输电线路雷击故障快速定位装置研制及试验分析

刘 程，孔祥美，张奕杰，苏奕辉，许国伟

（汕头供电局，广东 汕头 515000）

0 引言

雷电严重影响电网的安全稳定运行，电网雷击问题一直备受关注[1-4]。输电线路遭受雷击跳闸后，对于故障杆塔的快速定位是当前面临的主要难题[5-7]。在雷击定位装置的研究方面，文献[8]根据三相电流行波极性差异，推导了不同监测区间段内线路雷击点和闪络点定位公式，经EMTP-ATP软件仿真验证，该方法能准确进行输电线路雷击故障定位，但仍属于在线监测，不能满足现场定位的需求。文献[9]基于GSM无线通信网络，对输电线路上各绝缘子串进行实时监测，进而对雷击故障点进行定位，该方法亦是对绝缘子的在线监测，准确率较低，不能满足故障杆塔精准定位的需求。文献[10]通过测量OPGW光缆的温度变化，从而获得输电线路的运行状态信息并对雷击进行定位，但准确率也较低。

目前，各国对输电线路雷击故障快速定位的研究多停留在在线监测方面，对于雷击跳闸后故障杆塔的快速定位、查找等方面研究不足。本文基于“缺陷放大”的思路，利用低熔点合金熔点低及导电性能好的特点，研制了输电线路雷击故障快速定位装置，通过Matlab软件计算并形成双指数函数模型的雷电流波形图，据此对定位装置进行电流冲击试验，验证了定位装置的有效性。

1 雷电流参数

雷电流是一个单极性非周期脉冲波形，通常可在短时间内上升至尖峰幅值（10～150 kA），再由尖峰幅值缓慢下降。雷电流波形主要由雷电流幅值、波头时间（波前时间）和半幅值时间（即波长时间，波尾时间与之相关）三个参数表示。雷电流波头时间大多在1～5μs，平均约为2.6μs；雷电流波尾时间大多在20～100μs，平均约为50μs。防雷保护设计通常采用2.6μs/50μs的雷电流波形。雷电流幅值、雷电流波头时间均为连续性随机变量。标准雷电流波形可用公式（1）描述[11-17]：

式中：i为雷电流；t为时间；Im为雷电流幅值；α、β分别为与雷电流波头、波尾时间相关的常数Im，其中，τf为波头时间，τt为波长时间。

防雷保护计算中，一般采用双指数波等效雷电流波形，只需给定Im、α、β三个参数即可确定雷电流的波形。令Im=10 kA，τf=2.6μs，τt=50μs，利用Mat⁃lab仿真得到基于双指数函数模型的雷电流波形图，如图1所示。

图1 双指数函数模型的雷电流波形

2 定位装置工作原理及制作

定位装置由导电部分和熔融部分构成。导电部分由镀锌扁钢制成，能保障杆塔可靠接地，一旦线路发生过电流故障，过电流可通过导电部分流向大地；同时导电部分能对熔融部分起到支撑作用，在熔融部分熔化时，保证熔液从熔出口流出。熔融部分为低熔点合金由低熔点金属Bi、Sn、Pb、Cd按照一定比例制成，具体如表1所示。低熔点合金熔点为70℃，当输电线路遭受雷击过电流故障时，过电流经杆塔—定位装置—引流板—接地引下线流向大地，使得杆塔与接地引下线之间的低熔点合金熔化流出，从而实现快速定位。

表1 低熔点合金各组成元素质量分数%

根据接地引下线引流板尺寸，确定定位装置几何尺寸为：长度L=150 mm，宽度B=50 mm，厚度D=3 mm，内圈直径R1=10 mm，外圈直径R2=15 mm，内开口长度l1=5 mm，外开口长度l2=10 mm，两孔间距l3=80 mm。定位装置几何模型如图2（a）所示，实物图如图2（b）所示。该定位装置连接于杆塔塔腿主材和接地引下线引流板之间，定位装置现场安装情况如图3所示。

3 雷电冲击试验及结果分析

3.1 搭建试验平台

图2 定位装置

图3 定位装置现场安装图

采用单相50 Hz电源模仿雷电冲击试验，试验时施加电流（10±5%）kA，即雷击时产生的最小电流，将电源电压施加到塔腿主材角钢和镀锌圆钢引下线两端。为避免试验存在的偶然性，试验样品共分4组，每组10个定位装置。试验电路示意图如图4所示。

图4 试验电路示意图

试验前，对每组定位装置样品按照序号R1—R10逐一进行编号并拍照。试验时，将定位装置样品依次连接于各段地线的连接处，接地线间用定位装置连接成串联回路。试验样品由3组绝缘子支撑成悬空状态，使之与大地绝缘，绝缘子上端与试验样品由螺栓连接，绝缘子下端固定在地面钢架结构上，试验平台如图5所示，连接方式如图6所示。

图5 雷电流加载试验平台

图6 定位装置连接方式

3.2 试验结果及分析

试验共分4组进行，分别施加10.2 kA和10.3 kA电流，通流时间分别为0.212 s和0.310 s，将其进行组合，形成4组试验工况，每组试验结束后对该组试验样品逐一进行拍照，并记录样品熔化痕迹，冲击试验结果如表2所示。

表2 电流冲击试验数据

图7所示为雷电冲击试验时定位装置火花放电通道，由图7和表2中数据可以看出，越靠近电源端，雷电冲击试验时定位装置放电通道火花越明显。

图7 雷电冲击试验中定位装置火花放电通道

分析认为，R1—R10均为人工制作而成，定位装置表面较为粗糙，在与引流板连接的过程中，由于表面粗糙造成接触电阻增大，且10个定位装置串联而成，因此在能量传递过程中，随着接触电阻增大，能量逐渐降低，产生的热量也逐渐降低，从而导致样品熔化痕迹不明显。

图8所示为4个组别在不同工况条件下定位装置熔化痕迹。由图8和表2可知，相同雷电流作用下，通流时间越长，定位装置熔化痕迹越明显；在通流时间一定的条件下，雷电流越大，定位装置熔化痕迹越明显。实际工作中，每基杆塔仅在4个塔腿接地引下线引流板处安装1片定位装置，接触电阻小，同时雷电作用在杆塔上的电流强度一般大于10.3 kA，且雷电流作用时间也较试验所加载的通流时间长，因此，在自然条件下，该定位装置能够实现输电线路雷击杆塔的快速定位。

图8 各组别不同工况雷电流作用下定位装置熔化痕迹

4 结语

本文基于“缺陷放大”的思路，利用低熔点合金的熔点低及导电性能好的特点，对传统杆塔与接地引下线引流板之间的连接点进行改进，研制了输电线路雷击故障快速定位装置。通过雷电流冲击试验验，验证了该定位装置的有效性。