輸電線路雷擊故障快速定位裝置研制及試驗分析

劉 程，孔祥美，張奕杰，蘇奕輝，許國偉

（汕頭供電局，廣東 汕頭 515000）

0 引言

雷電嚴重影響電網的安全穩定運行，電網雷擊問題一直備受關注[1-4]。輸電線路遭受雷擊跳閘后，對于故障桿塔的快速定位是當前面臨的主要難題[5-7]。在雷擊定位裝置的研究方面，文獻[8]根據三相電流行波極性差異，推導了不同監測區間段內線路雷擊點和閃絡點定位公式，經EMTP-ATP軟件仿真驗證，該方法能準確進行輸電線路雷擊故障定位，但仍屬于在線監測，不能滿足現場定位的需求。文獻[9]基于GSM無線通信網絡，對輸電線路上各絕緣子串進行實時監測，進而對雷擊故障點進行定位，該方法亦是對絕緣子的在線監測，準確率較低，不能滿足故障桿塔精準定位的需求。文獻[10]通過測量OPGW光纜的溫度變化，從而獲得輸電線路的運行狀態信息并對雷擊進行定位，但準確率也較低。

目前，各國對輸電線路雷擊故障快速定位的研究多停留在在線監測方面，對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，利用低熔點合金熔點低及導電性能好的特點，研制了輸電線路雷擊故障快速定位裝置，通過Matlab軟件計算并形成雙指數函數模型的雷電流波形圖，據此對定位裝置進行電流沖擊試驗，驗證了定位裝置的有效性。

1 雷電流參數

雷電流是一個單極性非周期脈沖波形，通常可在短時間內上升至尖峰幅值（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、波頭時間（波前時間）和半幅值時間（即波長時間，波尾時間與之相關）三個參數表示。雷電流波頭時間大多在1～5μs，平均約為2.6μs；雷電流波尾時間大多在20～100μs，平均約為50μs。防雷保護設計通常采用2.6μs/50μs的雷電流波形。雷電流幅值、雷電流波頭時間均為連續性隨機變量。標準雷電流波形可用公式（1）描述[11-17]：

式中：i為雷電流；t為時間；Im為雷電流幅值；α、β分別為與雷電流波頭、波尾時間相關的常數Im，其中，τf為波頭時間，τt為波長時間。

防雷保護計算中，一般采用雙指數波等效雷電流波形，只需給定Im、α、β三個參數即可確定雷電流的波形。令Im=10 kA，τf=2.6μs，τt=50μs，利用Mat?lab仿真得到基于雙指數函數模型的雷電流波形圖，如圖1所示。

圖1 雙指數函數模型的雷電流波形

2 定位裝置工作原理及制作

定位裝置由導電部分和熔融部分構成。導電部分由鍍鋅扁鋼制成，能保障桿塔可靠接地，一旦線路發生過電流故障，過電流可通過導電部分流向大地；同時導電部分能對熔融部分起到支撐作用，在熔融部分熔化時，保證熔液從熔出口流出。熔融部分為低熔點合金由低熔點金屬Bi、Sn、Pb、Cd按照一定比例制成，具體如表1所示。低熔點合金熔點為70℃，當輸電線路遭受雷擊過電流故障時，過電流經桿塔—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合金熔化流出，從而實現快速定位。

表1 低熔點合金各組成元素質量分數%

根據接地引下線引流板尺寸，確定定位裝置幾何尺寸為：長度L=150 mm，寬度B=50 mm，厚度D=3 mm，內圈直徑R1=10 mm，外圈直徑R2=15 mm，內開口長度l1=5 mm，外開口長度l2=10 mm，兩孔間距l3=80 mm。定位裝置幾何模型如圖2（a）所示，實物圖如圖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，定位裝置現場安裝情況如圖3所示。

3 雷電沖擊試驗及結果分析

3.1 搭建試驗平臺

圖2 定位裝置

圖3 定位裝置現場安裝圖

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

圖4 試驗電路示意圖

試驗前，對每組定位裝置樣品按照序號R1—R10逐一進行編號并拍照。試驗時，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回路。試驗樣品由3組絕緣子支撐成懸空狀態，使之與大地絕緣，絕緣子上端與試驗樣品由螺栓連接，絕緣子下端固定在地面鋼架結構上，試驗平臺如圖5所示，連接方式如圖6所示。

圖5 雷電流加載試驗平臺

圖6 定位裝置連接方式

3.2 試驗結果及分析

試驗共分4組進行，分別施加10.2 kA和10.3 kA電流，通流時間分別為0.212 s和0.310 s，將其進行組合，形成4組試驗工況，每組試驗結束后對該組試驗樣品逐一進行拍照，并記錄樣品熔化痕跡，沖擊試驗結果如表2所示。

表2 電流沖擊試驗數據

圖7所示為雷電沖擊試驗時定位裝置火花放電通道，由圖7和表2中數據可以看出，越靠近電源端，雷電沖擊試驗時定位裝置放電通道火花越明顯。

圖7 雷電沖擊試驗中定位裝置火花放電通道

分析認為，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程中，由于表面粗糙造成接觸電阻增大，且10個定位裝置串聯而成，因此在能量傳遞過程中，隨著接觸電阻增大，能量逐漸降低，產生的熱量也逐漸降低，從而導致樣品熔化痕跡不明顯。

圖8所示為4個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，通流時間越長，定位裝置熔化痕跡越明顯；在通流時間一定的條件下，雷電流越大，定位裝置熔化痕跡越明顯。實際工作中，每基桿塔僅在4個塔腿接地引下線引流板處安裝1片定位裝置，接觸電阻小，同時雷電作用在桿塔上的電流強度一般大于10.3 kA，且雷電流作用時間也較試驗所加載的通流時間長，因此，在自然條件下，該定位裝置能夠實現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 結語

本文基于“缺陷放大”的思路，利用低熔點合金的熔點低及導電性能好的特點，對傳統桿塔與接地引下線引流板之間的連接點進行改進，研制了輸電線路雷擊故障快速定位裝置。通過雷電流沖擊試驗驗，驗證了該定位裝置的有效性。