110 kV呂鐵線地線金具斷裂事故分析

陳燕南

(國網(wǎng)江蘇省電力公司 常州供電分公司，江蘇 常州 213003)

0 引 言

2018年，常州地區(qū)220 kV呂墅變電站某線路開關(guān)接地距離Ⅰ段、零序Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合不成，單相故障電流5.471 kA。隨后故障巡視發(fā)現(xiàn)，在110 kV呂鐵線40號(hào)塔—鐵路牽引變電站構(gòu)架線檔的桿塔側(cè)，一根地線掉落，掉落地線表面和上相導(dǎo)線表面均有放電痕跡。

近年來，國內(nèi)亦有多次關(guān)于牽引變電站架空地線電燒傷案例的報(bào)道[1]，但大部分文章僅集中于鋼軌電流和電位研究[2-3]，架空地線與牽引變電站接地網(wǎng)相連，有部分電流經(jīng)接地網(wǎng)返回至牽引站供電線路，供電線路接地系統(tǒng)長期承受大電流從而導(dǎo)致燒蝕情況[4]。本文側(cè)重研究了該供電線路進(jìn)線檔地線斷裂金具受蝕和損壞情況，分析造成事故原因并為該類線路安全運(yùn)行提供解決對(duì)策。

1 斷裂金具檢測(cè)分析

1.1 斷口外觀檢查

對(duì)掉落地線A的桿塔側(cè)耐張線夾鋼錨和配套U型掛環(huán)的斷口進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)鋼錨和U型掛環(huán)連接處存在嚴(yán)重的減薄損傷，但鋼錨環(huán)體和U型掛環(huán)未見明顯的拉長跡象，斷口形貌見圖1。對(duì)耐張線夾和U型掛環(huán)的減薄損傷處進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)其減薄損傷部位存在臺(tái)階狀分布的紋路，與常規(guī)拉伸斷口表面的整體光滑的頸縮現(xiàn)象有明顯的差異，減薄部位存在黃褐色銹蝕，說明減薄損傷是一個(gè)分階段逐漸發(fā)展的過程。對(duì)桿塔另一側(cè)未發(fā)生掉線的地線B耐張線夾與U型掛環(huán)配合處、U型掛環(huán)聯(lián)塔部位進(jìn)行外觀檢查，也發(fā)現(xiàn)存在明顯的放電高溫熔融痕跡，而且熔融痕跡新鮮，應(yīng)是在本次故障中產(chǎn)生。兩根地線牽引變電站構(gòu)架側(cè)的耐張線夾鋼錨與U型掛環(huán)配合處均未見起弧跡象，說明構(gòu)架側(cè)未有燒蝕情況。

圖1 耐張線夾鋼錨和U型掛環(huán)配合處斷口

1.2 鋼構(gòu)件鍍鋅層檢測(cè)

在對(duì)耐張線夾鋼錨和U型掛環(huán)外觀檢查中發(fā)現(xiàn)，斷裂金具表面呈灰褐色，但這屬于表面污穢沉積所致，表面腐蝕并不嚴(yán)重。用細(xì)砂紙將耐張線夾鋼錨表面的污垢打磨去除后，仍可見鍍鋅層。為進(jìn)一步分析耐張線夾和U型掛環(huán)的銹蝕情況，對(duì)斷裂金具的鍍鋅層厚度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 鍍鋅層測(cè)試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新品金具的鍍鋅層厚度要求為：最小值≥70 μm，平均值≥85 μm?？紤]到該耐張線夾和U型掛環(huán)投運(yùn)于2006年，已在戶外掛網(wǎng)運(yùn)行12年，從檢測(cè)的結(jié)果來看，鋼錨和U型掛環(huán)表面的鍍鋅狀態(tài)尚好，腐蝕狀態(tài)輕微。金具表面還存有鍍鋅層，殘存厚度在標(biāo)準(zhǔn)要求值的50%以上，因此判斷并非大氣腐蝕導(dǎo)致。

1.3 斷裂金具材質(zhì)分析

經(jīng)征詢?cè)摻鹁咧圃鞆S家獲知，110 kV線路耐張線夾金具材質(zhì)均為Q235B鋼。采用直讀式光譜儀對(duì)發(fā)生斷裂的耐張線夾鋼錨和U型掛環(huán)進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。分析結(jié)果表明，鋼錨和U型掛環(huán)材質(zhì)成分均符合Q235B鋼材標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 材質(zhì)成分分析結(jié)果

按照DL/T 767—2009《耐張線夾》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)桿塔斷裂側(cè)耐張線夾鋼錨進(jìn)行布氏硬度測(cè)試,檢測(cè)結(jié)果表明，鋼錨材質(zhì)的布氏硬度符合耐張線夾鋼錨布氏硬度值應(yīng)不大于HB 156的標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生燒蝕斷裂的耐張線夾鋼錨掛環(huán)和U型掛環(huán)的材質(zhì)化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼錨材料的硬度也符合標(biāo)準(zhǔn)，因此可以排除連接金具的金屬材質(zhì)問題。

1.4 斷口部位材質(zhì)金相分析

為分析耐張線夾鋼錨掛環(huán)的減薄是否與高溫有關(guān)，對(duì)鋼錨掛環(huán)減薄部位進(jìn)行了金相組織分析。圖2為鋼錨掛環(huán)靠近減薄部位的金相組織，其中白色區(qū)域?yàn)殍F素體，黑色區(qū)域?yàn)橹楣怏w，而珠光體已發(fā)生明顯的球化，說明該部位經(jīng)受了450 ℃以上、700 ℃以下的高溫過程。遠(yuǎn)離減薄部位的區(qū)域，珠光體組織形貌正常。

圖2 鋼錨掛環(huán)內(nèi)側(cè)靠近減薄處金相組織

金相組織分析顯示，該金具靠近減薄損傷處的減薄部位受過高溫，結(jié)合外觀形貌分析，耐張線夾鋼錨掛環(huán)和U型掛環(huán)的損傷斷口呈明顯的臺(tái)階狀，由此可以推斷損傷減薄不是由磨損所致，而是由電弧放電燒蝕所致。

2 地線電流分析計(jì)算

牽引變電站接地網(wǎng)與遠(yuǎn)處大地間存在電位差，“接地網(wǎng)—架空地線—桿塔—大地”等效回路中會(huì)有電流產(chǎn)生，可將其概括為“架空地線電流的產(chǎn)生原因”問題，這是造成本次故障的主要原因。

2.1 鐵路牽引站回流分析

電力機(jī)車經(jīng)接觸網(wǎng)取得電流，再經(jīng)鋼軌流回牽引變電站，圖3是單線直接供電鐵路的電流回路示意圖。由于鋼軌和大地間存在泄漏電導(dǎo)，一部分牽引回流先逐漸瀉入大地，然后在牽引變電站附近返回鋼軌，形成地中電流，大地由此構(gòu)成牽引回流的另一個(gè)途徑。牽引變電站位于坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)推導(dǎo)公式[3]，令x=0，可得牽引變電站處地中電流：

圖3 電氣化鐵路供電系統(tǒng)示意圖

式中：I—機(jī)車牽引電流，A。

由于鋼軌在牽引變電站處向兩端無限延伸，從x=0向外看去，鋼軌視在阻抗即為其特性阻抗Z0，流過牽引變電站接地網(wǎng)的地返回電流為：

牽引變電站接地網(wǎng)通常是由垂直和水平接地極組成的水平網(wǎng)狀接地裝置，兼有泄流和均壓作用。地返回電流IE流經(jīng)接地網(wǎng)時(shí)，會(huì)引起接地網(wǎng)局部電位升高，電壓抬升數(shù)值為地返回電流與接地網(wǎng)電阻的乘積，即：

UG=IE·RE

2.2 架空地線電流影響因素

牽引變電站接地網(wǎng)長期處于電位升高狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成站內(nèi)電氣設(shè)備接地電壓過高導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作[5]，因此設(shè)計(jì)單位通常采取將牽引變電站接地網(wǎng)與供電線路的架空避雷線直接相連的方式降低牽引變電站的接地電阻。同時(shí)，為便于變電站內(nèi)進(jìn)行地網(wǎng)接地電阻檢測(cè)，架空線路地線在構(gòu)架處采用帶間隙的絕緣子與變電站地網(wǎng)隔離(見圖4)。此外，架空地線還具備一定的分流作用，當(dāng)牽引變電站發(fā)生短路或中性點(diǎn)偏移時(shí)，架空地線可以分流一部分故障電流，降低故障下牽引變電站接地網(wǎng)電位。

圖4 牽引站供電110 kV線路地線電流分布

牽引變電站接地網(wǎng)流向架空地線的電流受多種因素影響。架空地線接地方式不變時(shí)，架空地線電流受牽引變電站地網(wǎng)電位抬升影響較大。由上述分析可知，地網(wǎng)電位抬升既與地返回電流和接地網(wǎng)接地電阻有直接關(guān)系，又與鋼軌大地泄漏電導(dǎo)、大地電阻率、接地網(wǎng)接地電阻等因素有間接關(guān)系。

通過搭建PSCAD環(huán)境下仿真模型[6]，模擬了鋼軌大地泄漏電導(dǎo)、大地電阻率和接地網(wǎng)接地電阻等參數(shù)變化對(duì)牽引站接地網(wǎng)電位和架空地線電流大小的影響，發(fā)現(xiàn)架空地線電流與地網(wǎng)電位抬升具有變化一致性。當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)電位抬升增大時(shí)，地線電流相應(yīng)增大；當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)電位抬升降低時(shí)，地線電流相應(yīng)減小。電力機(jī)車向牽引變電站行進(jìn)時(shí)，架空地線上電流有一個(gè)變大的沖擊性過程；地網(wǎng)電位抬升隨鋼軌大地泄漏電導(dǎo)、大地電阻率增大而減小，隨地網(wǎng)接地電阻增大而增大；地網(wǎng)電位抬升受鋼軌大地泄漏電導(dǎo)、地網(wǎng)接地電阻影響較大，受大地電阻率影響較小。

2.3 架空地線電流入地分布

為了研究進(jìn)線檔頻繁發(fā)生電燒蝕事故的原因，除研究架空地線中回流電流大小外，還需要掌握電流入地分布情況。

通過模擬110 kV線路全線架設(shè)雙地線[7]，地線兩端分別連到地區(qū)變電站和牽引變電站的接地網(wǎng)，其接地電阻分別為RS和RE，架空地線按檔距均勻分段，地線逐塔接地，全線共有n基桿塔，接地電阻均為RT。根據(jù)基爾霍夫定律可以推導(dǎo)出各桿塔網(wǎng)孔的電壓方程，亦可推導(dǎo)出各基桿塔接地電流大小。

根據(jù)計(jì)算，地線電流分布具有以下規(guī)律：牽引變電站附近幾檔地線上會(huì)有較大的電流，地線離牽引變電站越遠(yuǎn)，其電流值越??；影響架空地線電流分布因素主要是桿塔接地電阻和地線類型。相同條件下，桿塔接地電阻越小或地線電阻越大，桿塔入地電流比重越大。地線上電流占總電流比重越小，在牽引變電站附近幾基桿塔越明顯，工況條件下前三基桿塔入地電流在80%以上[8]。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)常州某牽引變電站架空線路進(jìn)線檔架空地線金具斷裂現(xiàn)象，將其分解為“斷裂金具性能分析”和“架空地線電流特性分析”兩個(gè)子問題。研究結(jié)果表明：

(1)發(fā)生斷裂的耐張線夾和U型掛環(huán)材質(zhì)性能合格，斷裂處未承受超過承載能力的拉力，斷裂原因與材質(zhì)不良、大氣腐蝕、磨損無關(guān)。

(2)耐張金具斷裂主要原因?yàn)殡姎饣F路回流引起牽引站地線電位抬高，耐張線夾鋼錨與U形掛環(huán)間因接觸不良，多次放電，引起電弧燒蝕，發(fā)生熔斷。

(3)為避免同類事故發(fā)生，可采取降低牽引變電站接地電阻來抑制地電網(wǎng)電位抬升，從源頭上減少地線流入電流；亦可采取降低相鄰桿塔接地電阻、保持桿塔與架空地線連接良好(引流線)等方式疏導(dǎo)更多電流盡快入地等。