500kV输电线路架空绝缘地线

500kV输电线路架空绝缘地线
〔摘要〕通过对一起500kV输电线路地线掉线事故的分析，指出了目前输电线路设计、运行的不足和潜在的安全隐患，并提出若干防止地线掉线、改进防雷性能的对策。

同时结合实际情况，对保护OPGW复合光缆的课题进行了初步探讨。

〔关键词〕输电线路；感应电压；架空绝缘地线；掉线
500 kV东惠甲线由原500 kV惠增线在东莞站解口而成，是西电东送工程的重要部分。

该线路采用双地线结构，其中型号为LGJ-95/55的普通地线全线绝缘，另一回型号为AY/ST127/28的OPGW复合光缆则全线接地。

2004-10-16T 8:50，输电线路巡视人员发现500 kV东惠甲线N102塔地线由于瓷质绝缘子铁帽和钢脚分离而掉线，掉线的地线跌落在导线A相横担上，地线与A相导线的距离缩小，最大减幅达4 m。

由于N102采用ZB1直线塔型，横担比地线支架长约1.5 m，且前后数基均为直线塔，前后档距也较小，因而地线垂直跌落后在距离横担边1 m处，虽使地线对导线的距离减少，却未引发线路跳闸。

1 原因分析
1.1 架空绝缘地线的感应电压
输电线路上的架空地线，大多数都是在每基杆塔上直接接地的，但接了地的地线会长期流过感应电流，使线损增大。

为了减少地线的线损和利
用地线进行高频载波通讯，不少线路都采用了架空绝缘地线。

2000年，500 kV东惠甲线由原500 kV惠增线在500 kV东莞站解口时，将原来一回架空绝缘地线改为OPGW复合光缆，通讯功能由OPGW复合光缆承担，但为了减少线损，另一回仍采用架空绝缘形式。

架空绝缘地线有较高的感应电势，其大小与线路电压、负荷、长度及地线与导线间距离有关。

500 kV东惠甲线由于电压高、负荷重，架空绝缘地线的感应电势可能达到10 kV级。

如此高的感应电压使地线绝缘子实际上相当于被作为导线绝缘子(电压等级为几个10 kV级的输电线路)使用，造成对绝缘子电气和机械性能的损伤。

1.2 瓷绝缘子电气和机械性能的丧失
(1) 由于所使用的瓷绝缘子为内胶装结构，其胶装粘合剂水泥和钢脚、铁帽、瓷件的热膨胀系数各不相同。

温度变化时因各部件热胀系数的差异，将使瓷件受到压应力和剪切应力的作用；水泥的长期膨胀(俗称“水泥生长”)也使瓷件和铁帽受到局部应力并产生疲劳效应，其绝缘性能随着运行时间的延长会逐渐降低，甚至完全丧失，此时瓷绝缘子处于击穿运行状态。

运行中的瓷质绝缘子承受的感应电压越高，其电气性能丧失的时间越短。

(2) 处于临界击穿或已击穿状态的绝缘子的电气性能虽已大幅度下降或丧失，不能满足绝缘的要求，但其机械强度仍然可以满足设计的要求，所以此时地线不会马上掉线。

由于胶装粘合剂水泥等填充物的存在，绝缘子有一定的电阻值，在10 kV级感应电压的作用下，绝缘子出现了比正常接地感应电流大得多的“短路”感应电流。

这个感应电流对绝缘子内部会有明显的热作用，热量的积累导致绝缘子温度升高。

机电负荷和温升的长
期变化进一步加速了绝缘子的老化，而进一步老化的结果又导致热效应的加剧，从而形成了恶性循环。

经过一段长时间或遭受雷击等强电流的作用，胶装粘合剂水泥等填充物因热效应局部融化，失去支撑能力，或因瞬间骤热而发生爆炸，因而产生绝缘子断串。

1.3 掉线原因
500 kV东惠甲线的架空绝缘地线采用大连电瓷厂生产的XDP6-7C地线专用绝缘子，带保护间隙，于1996年投运。

由于绝缘子掉线前2个月内，当地并未出现雷电，因此掉线原因应该是绝缘子老化，绝缘子填充物局部融化。

更换下来的绝缘子与悬垂线夹连接的金属部分有严重锈蚀，上面还残留有泪滴状的绝缘子填充物，绝缘子头部填充物有局部融化的痕迹，这表明高感应电压及其产生的强泄漏电流对绝缘子的老化和掉线起到了重要作用。

2 暴露的问题
2.1 绝缘子选用不当
500 kV东惠甲线的架空绝缘地线采用瓷质绝缘子，有多种不利于运行的因素。

(1) 瓷质绝缘子属于可击穿型绝缘子，老化绝缘子的存在对线路的安全运行是一种潜在的威胁，并不易发现，定期检测需要大量的人力物力。

当线路运行和维护人员较少时，绝缘子老化的缺陷就更难及时发现。

(2) 长期以来，人们对应用于输电线路导线的瓷质绝缘子的潜在的威胁有着深刻的认识和研究，目前大多数导线瓷质绝缘子已经被更换为钢化玻璃绝缘子；但对用于地线的瓷质绝缘子可能存在的危害认识不足，认为地
线瓷质绝缘子承受电压低，不易老化，因而未能及时变更设计或进行大修改造。

(3) 线路投运和大修改造时，设计部门对磁质绝缘子存在的问题重视程度不够，过于注重成本控制和“静态”运行，未能充分考虑线路运行后的“动态”情况，不但导致运行部门工作量大增，容易出现错检、漏检，而且使线路存在先天安全隐患，不利于输电线路的长期安全、经济运行。

2.2 瓷质绝缘子对降低线损的作用不理想
本线路地线采用绝缘子的主要目的是要实现地线全线绝缘以降低线损，但由于瓷质绝缘子在运行了一段时间后，其电气绝缘性能逐渐丧失。

由于丧失了电气绝缘性能的瓷质绝缘子的存在，架空绝缘地线实际已经处于单点接地的状态，原本架空绝缘的地线也就出现了额外泄漏电流。

单点接地的架空绝缘地线，其总体感应电压仍然很高，由此产生的额外泄漏电流的值也很高，线路此时的线损大幅度增加。

可见，本线路降低线损过于依赖瓷质绝缘子的电气可靠性，而瓷质绝缘子易击穿的特性早就为长期降低线损埋下了隐患。

2.3 架空绝缘地线运行方式存在问题
2.3.1 导致地线产生高感应电压
全线绝缘的方式虽然减少了线损，但必定导致地线上的高感应电压大增。

高感应电压不但加速瓷质绝缘子老化进而击穿的速度，而且会在瓷质绝缘子击穿后进一步破坏瓷质绝缘子的机械性能，这是导致掉线的主要诱因之一。

2.3.2 导致OPGW断股
(1) 500 kV东惠甲线的一回地线采用OPGW复合光缆，其直径稍大，且外层采用铝合金线，熔点也稍高。

但由于另一回地线采用全线绝缘的方式，导致线路遭受雷击时，OPGW复合光缆因全线接地而承受较大的雷击电流。

根据系统短路电流计算曲线，当故障点出现在离变电站出口2 km左右时，短路电流可达33.4 kA，短路电流的80％以上流过OPGW复合光缆，这个电流值已经接近或超过AY/ST127/28型OPGW复合光缆最大允许电流值22 kA(0.5 s)。

(2) 由于AY/ST127/28型OPGW复合光缆外层铝合金线直径为3.0 mm，较LGJ-95/55地线外层铝线直径3.2 mm小，同等条件下，OPGW复合光缆外层单线承受的电流较LGJ-95/55地线大，瞬时产生的热量也较多。

而现时地线的耐雷设计采用的是美国军用航空规范，主要考虑雷电初始冲击和再冲击的影响，对雷电中间电流和连续电流的影响考虑得较少。

雷电是一种持续时间长、电流幅度低的连续电流，国内研究表明，雷电连续电流峰值为440 A，持续时间为435 ms，并有多个小脉冲，中和电荷约58C。

雷电连续电流放电过程中电荷转移量的大小对OPGW复合光缆的断股起到重要作用，随着雷电通道连续电流放电过程电荷转移量的增加，OPGW复合光缆雷击损坏程度也增加。

由于上述对雷电连续电流研究是考虑2回地线都接地时的情况，因此，当1回地线架空绝缘时，流经OPGW复合光缆的连续电流峰值、电荷转移量可能更大，持续时间更长。

500 kV东惠甲线OPGW复合光缆在运行中曾2次受雷击断股。

其原因正是由于承受了更多雷电电流，导致外层铝合金线局部高温过热，有的直接熔断，有的由于部分熔融在巨大张力作用下断裂。

2.4 未能准确、全面对瓷质绝缘子进行检测
负责管辖500 kV东惠甲线的班组只有10个人，他们不但要负责东莞所有110 kV以上线路的带电作业，还要负责东莞6条500 kV线路和多条重要的220，110 kV线路的运行、维护和检修工作。

班组工作量大，而人手又相对不足。

加上500 kV东惠甲线地处山区，一般只在阴天时用红外测试仪进行检测，夜晚只能检测部分地形较好的杆号段。

而由于太阳红外线的干扰，阴天检测质量也难以保证，加上配备的仪器不够先进，有时对高塔瓷质绝缘子的检测也不准确。

3 保证地线安全运行的对策
3.1 将瓷质绝缘子更换为钢化玻璃绝缘子
对2根地线均为普通地线的输电线路，将瓷质绝缘子更换为钢化玻璃绝缘子。

钢化玻璃绝缘子具有优良的机电性能，其抗拉强度是瓷质绝缘子的2.2倍，耐电击穿性能是瓷质绝缘子的3.8倍，耐振动疲劳、耐电弧烧伤和耐冷热冲击性能也优于瓷质绝缘子，因而使用钢化玻璃绝缘子可大大降低故障几率。

钢化玻璃绝缘子还具有“零值自爆”的特点，便于发现绝缘子的劣化。

零值的钢化玻璃绝缘子，强电流大部分在零值绝缘子铁帽和钢脚通过(因自爆后的绝缘子其铁帽和钢脚间的空间距离很短)，经过铁帽内部的部分非常小，这就大大减少了断串的概率。

采用钢化玻璃绝缘子后，维护和检修工作减少，也符合在人员配备不足的情况下，利用先进材料，间接提高工作效率的原则。

3.2 改变地线架设方式
(1) 输电线路有1根地线为OPGW复合光缆的，可考虑改变地线架设
方式。

在线路停电时间紧张的情况下，可以考虑先采用多点加装接地引流线的办法，在不改变架空地线受力的情况下实现局部绝缘运行。

这虽然会增加线损，但可以大幅度降低架空地线上的感应电压，不致因高感应电压而加速绝缘子老化和机械性能丧失。

(2) OPGW复合光缆在运行中不但具有防雷功能，还肩负着通讯的重要作用。

在面对不可抗力因素时，优先保护OPGW复合光缆是必要的，也是必须的。

在线路停电时间充裕的时候，将架空绝缘地线全线绝缘方式改为直接接地方式，不但可以消除因绝缘子老化造成的掉线隐患，还可以减小雷击时流过OPGW复合光缆的电流，起到保护OPGW复合光缆的作用。

3.3 定期对未更换的瓷质绝缘子进行检测
(1) 购置功能先进的红外检测设备，条件许可的话尽量在夜间采用红外测试仪检测。

(2) 测量架空绝缘地线的实际感应电压，选择最恰当的火花间隙对地形恶劣的杆塔用火花间隙法检测。

(3) 瓷质绝缘子击穿后不但有发热现象，也有较大的感应电流，因此可以用钳型电流表测量杆塔的泄漏电流，如果测得的电流值较大，则此杆塔绝缘地线绝缘子可能被击穿，应重点加强检测。