析，提出整改、預(yù)防措施已刻不容緩。通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)主要有兩類：一類是地線對塔身放電導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，最終斷線造成掉線；另一類是地線絕緣子鐵帽和鋼腳分離而掉線。現(xiàn)就兩起典型事故進(jìn)行分析，提出預(yù)防絕緣架空地線掉線的對策。500kV來梧二線33#塔地線掉線事故分析事故經(jīng)過2007年01月13日22:52,500kV來梧二線C相跳閘，重合不成功，23:46匯報(bào)調(diào)度線路具備恢復(fù)運(yùn)行條件。14日8:50，巡視發(fā)現(xiàn)#32-#34左側(cè)GJ-70地線從#33塔懸垂線夾處斷裂，導(dǎo)致#32-#34檔的地線墜落地面。10:45來梧二線緊急停運(yùn)對#32小號側(cè)10m處至#33大號側(cè)10m處地線進(jìn)行更換，將#33塔地線改為直接接地，對損傷導(dǎo)線進(jìn)行修補(bǔ)。15日12:00完成搶修，13:58來梧二線復(fù)電。檢查情況500kV來梧二線#33塔距離來賓變12.6km，一根地線為OPGW2（計(jì)算截面積121.87mm2），另外一根絕緣地線型號為GJ-70鋼絞線（通流容量為17.496kA2.s），#33塔附近絕緣地線的接地點(diǎn)為#02、#03、#20、#38、#48、#60。#33塔型為2丫-30，#32塔型為6乂1-24,#34塔型6乂1-33-1.5，#32、#34塔架空地線水平間距為10.9m，#33塔架空地線水平間距為20.6m?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：500kV來梧二線#33塔C相上方地線絕緣子間隙（間隙距離5.2mm）有放電痕跡，塔身對應(yīng)地線懸垂線夾部位有電弧燒傷痕跡；斷裂地線除1股完整股和2股的1/3股為物理機(jī)械性拉斷外，其余均為電弧燒傷溶化斷裂；斷裂點(diǎn)小號側(cè)4m處地線被電弧燒斷2股，#32大號側(cè)3m處地線電弧燒傷4股；C相導(dǎo)線#33塔往小號側(cè)距懸垂線夾20m處導(dǎo)線有放電灼傷傷痕、第一個(gè)間隔棒處有損傷。檢查發(fā)現(xiàn)#33塔地線絕緣子串往塔身傾斜，實(shí)測在無風(fēng)情況下33#塔地線懸垂線夾與鐵塔塔材最小距離約6cm。原因分析事故的主要原因是由于地線與塔身之間的最小凈空距離僅為6cm（如圖1所示），經(jīng)計(jì)算在7.5m/s風(fēng)速的情況下，地線風(fēng)偏后可直接與塔身接觸，因此地線與塔身之間的距離將長期的小于地線絕緣子的放電間隙（15.2mm），地線會長期對塔身放電，甚至直接與塔身摩擦，導(dǎo)致地線發(fā)熱燒損或磨損，架空地線在線夾處應(yīng)力最大，另外導(dǎo)線舞動、扭轉(zhuǎn)振動對線夾處導(dǎo)線有一定疲勞累積效應(yīng)，地線容易在線夾處發(fā)生斷裂。當(dāng)?shù)鼐€損傷到4股或以上，剩余股線承受不了運(yùn)行拉力而被拉斷；當(dāng)然運(yùn)行中懸垂線夾部位的地線如有斷股、散股、磨損，將降低地線機(jī)械強(qiáng)度和通流容量甚至地線有可能被拉斷；GJ-70地線截面積偏小，可能也是地線斷裂原因之一。以上原因都是設(shè)計(jì)對小轉(zhuǎn)角塔型考慮不周，導(dǎo)致地線與塔身的間隙不足而造成掉線，如果地線改成直接接地問題就迎刃而解了。圖1事故前塔身與地線相對位置圖2事故斷裂地線2、500kV天平I■線#09塔地線掉線事故分析事故經(jīng)過2003年07月28日16：56,500kV天平II回線（天生橋-廣州第二回輸電線路的天生橋-平果段）#09塔地線由于受力瓷質(zhì)絕緣子鐵帽和鋼腳分離而掉線，導(dǎo)致A相故障，重合閘不成功，隨后進(jìn)行1次強(qiáng)送不成功，線路永久性故障。日凌晨：完成搶修，：天平II回線復(fù)電。檢查情況輸電線路巡視人員發(fā)現(xiàn)09#塔左側(cè)地線由于受力瓷質(zhì)絕緣子鐵帽和鋼腳分離而掉線,掉線的地線跌落到地面，分別在#08-#09塔和#09-#10塔與A相導(dǎo)線接觸，造成A相永久短路。兩側(cè)地線均采用絕緣地線型號為GJ-70鋼絞線，在地線與導(dǎo)線接觸部位有明顯放電痕跡，在#08塔、#10塔地線絕緣子表面及放電間隙有明顯放電痕跡。、原因分析為了減少線損，500kV天平II回線采用架空絕緣形式。架空絕緣地線有較高的感應(yīng)電勢，其大小與線路電壓、負(fù)荷、長度及地線與導(dǎo)線間距離有關(guān)。500kV天平II回線由于負(fù)荷重（在平果變電站加裝串補(bǔ)后輸送容量由600MW提高為1200MW,并且長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行）,架空絕緣地線的感應(yīng)電勢可能達(dá)到10kV級。如此高的感應(yīng)電壓使地線絕緣子實(shí)際相當(dāng)于被作為導(dǎo)線絕緣子（電壓等級為幾個(gè)10kV級的輸電線路）使用,對絕緣子的電氣和機(jī)械性能的損失極其不利。由于所使用的瓷絕緣子為內(nèi)膠裝結(jié)構(gòu),膠裝粘合劑水泥和鋼腳、鐵帽、瓷件的熱膨脹系數(shù)各不相同,溫度變化時(shí)各部件熱脹系數(shù)的差異將使瓷件受到壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力；水泥的長期膨脹（俗稱“水泥生長”）也使瓷件和鐵帽受到局部應(yīng)力和疲勞效應(yīng),其絕緣性能隨著運(yùn)行時(shí)間的延長會逐漸降低甚至完全喪失,此時(shí)瓷絕緣子處于擊穿運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行中的瓷質(zhì)絕緣子承受的感應(yīng)電壓越高,其電氣性能喪失的時(shí)間越短。處于臨界擊穿或已擊穿狀態(tài)的絕緣子的電氣性能大幅度下降或喪失，不能滿足絕緣的要求，但其機(jī)械強(qiáng)度仍然可以滿足設(shè)計(jì)的要求，此時(shí)地線不會馬上掉線。由于膠裝粘合劑水泥等填充物的存在，絕緣子有一定的電阻值，在10kV級感應(yīng)電壓的作用下，絕緣子出現(xiàn)了比正常接地感應(yīng)電流大得多的“短路”感應(yīng)電流。這個(gè)感應(yīng)電流對絕緣子內(nèi)部會有明顯的熱作用，大量的熱積累導(dǎo)致絕緣子產(chǎn)生溫升。長期機(jī)電負(fù)荷和溫升變化進(jìn)一步加速絕緣子的老化，而進(jìn)一步老化的結(jié)果是導(dǎo)致熱效應(yīng)加劇，形成惡性循環(huán)。經(jīng)過一段長時(shí)間或遭受雷擊等強(qiáng)電流的作用，瓷件和鐵帽受到局部應(yīng)力和疲勞效應(yīng)加劇，膠裝粘合劑水泥等填充物因熱效應(yīng)局部融化而失去其支撐能力，或因瞬間驟熱而發(fā)生爆炸，因而產(chǎn)生絕緣子斷串。掉線原因500kV天平II回線的架空絕緣地線采用大連電瓷廠生產(chǎn)的XDP5-7C地線專用絕緣子，帶保護(hù)間隙，于1995年投運(yùn)。由于事故現(xiàn)場的地線絕緣子及附件都沒有明顯的放電痕跡，據(jù)了解當(dāng)時(shí)氣候情況是風(fēng)雨交加，但基本沒有雷電活動，因此絕緣子應(yīng)該是因老化，絕緣子填充物局部融化而掉線的?，F(xiàn)場取回的絕緣子與懸垂線夾連接的金屬部分有嚴(yán)重銹蝕，上面還殘留有淚滴狀的絕緣子填充物，絕緣子頭部填充物有局部融化的痕跡（見圖3），這表明高感應(yīng)電壓及其產(chǎn)生的強(qiáng)泄漏電流是絕緣子的老化和掉線的重要原因。圖3鐵帽和鋼腳的絕緣子3、預(yù)防絕緣架空地線掉線的對策另外在南方電網(wǎng)的500kV線路上還發(fā)生了多起類似以上兩起的絕緣地線掉線事故，通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)主要是以上兩類：一類是地線對塔身放電導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，最終斷線造成掉線；另一類是地線絕緣子鐵帽和鋼腳分離而掉線。針對以上分析現(xiàn)就預(yù)防絕緣架空地線掉線提出如下對策。加強(qiáng)絕緣架空地線的運(yùn)行維護(hù)工 作加強(qiáng)絕緣架空地線運(yùn)行巡視、檢測工作。運(yùn)行單位巡視時(shí)要注意觀察地線有無斷股、散股現(xiàn)象，觀察地線及塔身有無電弧燒傷痕跡，觀察線夾與地線的連接部位有無電弧燒傷和生銹現(xiàn)象，夜巡時(shí)注意觀察地線絕緣子間隙有無放電冒火現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理。變電站出口15km以內(nèi)的絕緣地線，以及偏向塔身（主要是小轉(zhuǎn)角塔型）的絕緣地線，應(yīng)重點(diǎn)檢查；地線絕緣子的檢測工作應(yīng)按規(guī)程2-3年要求的周期進(jìn)行，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)地線絕緣子缺陷；另外對地線的金具除外觀檢查外還應(yīng)配合紅外成像技術(shù)進(jìn)行檢測。加強(qiáng)架空地線特別是連接金具、接續(xù)金具的維護(hù)工作。嚴(yán)格按規(guī)程周期進(jìn)行絕緣地線間隙檢查，進(jìn)行地線燒傷、振動斷股和腐蝕檢查，發(fā)現(xiàn)間隙距離超出設(shè)計(jì)范圍、地線斷股等缺陷及時(shí)處理，架空地線在線夾處應(yīng)力最大，另外導(dǎo)線舞動、扭轉(zhuǎn)振動對線夾處導(dǎo)線有一定疲勞累積效應(yīng)，地線容易在線夾處發(fā)生斷裂，地線懸垂線夾承重軸磨損斷面超過1/4以上的應(yīng)予以更換。線路檢修時(shí)變電站出口15km的絕緣地線，以及有較重銹蝕現(xiàn)象的地線，線夾必須打開檢查。運(yùn)行超過10年的線路，檢修時(shí)要加大地線線夾打開抽查的比例。近期檢修的線路要充分利用停電機(jī)會登檢桿塔，擴(kuò)大打開地線線夾檢查的范圍以查找隱患。加強(qiáng)絕緣架空地線掉線的改造工作 。運(yùn)行單位應(yīng)根據(jù)最新的線路運(yùn)行方式，進(jìn)行地線通流容量的校驗(yàn)工作，確保地線具有足夠的通流能力和機(jī)械強(qiáng)度。地線銹蝕嚴(yán)重或通流容量不滿足最新運(yùn)行要求的，要安排計(jì)劃進(jìn)行改造。一根地線為OPGW時(shí)，另外一根絕緣地線靠近變電站10km范圍在通信條件允許時(shí)應(yīng)改造為逐塔接地方式。對于地線偏向塔身的可加裝引流線或用金具直接代替絕緣子。經(jīng)驗(yàn)表明玻璃絕緣子不易發(fā)生掉串事故，因此對于長距離輸電的線路，為提高絕緣地線的可靠性和較少運(yùn)行維護(hù)工作量，可將瓷質(zhì)絕緣子更換成玻璃絕緣子。落實(shí)地線掉線的反事故預(yù)案。運(yùn)行單位應(yīng)認(rèn)真分析地線掉線的原因，制定出有針對性的反事故預(yù)案，并在材料、搶修工具、照明器材、人員等方面落實(shí)到位，提高事故應(yīng)急能力和速度，盡量減少事故造成損失。3.2加強(qiáng)絕緣架空地線的設(shè)計(jì)工作重視絕緣子選型。瓷質(zhì)絕緣子有多種不利于運(yùn)行的因素。瓷質(zhì)絕緣子屬于可擊穿型絕緣子，老化絕緣子的存在對線路的安全運(yùn)行是一種潛在的威脅，不易發(fā)現(xiàn)，定期檢測需要大量的人力物力。線路運(yùn)行和維護(hù)人員較少時(shí)，就更難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。長期以來，人們對應(yīng)用于輸電線路導(dǎo)線的瓷質(zhì)絕緣子的潛在的威脅有著深刻的認(rèn)識和研究，目前大多數(shù)導(dǎo)線瓷質(zhì)絕緣子已經(jīng)被更換為鋼化玻璃絕緣子，但對應(yīng)用于地線的瓷質(zhì)絕緣子的可能存在的危害認(rèn)識不足，認(rèn)為地線瓷質(zhì)絕緣子承受電壓低，不易老化，未能及時(shí)變更設(shè)計(jì)或進(jìn)行大修改造。線路投運(yùn)和大修改造時(shí)，設(shè)計(jì)部門對此問題重視程度不足，過于注重成本控制和“靜態(tài)”運(yùn)行，未能充分考慮線路運(yùn)行后的“動態(tài)”情況，不但導(dǎo)致運(yùn)行部門工作量大增，容易出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢，而且使線路存在先天安全隱患，不利于輸電線路的長期安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。瓷質(zhì)絕緣子對降低線損的作用未必如預(yù)期理想線路地線采用絕緣子原本是要實(shí)現(xiàn)地線全線絕緣以降低線損，但由于采用了瓷質(zhì)絕緣子，線路在運(yùn)行一段時(shí)間后，瓷質(zhì)絕緣子的電氣絕緣性能逐漸喪失。由于喪失了電氣絕緣性能的瓷質(zhì)絕緣子的存在，架空絕緣地線實(shí)際已經(jīng)處于單點(diǎn)接地狀態(tài)，原本架空絕緣的地線也就出現(xiàn)了額外泄漏電流。只有單點(diǎn)接地的架空絕緣地線，其總體感應(yīng)電壓很高，由此產(chǎn)生的額外泄漏電流的值也很高，線路此時(shí)的線損大幅度增加?？梢姡€路降低線損過于依賴瓷質(zhì)絕緣子的電氣可靠性，而瓷質(zhì)絕緣子易擊穿的特性對不利于長期降低線損。因此應(yīng)當(dāng)重視絕緣子選型。靈活運(yùn)行地線絕緣運(yùn)行方式。架空絕緣地線運(yùn)行方式導(dǎo)致地線產(chǎn)生高感應(yīng)電壓。全線絕緣的方式雖然減少了線損，但必定導(dǎo)致地線上的高感應(yīng)電壓大增。高感應(yīng)電壓不但加速瓷質(zhì)絕緣子老化進(jìn)而擊穿的速度，而且會在瓷質(zhì)絕緣子擊穿后進(jìn)一步破壞瓷質(zhì)絕緣子的機(jī)械性能，是導(dǎo)致掉線的主要誘因之一。因此在大跨越塔、轉(zhuǎn)角塔、耐張塔的地線應(yīng)盡可能直接接地或采用雙串。另外對一回地線采用OPGW光纜，另一回地線采用全線絕緣的情況時(shí)線路故障或遭受雷擊時(shí)，OPGW光纜因全線接地而承受較大的雷擊電流，其強(qiáng)度較低很容易發(fā)生雷擊斷股，近幾年OPGW光纜雷擊斷股已經(jīng)是屢見不鮮，因此在設(shè)計(jì)線路時(shí)應(yīng)進(jìn)行地線通流容量的校驗(yàn)，確保地線具有足夠的通流能力和機(jī)械強(qiáng)度。對雷害嚴(yán)重地區(qū)及變電站進(jìn)出口線路建議不要采用絕緣地線。參考文獻(xiàn)[1]電機(jī)工程手冊編輯委員會.電機(jī)工程手