500kV天平线架空地线挂点金具发热与磨损原因分析及处理

王祥祥

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局，广西 百色 533000）

在电力系统中架空地线是架设在输电线路上方，为避免输电线路遭受直接雷击而铺设的线路，架空地线也就是我们通常所说的避雷线。为保证电网的安全稳定运行，最大层度减小雷电对输电线路正常运行的影响，我国相关规程规定110kV级以上高压输电线路应全线架设双地线[1]。在电力系统中，500kV及以上电压等级的高压输电线路架空地线架设方式主要有三种，即直接接地、绝缘以及分段绝缘架设方式。天平线双地线架设方式采用分段绝缘单点接地方式，即部分直线塔左右架空地线挂点直接接地，所有耐张塔架空地线连接方式均采用调整板代替绝缘子连接，也是直接接地。在2019年10月和2020年3月开展直升机巡视作业中发现的部分直接接地挂点金具出现异常发热现象，达到紧急缺陷级别，严重威胁电力系统安全稳定运行。本文对天平线地线挂点金具发热及磨损的详细分析可为同类型输电线路运维方式将提供参考。

1 线路基本情况

天平线于1993年1月投产，是西电东送南通道第一、二回线路，西起天生桥一级电站，东至500kV平果变电站，线路所经地形环境复杂，山地地形占90%以上。天平线直线塔采用猫头塔型，耐张塔采用干字型塔，直线塔占全线92%，直线小转角塔占42%，该条线路架空地线全线采用AACSR-97型的良导体铝合金钢绞线，至今为止已经服役近30年，属于老旧的输电线路。

2 挂点金具发热情况

南方电网超高压输电公司百色局在2019年10月和2020年3月开展直升机巡视作业中发现500kV天平线315号、350号、408号杆塔左右架空地线挂点金具出现异常发热现象，发热点最高温度达81.2℃（见图1），与正常运行的挂点金具温度之差均大于40℃。根据中国南方电网公司输电设备缺陷定级标准（运行分册）2015版的规定，以上3处发热均属于紧急缺陷，需立即进行消缺处理，在进行紧急消缺处理过程中，运维人员又发现U型环、直角挂环、连接螺杆均出现不同程度的磨损现象。

图1 小转角塔地线挂点金具局部过热

3 挂点金具发热、腐蚀原因分析

3.1 发热原因分析

3.1.1 发热机理

①根据《电力金具通用技术条件》（GB2314-2008）的要求以及线路运行经验来看，线路金具作为线路非主要载流设备一般不会产生局部过热现象，所有元件均应无磁滞损失。所有承受电气负荷的金具，其载流量应不小于被安装导线的载流量，即连接金具的温度应与导线相同或比它小[6]。当金具磨损截面积变小时，其载流量会小于原来不磨损的载流量，架空地线与杆塔直接连接，地线上感应电流全部通过挂点金具泄入大地，而小转角挂点金具张力较大，在微风振动的作用下，U型环和直角挂环弧口间接触面在做无规律变化，同时接触电阻大小也在不断变化，久而久之，感应电压在金具磨损处产生电弧放电现象，放电的能量使连接金具电弧灼伤。电弧放电是一种很特殊的自持放电，电弧放电的电流密度很大，在高温、强电场条件（强感应电压）下较容易引发电弧放电。根据焦耳定律可知，较大感应电流产生时，通过电阻值大的金具会发热，当电流、电阻越大时焦耳热能越大，与电弧放电热量叠加会造成挂点金具局部发热。

图2 小转角塔架空地线直接接地挂点金具

②挂点金具长期处于发热状态下时，金具内部结构会发生细微变化，结构变化更易造成金具接触点之间磨损，因而电弧放电会更加强烈。

3.1.2 发热原因类型

500kV天平I线小转角塔其地线通过U型环、直角挂环、平行挂板、悬垂线夹等金具连接直接接地（见图2）。发现挂点金具发热紧急缺陷后，立即对小转角直接接地的杆塔进行排查，发现挂点金具出现了严重锈蚀、且个别金具严重磨损的现象（见表1）。经现场初步判定，挂点金具发热原因为金具磨损、锈蚀氧化产生不导电产物导致接触电阻值增大，电流通过时产生一定的焦耳热量。

根据红外测温分析，金具发热不是太阳光直射所致，在运行的高压输电线路中架空地线存在感应电动势，架空地线通过金具与大地连接形成回路。由于地线与杆塔连接的金具张力很小，在外部环境的影响下地线发生热胀冷缩，造成地线松弛或张力过大，长时间运行并在风力作用下发生不规则摆动以及日晒雨淋影响，在复杂的电磁环境中，挂点金具因承受着拉伸、扭曲、剪切等垂直荷载和水平荷载的作用逐渐磨损、生锈、接触电阻增大，地线感应电流大小也不断变化，当感应电流较大时使温度升高加快；由于感应电流的作用，当金具连接处的电阻较大，该电流通过时产生焦耳热。同时，在挂点金具两端也会存在一定的电压差，当该电压达到其电晕放电时，不光滑的金具表面将会发生连续的电晕放电，从而造成金具局部持续过热[3]。

表1 小转角塔地线挂点金具锈蚀磨损情况

3.1.2.1 地线感应电压的存在

①高压输电线路正常送电时，架空地线中会受到三相电流的电磁感应而出现感应电压和感应电流。

②高压输电线路交叉跨越或穿越其他带电线路时以及与其他线路平行同走廊走线时也会对地线产生感应电压。

③双回不同塔线路中部分杆塔共用接地网时会使得该处杆段架空地线感应电动势加大。

3.1.2.2 分段绝缘形成多个电路回路

①在大电磁环境中分段绝缘区段内构成一个完整的小电流回路，也就是地线通过直接接地挂点金具与铁塔和大地相连形成回路（见图3）。在回路中直接接地挂点金具相当于电阻元件（用符号R表示），即R1和R2，通过绝缘子连接的绝缘部分相当于电容元件，用符号C1、C2、 C3...表示，并联在电路中，在分段内地线绝缘架设的杆塔越多等效并联的电容越多，在电磁环境的作用下导线对架空地线的感应电压会变大，即电压容性补偿。

图3 分段绝缘架设方式形成电流回路

②在线路运行时以及挂点金具完好无损的情况下感应电流很小，再者挂点金具与大地良好连接，不至于使金具发热。

3.1.2.3 感应电压大

500kV天平I线起于天生桥一级电站，止于500kV平果变电站，线路总长400多千米，全线铁塔较矮，与500kV天平Ⅱ线平行且同一走廊，两条线路最近点不足20m，两条线路存在共地网的情况，在线路高负荷运行时导线对各自架空地线会相互感应出较大的感应电动势。在电网建设不断发展的过程中，至今天平I线整条线路与其他带电线路存在多处交叉跨越现象，据了解，该线路被特高压±800kV楚穗直流、±500kV金中直流线跨越以及其跨越多条110kV、220kV输电线路，部分交叉线路情况 见表2。

表2 交叉跨越线路情况

正常情况下，500kV线路静电感应电压大约在50kV～60kV之间[4]，但在与其他带电线路交叉跨越并与其他线路共用地网时，地线上感应电会大大增加，高负荷运行时即达到金具电晕放电时所需电压。

3.2 磨损原因分析

3.2.1 受不平衡作用力影响

图4 直角挂环弧口锈蚀磨损导致截面积减小

图5 连接螺杆锈蚀磨损导致截面积减小

图6 U型环一侧锈蚀磨损导致厚度变小

对于直接接地的小转角杆塔架空地线张力会比较大，500kV天平Ⅰ线采用AACSR-97型铝合金钢绞线，计算重量为707.3kg/km。小转角塔挂点除了受到地线本身的重力外，还受到向前的牵引力、张力以及向左或向右的剪应力，在三个力的共同作用下，当挂点金具在大小风力且方向不同的反复作用下，金具接触点慢慢地会发生轻微磨损，磨损的地方很快会被氧化掉并产生不导电的化学产物，然而作用力在挂点处永远不会变得均匀或消停，长时间的磨损氧化下挂点金具截面积逐渐变小，而氧化物越来越多，进而导致电阻值增大。挂点金具磨损情况见图4、5、6。

3.2.2 受化学物质影响

挂点金具常年暴露于空气之中，经常受到各种腐蚀性气体的侵蚀。随着输电线路沿线工业的飞速发展，产生硫化物的工业企业越来越多，而硫元素是腐蚀镀锌层的罪魁祸首。天平线虽然大部分杆塔处于山区，但空气中的硫分子随着风力作用到处飘散，产生酸雨，慢慢的金具表面就会发生镀锌层的溶解反应，直接接地的架空地线挂点金具因为有小感应电流流过，在雨水作用下发生电化学反应，经过复杂的反应过程产生硫酸锌，使镀锌层完全消化掉，铁质或钢制金具没有保护层保护会加速腐蚀。同时，金具本身独有的特性，使其正常情况下腐蚀速度也会快于塔材和导线。第一，金具的结构形式较为复杂，其单位质量的比表面积较大，存在较多边角和孔隙结构，容易发生缝隙腐蚀和接触腐蚀两种局部腐蚀形态，从边角缝隙处引发腐蚀；第二，金具一般承受较大拉应力，在拉应力作用下，金属将比静止状态更容易腐蚀，因为应力增大了镀锌层表面的破坏程度，使表面产生的裂纹扩展且增多，表面破坏程度变大，腐蚀介质更容易进入镀锌层[5]。

4 解决措施

4.1 安装地线引流线，由引流导流。采用与地线同型号的良好导体制成引流线安装于架空地线支架左右两侧，通过并沟线夹使得引流线与地线稳固连接，接地端直接通过螺栓紧固与塔材。对于紧急发热缺陷必须紧急处理，采用带电安装方式进行（见图7）。

图7 安装接地引流线

4.2 对严重锈蚀、磨损严重的挂点金具进行带电更换，要使用高强度、导电良好的金具材料。对于轻微锈蚀轻微磨损的金具可等到线路停电检修时进行更换，并作好记录。

4.3 对防锈层脱离的金具要进行防锈喷漆处理，防止金具因日晒、雨淋、粉尘及化学活性气体的侵蚀而发生氧化。

4.4 利用每年大修技改制定计划。采取奇数段接地、偶数段换位的接地方式，利用500kV双架空地线感应电压近乎反相的特点，通过架空地线的偶数段换位，使同一段地线换位前和换位后的电压得到中和，有效降低了感应电压，减小了接地环流的产生。

5 注意事项及建议

5.1 服役多年的老线路，对直接接地的架空地线挂点金具要高度重视其运行情况，特别是小转角杆塔，地线挂点受多种作用力。要利用红外测温仪定期进行测温，利用高清无人机摄像头对金具 进行高清晰拍照检查、分析，充分发挥无人机的机动、灵活、快速高效的特性。

5.2 制定计划，在检修期对挂点金具进行检查，使用高精度游标卡尺对磨损处进行测量并做好详细记录，为运行分析作对比。

5.3 对处于重要交跨的地线挂点应进行加固处理，单联单线夹挂点改为单联双线夹或双挂点双线夹连接方式。

5.4 金具安装前应加强对镀锌质量的检测和控制，在确保尺寸精度的前提下，应尽量增加镀锌厚度，目前金具表面镀锌层平均厚度为85μm，实验表明金具表面镀锌层增加到192μm时能使金具使用寿命延长。

5.5 在腐蚀严重区段，应加强防护措施。可在镀锌表面涂覆一道柔性耐磨涂层，显著提高防腐寿命和抗微动腐蚀特性，金具运行时较难维护，因此需在安装之前涂覆。

6 结语

在线路正常运行情况下架空地线感应电的存在是不可避免的，同时架空地线常年暴露在空气中，与硫化物等化合物发生复杂的电化学反应，导致金具表面慢慢腐蚀。为了有效防止地线挂点金具因腐蚀、磨损导致异常发热，在现行条件下应对老旧线路本体设备进行细化管控，对重要挂点金具进行分类，小转角直线塔挂点金具应加强防腐，应用高强度材料替代普通材料，直接接地挂点两侧安装引流线，专人跟踪并制定科学的防范措施，一线设备主人必须实时掌握设备运行情况，避免金具持续性发热加剧设备的磨损层度，导致架空地线坠落事故的发生。