500kV天平線架空地線掛點(diǎn)金具發(fā)熱與磨損原因分析及處理

王祥祥

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000）

在電力系統(tǒng)中架空地線是架設(shè)在輸電線路上方，為避免輸電線路遭受直接雷擊而鋪設(shè)的線路，架空地線也就是我們通常所說的避雷線。為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，最大層度減小雷電對(duì)輸電線路正常運(yùn)行的影響，我國(guó)相關(guān)規(guī)程規(guī)定110kV級(jí)以上高壓輸電線路應(yīng)全線架設(shè)雙地線[1]。在電力系統(tǒng)中，500kV及以上電壓等級(jí)的高壓輸電線路架空地線架設(shè)方式主要有三種，即直接接地、絕緣以及分段絕緣架設(shè)方式。天平線雙地線架設(shè)方式采用分段絕緣單點(diǎn)接地方式，即部分直線塔左右架空地線掛點(diǎn)直接接地，所有耐張塔架空地線連接方式均采用調(diào)整板代替絕緣子連接，也是直接接地。在2019年10月和2020年3月開展直升機(jī)巡視作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的部分直接接地掛點(diǎn)金具出現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象，達(dá)到緊急缺陷級(jí)別，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)天平線地線掛點(diǎn)金具發(fā)熱及磨損的詳細(xì)分析可為同類型輸電線路運(yùn)維方式將提供參考。

1 線路基本情況

天平線于1993年1月投產(chǎn)，是西電東送南通道第一、二回線路，西起天生橋一級(jí)電站，東至500kV平果變電站，線路所經(jīng)地形環(huán)境復(fù)雜，山地地形占90%以上。天平線直線塔采用貓頭塔型，耐張塔采用干字型塔，直線塔占全線92%，直線小轉(zhuǎn)角塔占42%，該條線路架空地線全線采用AACSR-97型的良導(dǎo)體鋁合金鋼絞線，至今為止已經(jīng)服役近30年，屬于老舊的輸電線路。

2 掛點(diǎn)金具發(fā)熱情況

南方電網(wǎng)超高壓輸電公司百色局在2019年10月和2020年3月開展直升機(jī)巡視作業(yè)中發(fā)現(xiàn)500kV天平線315號(hào)、350號(hào)、408號(hào)桿塔左右架空地線掛點(diǎn)金具出現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱點(diǎn)最高溫度達(dá)81.2℃（見圖1），與正常運(yùn)行的掛點(diǎn)金具溫度之差均大于40℃。根據(jù)中國(guó)南方電網(wǎng)公司輸電設(shè)備缺陷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（運(yùn)行分冊(cè)）2015版的規(guī)定，以上3處發(fā)熱均屬于緊急缺陷，需立即進(jìn)行消缺處理，在進(jìn)行緊急消缺處理過程中，運(yùn)維人員又發(fā)現(xiàn)U型環(huán)、直角掛環(huán)、連接螺桿均出現(xiàn)不同程度的磨損現(xiàn)象。

圖1 小轉(zhuǎn)角塔地線掛點(diǎn)金具局部過熱

3 掛點(diǎn)金具發(fā)熱、腐蝕原因分析

3.1 發(fā)熱原因分析

3.1.1 發(fā)熱機(jī)理

①根據(jù)《電力金具通用技術(shù)條件》（GB2314-2008）的要求以及線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，線路金具作為線路非主要載流設(shè)備一般不會(huì)產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，所有元件均應(yīng)無磁滯損失。所有承受電氣負(fù)荷的金具，其載流量應(yīng)不小于被安裝導(dǎo)線的載流量，即連接金具的溫度應(yīng)與導(dǎo)線相同或比它小[6]。當(dāng)金具磨損截面積變小時(shí)，其載流量會(huì)小于原來不磨損的載流量，架空地線與桿塔直接連接，地線上感應(yīng)電流全部通過掛點(diǎn)金具泄入大地，而小轉(zhuǎn)角掛點(diǎn)金具張力較大，在微風(fēng)振動(dòng)的作用下，U型環(huán)和直角掛環(huán)弧口間接觸面在做無規(guī)律變化，同時(shí)接觸電阻大小也在不斷變化，久而久之，感應(yīng)電壓在金具磨損處產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，放電的能量使連接金具電弧灼傷。電弧放電是一種很特殊的自持放電，電弧放電的電流密度很大，在高溫、強(qiáng)電場(chǎng)條件（強(qiáng)感應(yīng)電壓）下較容易引發(fā)電弧放電。根據(jù)焦耳定律可知，較大感應(yīng)電流產(chǎn)生時(shí)，通過電阻值大的金具會(huì)發(fā)熱，當(dāng)電流、電阻越大時(shí)焦耳熱能越大，與電弧放電熱量疊加會(huì)造成掛點(diǎn)金具局部發(fā)熱。

圖2 小轉(zhuǎn)角塔架空地線直接接地掛點(diǎn)金具

②掛點(diǎn)金具長(zhǎng)期處于發(fā)熱狀態(tài)下時(shí)，金具內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生細(xì)微變化，結(jié)構(gòu)變化更易造成金具接觸點(diǎn)之間磨損，因而電弧放電會(huì)更加強(qiáng)烈。

3.1.2 發(fā)熱原因類型

500kV天平I線小轉(zhuǎn)角塔其地線通過U型環(huán)、直角掛環(huán)、平行掛板、懸垂線夾等金具連接直接接地（見圖2）。發(fā)現(xiàn)掛點(diǎn)金具發(fā)熱緊急缺陷后，立即對(duì)小轉(zhuǎn)角直接接地的桿塔進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)掛點(diǎn)金具出現(xiàn)了嚴(yán)重銹蝕、且個(gè)別金具嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象（見表1）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步判定，掛點(diǎn)金具發(fā)熱原因?yàn)榻鹁吣p、銹蝕氧化產(chǎn)生不導(dǎo)電產(chǎn)物導(dǎo)致接觸電阻值增大，電流通過時(shí)產(chǎn)生一定的焦耳熱量。

根據(jù)紅外測(cè)溫分析，金具發(fā)熱不是太陽(yáng)光直射所致，在運(yùn)行的高壓輸電線路中架空地線存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，架空地線通過金具與大地連接形成回路。由于地線與桿塔連接的金具張力很小，在外部環(huán)境的影響下地線發(fā)生熱脹冷縮，造成地線松弛或張力過大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行并在風(fēng)力作用下發(fā)生不規(guī)則擺動(dòng)以及日曬雨淋影響，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，掛點(diǎn)金具因承受著拉伸、扭曲、剪切等垂直荷載和水平荷載的作用逐漸磨損、生銹、接觸電阻增大，地線感應(yīng)電流大小也不斷變化，當(dāng)感應(yīng)電流較大時(shí)使溫度升高加快；由于感應(yīng)電流的作用，當(dāng)金具連接處的電阻較大，該電流通過時(shí)產(chǎn)生焦耳熱。同時(shí)，在掛點(diǎn)金具兩端也會(huì)存在一定的電壓差，當(dāng)該電壓達(dá)到其電暈放電時(shí)，不光滑的金具表面將會(huì)發(fā)生連續(xù)的電暈放電，從而造成金具局部持續(xù)過熱[3]。

表1 小轉(zhuǎn)角塔地線掛點(diǎn)金具銹蝕磨損情況

3.1.2.1 地線感應(yīng)電壓的存在

①高壓輸電線路正常送電時(shí)，架空地線中會(huì)受到三相電流的電磁感應(yīng)而出現(xiàn)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。

②高壓輸電線路交叉跨越或穿越其他帶電線路時(shí)以及與其他線路平行同走廊走線時(shí)也會(huì)對(duì)地線產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

③雙回不同塔線路中部分桿塔共用接地網(wǎng)時(shí)會(huì)使得該處桿段架空地線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)加大。

3.1.2.2 分段絕緣形成多個(gè)電路回路

①在大電磁環(huán)境中分段絕緣區(qū)段內(nèi)構(gòu)成一個(gè)完整的小電流回路，也就是地線通過直接接地掛點(diǎn)金具與鐵塔和大地相連形成回路（見圖3）。在回路中直接接地掛點(diǎn)金具相當(dāng)于電阻元件（用符號(hào)R表示），即R1和R2，通過絕緣子連接的絕緣部分相當(dāng)于電容元件，用符號(hào)C1、C2、 C3...表示，并聯(lián)在電路中，在分段內(nèi)地線絕緣架設(shè)的桿塔越多等效并聯(lián)的電容越多，在電磁環(huán)境的作用下導(dǎo)線對(duì)架空地線的感應(yīng)電壓會(huì)變大，即電壓容性補(bǔ)償。

圖3 分段絕緣架設(shè)方式形成電流回路

②在線路運(yùn)行時(shí)以及掛點(diǎn)金具完好無損的情況下感應(yīng)電流很小，再者掛點(diǎn)金具與大地良好連接，不至于使金具發(fā)熱。

3.1.2.3 感應(yīng)電壓大

500kV天平I線起于天生橋一級(jí)電站，止于500kV平果變電站，線路總長(zhǎng)400多千米，全線鐵塔較矮，與500kV天平Ⅱ線平行且同一走廊，兩條線路最近點(diǎn)不足20m，兩條線路存在共地網(wǎng)的情況，在線路高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)導(dǎo)線對(duì)各自架空地線會(huì)相互感應(yīng)出較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在電網(wǎng)建設(shè)不斷發(fā)展的過程中，至今天平I線整條線路與其他帶電線路存在多處交叉跨越現(xiàn)象，據(jù)了解，該線路被特高壓±800kV楚穗直流、±500kV金中直流線跨越以及其跨越多條110kV、220kV輸電線路，部分交叉線路情況 見表2。

表2 交叉跨越線路情況

正常情況下，500kV線路靜電感應(yīng)電壓大約在50kV～60kV之間[4]，但在與其他帶電線路交叉跨越并與其他線路共用地網(wǎng)時(shí)，地線上感應(yīng)電會(huì)大大增加，高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)即達(dá)到金具電暈放電時(shí)所需電壓。

3.2 磨損原因分析

3.2.1 受不平衡作用力影響

圖4 直角掛環(huán)弧口銹蝕磨損導(dǎo)致截面積減小

圖5 連接螺桿銹蝕磨損導(dǎo)致截面積減小

圖6 U型環(huán)一側(cè)銹蝕磨損導(dǎo)致厚度變小

對(duì)于直接接地的小轉(zhuǎn)角桿塔架空地線張力會(huì)比較大，500kV天平Ⅰ線采用AACSR-97型鋁合金鋼絞線，計(jì)算重量為707.3kg/km。小轉(zhuǎn)角塔掛點(diǎn)除了受到地線本身的重力外，還受到向前的牽引力、張力以及向左或向右的剪應(yīng)力，在三個(gè)力的共同作用下，當(dāng)掛點(diǎn)金具在大小風(fēng)力且方向不同的反復(fù)作用下，金具接觸點(diǎn)慢慢地會(huì)發(fā)生輕微磨損，磨損的地方很快會(huì)被氧化掉并產(chǎn)生不導(dǎo)電的化學(xué)產(chǎn)物，然而作用力在掛點(diǎn)處永遠(yuǎn)不會(huì)變得均勻或消停，長(zhǎng)時(shí)間的磨損氧化下掛點(diǎn)金具截面積逐漸變小，而氧化物越來越多，進(jìn)而導(dǎo)致電阻值增大。掛點(diǎn)金具磨損情況見圖4、5、6。

3.2.2 受化學(xué)物質(zhì)影響

掛點(diǎn)金具常年暴露于空氣之中，經(jīng)常受到各種腐蝕性氣體的侵蝕。隨著輸電線路沿線工業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)生硫化物的工業(yè)企業(yè)越來越多，而硫元素是腐蝕鍍鋅層的罪魁禍?zhǔn)住Ｌ炱骄€雖然大部分桿塔處于山區(qū)，但空氣中的硫分子隨著風(fēng)力作用到處飄散，產(chǎn)生酸雨，慢慢的金具表面就會(huì)發(fā)生鍍鋅層的溶解反應(yīng)，直接接地的架空地線掛點(diǎn)金具因?yàn)橛行「袘?yīng)電流流過，在雨水作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)過程產(chǎn)生硫酸鋅，使鍍鋅層完全消化掉，鐵質(zhì)或鋼制金具沒有保護(hù)層保護(hù)會(huì)加速腐蝕。同時(shí)，金具本身獨(dú)有的特性，使其正常情況下腐蝕速度也會(huì)快于塔材和導(dǎo)線。第一，金具的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，其單位質(zhì)量的比表面積較大，存在較多邊角和孔隙結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生縫隙腐蝕和接觸腐蝕兩種局部腐蝕形態(tài)，從邊角縫隙處引發(fā)腐蝕；第二，金具一般承受較大拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下，金屬將比靜止?fàn)顟B(tài)更容易腐蝕，因?yàn)閼?yīng)力增大了鍍鋅層表面的破壞程度，使表面產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展且增多，表面破壞程度變大，腐蝕介質(zhì)更容易進(jìn)入鍍鋅層[5]。

4 解決措施

4.1 安裝地線引流線，由引流導(dǎo)流。采用與地線同型號(hào)的良好導(dǎo)體制成引流線安裝于架空地線支架左右兩側(cè)，通過并溝線夾使得引流線與地線穩(wěn)固連接，接地端直接通過螺栓緊固與塔材。對(duì)于緊急發(fā)熱缺陷必須緊急處理，采用帶電安裝方式進(jìn)行（見圖7）。

圖7 安裝接地引流線

4.2 對(duì)嚴(yán)重銹蝕、磨損嚴(yán)重的掛點(diǎn)金具進(jìn)行帶電更換，要使用高強(qiáng)度、導(dǎo)電良好的金具材料。對(duì)于輕微銹蝕輕微磨損的金具可等到線路停電檢修時(shí)進(jìn)行更換，并作好記錄。

4.3 對(duì)防銹層脫離的金具要進(jìn)行防銹噴漆處理，防止金具因日曬、雨淋、粉塵及化學(xué)活性氣體的侵蝕而發(fā)生氧化。

4.4 利用每年大修技改制定計(jì)劃。采取奇數(shù)段接地、偶數(shù)段換位的接地方式，利用500kV雙架空地線感應(yīng)電壓近乎反相的特點(diǎn)，通過架空地線的偶數(shù)段換位，使同一段地線換位前和換位后的電壓得到中和，有效降低了感應(yīng)電壓，減小了接地環(huán)流的產(chǎn)生。

5 注意事項(xiàng)及建議

5.1 服役多年的老線路，對(duì)直接接地的架空地線掛點(diǎn)金具要高度重視其運(yùn)行情況，特別是小轉(zhuǎn)角桿塔，地線掛點(diǎn)受多種作用力。要利用紅外測(cè)溫儀定期進(jìn)行測(cè)溫，利用高清無人機(jī)攝像頭對(duì)金具 進(jìn)行高清晰拍照檢查、分析，充分發(fā)揮無人機(jī)的機(jī)動(dòng)、靈活、快速高效的特性。

5.2 制定計(jì)劃，在檢修期對(duì)掛點(diǎn)金具進(jìn)行檢查，使用高精度游標(biāo)卡尺對(duì)磨損處進(jìn)行測(cè)量并做好詳細(xì)記錄，為運(yùn)行分析作對(duì)比。

5.3 對(duì)處于重要交跨的地線掛點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行加固處理，單聯(lián)單線夾掛點(diǎn)改為單聯(lián)雙線夾或雙掛點(diǎn)雙線夾連接方式。

5.4 金具安裝前應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鍍鋅質(zhì)量的檢測(cè)和控制，在確保尺寸精度的前提下，應(yīng)盡量增加鍍鋅厚度，目前金具表面鍍鋅層平均厚度為85μm，實(shí)驗(yàn)表明金具表面鍍鋅層增加到192μm時(shí)能使金具使用壽命延長(zhǎng)。

5.5 在腐蝕嚴(yán)重區(qū)段，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施?？稍阱冧\表面涂覆一道柔性耐磨涂層，顯著提高防腐壽命和抗微動(dòng)腐蝕特性，金具運(yùn)行時(shí)較難維護(hù)，因此需在安裝之前涂覆。

6 結(jié)語(yǔ)

在線路正常運(yùn)行情況下架空地線感應(yīng)電的存在是不可避免的，同時(shí)架空地線常年暴露在空氣中，與硫化物等化合物發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金具表面慢慢腐蝕。為了有效防止地線掛點(diǎn)金具因腐蝕、磨損導(dǎo)致異常發(fā)熱，在現(xiàn)行條件下應(yīng)對(duì)老舊線路本體設(shè)備進(jìn)行細(xì)化管控，對(duì)重要掛點(diǎn)金具進(jìn)行分類，小轉(zhuǎn)角直線塔掛點(diǎn)金具應(yīng)加強(qiáng)防腐，應(yīng)用高強(qiáng)度材料替代普通材料，直接接地掛點(diǎn)兩側(cè)安裝引流線，專人跟蹤并制定科學(xué)的防范措施，一線設(shè)備主人必須實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況，避免金具持續(xù)性發(fā)熱加劇設(shè)備的磨損層度，導(dǎo)致架空地線墜落事故的發(fā)生。