輸電線路雷擊故障快速定位裝置研制及試驗(yàn)分析

劉 程，孔祥美，張奕杰，蘇奕輝，許國(guó)偉

（汕頭供電局，廣東 汕頭 515000）

0 引言

雷電嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)雷擊問(wèn)題一直備受關(guān)注[1-4]。輸電線路遭受雷擊跳閘后，對(duì)于故障桿塔的快速定位是當(dāng)前面臨的主要難題[5-7]。在雷擊定位裝置的研究方面，文獻(xiàn)[8]根據(jù)三相電流行波極性差異，推導(dǎo)了不同監(jiān)測(cè)區(qū)間段內(nèi)線路雷擊點(diǎn)和閃絡(luò)點(diǎn)定位公式，經(jīng)EMTP-ATP軟件仿真驗(yàn)證，該方法能準(zhǔn)確進(jìn)行輸電線路雷擊故障定位，但仍屬于在線監(jiān)測(cè)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)定位的需求。文獻(xiàn)[9]基于GSM無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)輸電線路上各絕緣子串進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)雷擊故障點(diǎn)進(jìn)行定位，該方法亦是對(duì)絕緣子的在線監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確率較低，不能滿足故障桿塔精準(zhǔn)定位的需求。文獻(xiàn)[10]通過(guò)測(cè)量OPGW光纜的溫度變化，從而獲得輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)信息并對(duì)雷擊進(jìn)行定位，但準(zhǔn)確率也較低。

目前，各國(guó)對(duì)輸電線路雷擊故障快速定位的研究多停留在在線監(jiān)測(cè)方面，對(duì)于雷擊跳閘后故障桿塔的快速定位、查找等方面研究不足。本文基于“缺陷放大”的思路，利用低熔點(diǎn)合金熔點(diǎn)低及導(dǎo)電性能好的特點(diǎn)，研制了輸電線路雷擊故障快速定位裝置，通過(guò)Matlab軟件計(jì)算并形成雙指數(shù)函數(shù)模型的雷電流波形圖，據(jù)此對(duì)定位裝置進(jìn)行電流沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了定位裝置的有效性。

1 雷電流參數(shù)

雷電流是一個(gè)單極性非周期脈沖波形，通?？稍诙虝r(shí)間內(nèi)上升至尖峰幅值（10～150 kA），再由尖峰幅值緩慢下降。雷電流波形主要由雷電流幅值、波頭時(shí)間（波前時(shí)間）和半幅值時(shí)間（即波長(zhǎng)時(shí)間，波尾時(shí)間與之相關(guān)）三個(gè)參數(shù)表示。雷電流波頭時(shí)間大多在1～5μs，平均約為2.6μs；雷電流波尾時(shí)間大多在20～100μs，平均約為50μs。防雷保護(hù)設(shè)計(jì)通常采用2.6μs/50μs的雷電流波形。雷電流幅值、雷電流波頭時(shí)間均為連續(xù)性隨機(jī)變量。標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形可用公式（1）描述[11-17]：

式中：i為雷電流；t為時(shí)間；Im為雷電流幅值；α、β分別為與雷電流波頭、波尾時(shí)間相關(guān)的常數(shù)Im，其中，τf為波頭時(shí)間，τt為波長(zhǎng)時(shí)間。

防雷保護(hù)計(jì)算中，一般采用雙指數(shù)波等效雷電流波形，只需給定Im、α、β三個(gè)參數(shù)即可確定雷電流的波形。令I(lǐng)m=10 kA，τf=2.6μs，τt=50μs，利用Mat?lab仿真得到基于雙指數(shù)函數(shù)模型的雷電流波形圖，如圖1所示。

圖1 雙指數(shù)函數(shù)模型的雷電流波形

2 定位裝置工作原理及制作

定位裝置由導(dǎo)電部分和熔融部分構(gòu)成。導(dǎo)電部分由鍍鋅扁鋼制成，能保障桿塔可靠接地，一旦線路發(fā)生過(guò)電流故障，過(guò)電流可通過(guò)導(dǎo)電部分流向大地；同時(shí)導(dǎo)電部分能對(duì)熔融部分起到支撐作用，在熔融部分熔化時(shí)，保證熔液從熔出口流出。熔融部分為低熔點(diǎn)合金由低熔點(diǎn)金屬Bi、Sn、Pb、Cd按照一定比例制成，具體如表1所示。低熔點(diǎn)合金熔點(diǎn)為70℃，當(dāng)輸電線路遭受雷擊過(guò)電流故障時(shí)，過(guò)電流經(jīng)桿塔—定位裝置—引流板—接地引下線流向大地，使得桿塔與接地引下線之間的低熔點(diǎn)合金熔化流出，從而實(shí)現(xiàn)快速定位。

表1 低熔點(diǎn)合金各組成元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

根據(jù)接地引下線引流板尺寸，確定定位裝置幾何尺寸為：長(zhǎng)度L=150 mm，寬度B=50 mm，厚度D=3 mm，內(nèi)圈直徑R1=10 mm，外圈直徑R2=15 mm，內(nèi)開口長(zhǎng)度l1=5 mm，外開口長(zhǎng)度l2=10 mm，兩孔間距l(xiāng)3=80 mm。定位裝置幾何模型如圖2（a）所示，實(shí)物圖如圖2（b）所示。該定位裝置連接于桿塔塔腿主材和接地引下線引流板之間，定位裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖3所示。

3 雷電沖擊試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 搭建試驗(yàn)平臺(tái)

圖2 定位裝置

圖3 定位裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

采用單相50 Hz電源模仿雷電沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)施加電流（10±5%）kA，即雷擊時(shí)產(chǎn)生的最小電流，將電源電壓施加到塔腿主材角鋼和鍍鋅圓鋼引下線兩端。為避免試驗(yàn)存在的偶然性，試驗(yàn)樣品共分4組，每組10個(gè)定位裝置。試驗(yàn)電路示意圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)電路示意圖

試驗(yàn)前，對(duì)每組定位裝置樣品按照序號(hào)R1—R10逐一進(jìn)行編號(hào)并拍照。試驗(yàn)時(shí)，將定位裝置樣品依次連接于各段地線的連接處，接地線間用定位裝置連接成串聯(lián)回路。試驗(yàn)樣品由3組絕緣子支撐成懸空狀態(tài)，使之與大地絕緣，絕緣子上端與試驗(yàn)樣品由螺栓連接，絕緣子下端固定在地面鋼架結(jié)構(gòu)上，試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，連接方式如圖6所示。

圖5 雷電流加載試驗(yàn)平臺(tái)

圖6 定位裝置連接方式

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)共分4組進(jìn)行，分別施加10.2 kA和10.3 kA電流，通流時(shí)間分別為0.212 s和0.310 s，將其進(jìn)行組合，形成4組試驗(yàn)工況，每組試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)該組試驗(yàn)樣品逐一進(jìn)行拍照，并記錄樣品熔化痕跡，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 電流沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7所示為雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)定位裝置火花放電通道，由圖7和表2中數(shù)據(jù)可以看出，越靠近電源端，雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)定位裝置放電通道火花越明顯。

圖7 雷電沖擊試驗(yàn)中定位裝置火花放電通道

分析認(rèn)為，R1—R10均為人工制作而成，定位裝置表面較為粗糙，在與引流板連接的過(guò)程中，由于表面粗糙造成接觸電阻增大，且10個(gè)定位裝置串聯(lián)而成，因此在能量傳遞過(guò)程中，隨著接觸電阻增大，能量逐漸降低，產(chǎn)生的熱量也逐漸降低，從而導(dǎo)致樣品熔化痕跡不明顯。

圖8所示為4個(gè)組別在不同工況條件下定位裝置熔化痕跡。由圖8和表2可知，相同雷電流作用下，通流時(shí)間越長(zhǎng)，定位裝置熔化痕跡越明顯；在通流時(shí)間一定的條件下，雷電流越大，定位裝置熔化痕跡越明顯。實(shí)際工作中，每基桿塔僅在4個(gè)塔腿接地引下線引流板處安裝1片定位裝置，接觸電阻小，同時(shí)雷電作用在桿塔上的電流強(qiáng)度一般大于10.3 kA，且雷電流作用時(shí)間也較試驗(yàn)所加載的通流時(shí)間長(zhǎng)，因此，在自然條件下，該定位裝置能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路雷擊桿塔的快速定位。

圖8 各組別不同工況雷電流作用下定位裝置熔化痕跡

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于“缺陷放大”的思路，利用低熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)低及導(dǎo)電性能好的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)桿塔與接地引下線引流板之間的連接點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，研制了輸電線路雷擊故障快速定位裝置。通過(guò)雷電流沖擊試驗(yàn)驗(yàn)，驗(yàn)證了該定位裝置的有效性。