35kV 可調式直線桿導線后備金具的研究

鄭為湊 林 福 葉鑫杰 王 濤 鄭 燁

(國網(wǎng)寧德供電公司) *1

0 引言

輸電線路上的兩種大氣過電壓, 直擊雷過電壓和感應雷過電壓, 兩種過電壓形成反擊和繞擊, 從而導致線路引起閃絡雷擊跳閘。35kV 輸電線路是電網(wǎng)中的重要組成部分, 仍是部分縣公司的主干網(wǎng)和“生命線”, 在運行過程中受周邊復雜環(huán)境與惡劣氣候的影響容易出現(xiàn)各種故障, 進而影響線路的正常運行, 部分35kV 線路跳閘后可能引起35kV 變電站全站失壓,進一步擴大了停電范圍。而35kV 線路一般反擊耐雷水平為20 -30kA, 耐雷水平較低, 極易在強對流天氣下發(fā)生大面積雷擊跳閘, 影響供電可靠性。根據(jù)某省電網(wǎng)2018—2021 年間故障統(tǒng)計, 累計發(fā)生35kV 電網(wǎng)異常2248 起, 其中斷線故障219 起, 占比9.7%,雷擊斷線占比達70.6%。斷線故障由于發(fā)生頻次較低, 但一旦發(fā)生斷線情況, 因保護裝置特性, 單相接地后仍可持續(xù)運行2h, 對人身和設備均有極大隱患。對用戶供電可靠性和電壓質量的影響不容忽視, 對生產(chǎn)、生活用電和人民的生命安全影響很大, 且被歸類為電網(wǎng)企業(yè)惡性事故[1], 而斷線事故中以雷擊斷線事故占比最大, 所以采取有效的防雷擊斷線措施至關重要。

1 現(xiàn)有技術分析

1.1 雷擊時雷電流路徑分析

線路繞擊是指雷擊線路附近大地, 由電磁感應在導線上產(chǎn)生的過電壓, 雷電繞過避雷線擊中導線。線路反擊是指雷電直接擊中桿塔、避雷線或導線引起的線路過電壓, 雷擊桿塔或避雷線, 造成絕緣子接地端電位比導線高, 并擊穿絕緣子。

通過雷電流路徑分析可得出, 不論發(fā)生繞擊還是反擊均會流經(jīng)懸垂線夾, 傳統(tǒng)35kV 直線桿大檔距和重要跨越導線無保護, 通過鋁包帶纏繞后與懸垂線夾直接固定安裝。懸垂線夾采用鞍型螺栓和舌片夾持實現(xiàn)導線承托, 導線采用鋁包帶包裹。因連接部位間隙較多, 且不同位置截面不一致, 導致在雷電流通過時局部產(chǎn)生熱效應易熔斷導線。

1.2 現(xiàn)有防雷措施和后備保護技術分析

當前35kV 輸電線路防雷擊斷線方式未有十分有效的方法, 經(jīng)過進一步調查對比, 架設避雷線、加裝避雷器、降低桿塔接地電阻三類方式在防雷擊方面有一定效益[2]。但35kV 線路多為單地線架設方式, 防雷水平較低, 常發(fā)生地線雷擊斷落和繞擊情況, 防雷保護范圍小。加裝線路型避雷器, 可以提高線路防雷水平, 但因避雷器本身所設計承受電流原因, 常發(fā)生雷擊后避雷器斷裂情況; 降低接地電阻主要為提供良好的泄流通道, 可避免部分雷擊跳閘情況。以上措施在雷擊發(fā)生時無法有效解決連接點處熱效應情況, 防止斷線情況發(fā)生。

安裝導線后備保護的方法能有效在斷線情況發(fā)生時拉住導線?，F(xiàn)有防脫金具主要有預絞絲式后備保護和金具式后備保護[3-4]。預絞絲式后備保護具備良好的防導線斷線脫落和雷擊電流泄流功能, 主要安裝在耐張線夾調節(jié)板上進行后備保護[5], 沒有在直線桿塔上的安裝案例。金具式后備保護, 安裝便捷, 防導線脫落功能強, 均僅在耐張桿塔上有所應用[6]。無法應用于直線桿導線后備保護。

2 直線導線后備原理

35kV 直線桿塔常因承受雷電流過大, 出線直線桿懸垂線夾處導線雷擊斷股, 甚至脫線事故, 造成巨大安全隱患。設計一種可調節(jié)式機構, 能夠適用于95 或120 等35kV 常用導線, 保證線路安全, 一旦出現(xiàn)該處導線可實現(xiàn)后備保護。

2.1 設備構成

本課題擬采用由導線機械保護部分和電氣分流兩部分構成。其中機械保護部分由夾持式卡線頭、內楔卡槽型阻擋器、拉桿、引流線四個部分構成; 采用鋼外套向原有的導線耐張軸向滑移, 便會產(chǎn)生相應的徑向收縮, 實現(xiàn)大小調節(jié)。作業(yè)方法操作簡單, 無需改變原設備結構, 適用性好, 能大大降低作業(yè)人員的勞動強度, 最大限度消除了事故的斷線沖擊力, 同時,也不影響防振效果。

1) 夾持式卡線頭: 通過夾持大小和楔形位置自動固定, 能有效夾持住不同大小導線, 承受不同截面積大小導線最大使用張力的推力不發(fā)生滑移。

2) 內楔形卡槽型阻擋器: 內楔形卡槽型阻擋器將卡線器安裝在內部, 自動適配位置后, 通過徑向壓縮受力, 能有效防止卡線頭受沖擊時失效, 即受沖擊不發(fā)生脫落。

3) 不銹鋼材質拉桿: 在保護范圍內發(fā)生斷線時阻擋器和卡線頭緊緊握住導線, 拉桿將兩端阻擋器拉住, 防止脫落, 從而實現(xiàn)脫落保護。

4) 銅材質引流線: 在導線遭受雷擊時實現(xiàn)泄流功能, 引導雷電流從引流線通過, 減少通過絕緣子懸垂線夾電流從而避免線夾處雷擊斷線, 同時長時間導通對應不同截面積大小導線部分電流。

當導線斷裂時, 產(chǎn)生鋼外套向原有的導線耐張軸向滑移現(xiàn)象, 便會產(chǎn)生相應的徑向收縮力(如圖1 所示), 壓迫鋁質內套鎖緊導線, 鎖緊力隨著拉桿拉力的增大而增加, 從而實現(xiàn)機械防護, 防止導線掉落。

圖1 徑向受力分析

采用楔形夾持式卡線頭并在楔形卡線頭端部兩側安裝螺絲調節(jié)孔使得夾槽滿足可調節(jié)性, 通過螺絲固定, 將楔形夾持式卡線頭安裝至阻擋器, 實現(xiàn)受力。通過楔形夾持式卡線頭和內楔卡槽型阻擋器配合使用, 實現(xiàn)將裝置安裝在直線桿的導線上, 直線桿絕緣子兩端安裝完成后由螺栓拉桿將兩側內楔卡槽型阻擋器連接一起并張緊, 當發(fā)生斷線故障時, 兩側可同時受力, 防止脫線, 從而實現(xiàn)斷線保護。引流線將引導雷電流通過金具泄流, 避免通過線夾內部, 導致內部導線受損。當發(fā)生斷線故障時, 兩側可同時受力, 防止脫線, 從而實現(xiàn)斷線保護。圖2 為整體安裝示意圖。

圖2 整體安裝示意圖

2.2 電流改善分析

采用了后備金具后, 雷電流大部分會通過引流線分流, 減少途經(jīng)懸垂線夾處的電流, 降低熱效應帶來的危害, 同時因后備金具處與導線的接觸面積較大降低局部熱效應作業(yè), 避免導線損傷。

2.3 斷線受力分析

若仍發(fā)生線夾處雷擊或磨損斷線, 通過后備金具可以降低短時斷線沖擊力, 當導線斷裂時, 產(chǎn)生鋼外套向原有的導線耐張軸向滑移現(xiàn)象, 便會產(chǎn)生相應的徑向收縮力, 壓迫鋁質內套鎖緊導線, 鎖緊力隨著拉桿拉力的增大而增加, 從而實現(xiàn)機械防護。斷線后由原部分導線和壓接引流線受力將導線承托住, 實現(xiàn)垂直方向受力, 避免導線脫落事故。

3 試驗分析

根據(jù)《GB/T 2314—2008 電力金具通用技術條件》、《GB/T 2315—2000 電力金具 標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》、《GB/T 2317.1—2000 電力金具機械試驗方法》、《Q/GDW 13263.1—2014 35kV ～750kV 輸配電線路檔內金具專用技術規(guī)范》等技術規(guī)范對所設計裝置進行型式試驗。

3.1 可調節(jié)度測試

所設計金具, 兼具螺栓型和壓縮型特性。螺栓型主要體現(xiàn)在采用楔形夾持式卡線頭并在楔形卡線頭端部兩側安裝螺絲調節(jié)孔使得夾槽滿足可調節(jié)性, 實現(xiàn)垂直壓力, 引起夾持器的線槽對絞線產(chǎn)生摩擦力從而固定絞線。楔形夾持式卡線頭能有效夾持住95mm2和120mm2大小的35kV 導線。阻擋器內部卡槽受力的滑移會使夾持器和導線產(chǎn)生變形受力, 形成受力整體。

3.2 機械載荷試驗

技術要求: 在標稱機械損傷荷載時金具未發(fā)生永久變形, 在標稱破壞載荷時, 未發(fā)生破壞。對所設計線夾施加相應荷載進行試驗分析。標稱機械損傷荷載試驗: 在標稱機械損傷荷載時金具未發(fā)生永久變形。標稱破壞載荷試驗: 在標稱破壞載荷時, 未發(fā)生破壞。通過試驗, 所設計線夾未發(fā)生形變, 滿足標準要求。

3.3 握緊力試驗

對導線握緊力不低于40% RTS 的工作張力。95mm2和120mm2導線, 對導線握緊力不低于40%RTS的工作張力, 金具無損傷、導線無斷股和破損。

3.4 電氣性能試驗

根據(jù)電氣性能要求, 導線連接兩端點之間的電阻, 不大于接續(xù)點同樣長度的電阻, 通過后備金具的并聯(lián), 可以使連接部位截面積增大, 從而降低局部電阻。面積增大實現(xiàn)受承受的載流量增大和溫升降低。經(jīng)試驗可得出增加金具后線夾部位導電性能不低于導線本身。

4 應用情況

將35kV 可調式直線桿導線后備金具安裝在35kVXX 線上對其進行安裝運行?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場單人安裝, 能夠適用于95mm2或120mm2等不同大小35kV常用導線, 調節(jié)后需能夠保護對導線的吻合度, 避免局部受力。自身所具備對導線拉斷力40%的握緊力,在輸電線路出現(xiàn)突發(fā)情況時, 可以第一時間握住導線, 防止跌落。同時分擔了雷電流傳送的壓力, 減少雷擊過熱現(xiàn)象導致斷線事故。

本成果35kV 可調式直線桿導線后備金具, 能大幅度提高35kV 架空線路直線塔防雷擊斷線水平, 通過該金具的后備保護功能可以直接避免雷擊斷線導致的巨大損失, 據(jù)統(tǒng)計, 1 基35kV 直線桿塔發(fā)生雷擊斷線事故造成的損失或超25 萬元。該后備金具安裝在直線桿上, 不影響線路的正常運行, 安裝后基本無需維護, 每年也能節(jié)約管理成本數(shù)十萬元。

5 結束語

本課題針對35kV 雷擊故障情況, 在明確影響35kV 輸電線路雷擊斷線的幾個主要因素, 形成了以防外力斷線和抗雷擊性能為主要性能依據(jù)后, 設計了相應的卡線和防雷結構, 實現(xiàn)了35kV 輸電線路有效防雷擊斷線措施。該后備金具安裝后, 有效防止了因雷擊斷線造成的線路跳閘、大面積電網(wǎng)停電事故以及嚴重的社會經(jīng)濟損失, 所產(chǎn)生的間接效益也十分巨大。該后備金具的投入運行, 將幫助線路運行管理部門提升35kV 架空線路直線塔的抗雷和防外力破壞水平, 保障輸電線路的安全可靠運行,彌補35kV 架空線路直線桿塔防雷擊斷線保護的空白。裝置安裝后, 減少了線路雷擊跳閘次數(shù), 不僅減輕了輸電線路維護人員的工作負擔, 同時也節(jié)省了龐大的線路雷擊線路跳閘故障特巡費用, 充分保證了部門的經(jīng)濟效益。綜上所述, 該后備金具投入運行后, 有效地將35kV 架空線路直線桿塔雷擊斷線的發(fā)生可能性減少到最小, 可見其具備很好的經(jīng)濟效益和社會效益。