110 kV吕铁线地线金具断裂事故分析

陈燕南

(国网江苏省电力公司 常州供电分公司，江苏 常州 213003)

0 引 言

2018年，常州地区220 kV吕墅变电站某线路开关接地距离Ⅰ段、零序Ⅰ段保护动作跳闸，重合不成，单相故障电流5.471 kA。随后故障巡视发现，在110 kV吕铁线40号塔—铁路牵引变电站构架线档的杆塔侧，一根地线掉落，掉落地线表面和上相导线表面均有放电痕迹。

近年来，国内亦有多次关于牵引变电站架空地线电烧伤案例的报道[1]，但大部分文章仅集中于钢轨电流和电位研究[2-3]，架空地线与牵引变电站接地网相连，有部分电流经接地网返回至牵引站供电线路，供电线路接地系统长期承受大电流从而导致烧蚀情况[4]。本文侧重研究了该供电线路进线档地线断裂金具受蚀和损坏情况，分析造成事故原因并为该类线路安全运行提供解决对策。

1 断裂金具检测分析

1.1 断口外观检查

对掉落地线A的杆塔侧耐张线夹钢锚和配套U型挂环的断口进行观察分析，发现钢锚和U型挂环连接处存在严重的减薄损伤，但钢锚环体和U型挂环未见明显的拉长迹象，断口形貌见图1。对耐张线夹和U型挂环的减薄损伤处进行观察分析，发现其减薄损伤部位存在台阶状分布的纹路，与常规拉伸断口表面的整体光滑的颈缩现象有明显的差异，减薄部位存在黄褐色锈蚀，说明减薄损伤是一个分阶段逐渐发展的过程。对杆塔另一侧未发生掉线的地线B耐张线夹与U型挂环配合处、U型挂环联塔部位进行外观检查，也发现存在明显的放电高温熔融痕迹，而且熔融痕迹新鲜，应是在本次故障中产生。两根地线牵引变电站构架侧的耐张线夹钢锚与U型挂环配合处均未见起弧迹象，说明构架侧未有烧蚀情况。

图1 耐张线夹钢锚和U型挂环配合处断口

1.2 钢构件镀锌层检测

在对耐张线夹钢锚和U型挂环外观检查中发现，断裂金具表面呈灰褐色，但这属于表面污秽沉积所致，表面腐蚀并不严重。用细砂纸将耐张线夹钢锚表面的污垢打磨去除后，仍可见镀锌层。为进一步分析耐张线夹和U型挂环的锈蚀情况，对断裂金具的镀锌层厚度进行了测试，测试结果见表1。

表1 镀锌层测试结果

标准对新品金具的镀锌层厚度要求为：最小值≥70 μm，平均值≥85 μm。考虑到该耐张线夹和U型挂环投运于2006年，已在户外挂网运行12年，从检测的结果来看，钢锚和U型挂环表面的镀锌状态尚好，腐蚀状态轻微。金具表面还存有镀锌层，残存厚度在标准要求值的50%以上，因此判断并非大气腐蚀导致。

1.3 断裂金具材质分析

经征询该金具制造厂家获知，110 kV线路耐张线夹金具材质均为Q235B钢。采用直读式光谱仪对发生断裂的耐张线夹钢锚和U型挂环进行材质化学成分分析，结果见表2。分析结果表明，钢锚和U型挂环材质成分均符合Q235B钢材标准要求。

表2 材质成分分析结果

按照DL/T 767—2009《耐张线夹》标准要求，对杆塔断裂侧耐张线夹钢锚进行布氏硬度测试,检测结果表明，钢锚材质的布氏硬度符合耐张线夹钢锚布氏硬度值应不大于HB 156的标准要求。

实验结果表明，发生烧蚀断裂的耐张线夹钢锚挂环和U型挂环的材质化学成分符合标准要求，钢锚材料的硬度也符合标准，因此可以排除连接金具的金属材质问题。

1.4 断口部位材质金相分析

为分析耐张线夹钢锚挂环的减薄是否与高温有关，对钢锚挂环减薄部位进行了金相组织分析。图2为钢锚挂环靠近减薄部位的金相组织，其中白色区域为铁素体，黑色区域为珠光体，而珠光体已发生明显的球化，说明该部位经受了450 ℃以上、700 ℃以下的高温过程。远离减薄部位的区域，珠光体组织形貌正常。

图2 钢锚挂环内侧靠近减薄处金相组织

金相组织分析显示，该金具靠近减薄损伤处的减薄部位受过高温，结合外观形貌分析，耐张线夹钢锚挂环和U型挂环的损伤断口呈明显的台阶状，由此可以推断损伤减薄不是由磨损所致，而是由电弧放电烧蚀所致。

2 地线电流分析计算

牵引变电站接地网与远处大地间存在电位差，“接地网—架空地线—杆塔—大地”等效回路中会有电流产生，可将其概括为“架空地线电流的产生原因”问题，这是造成本次故障的主要原因。

2.1 铁路牵引站回流分析

电力机车经接触网取得电流，再经钢轨流回牵引变电站，图3是单线直接供电铁路的电流回路示意图。由于钢轨和大地间存在泄漏电导，一部分牵引回流先逐渐泻入大地，然后在牵引变电站附近返回钢轨，形成地中电流，大地由此构成牵引回流的另一个途径。牵引变电站位于坐标原点，根据推导公式[3]，令x=0，可得牵引变电站处地中电流：

图3 电气化铁路供电系统示意图

式中：I—机车牵引电流，A。

由于钢轨在牵引变电站处向两端无限延伸，从x=0向外看去，钢轨视在阻抗即为其特性阻抗Z0，流过牵引变电站接地网的地返回电流为：

牵引变电站接地网通常是由垂直和水平接地极组成的水平网状接地装置，兼有泄流和均压作用。地返回电流IE流经接地网时，会引起接地网局部电位升高，电压抬升数值为地返回电流与接地网电阻的乘积，即：

UG=IE·RE

2.2 架空地线电流影响因素

牵引变电站接地网长期处于电位升高状态，严重时会造成站内电气设备接地电压过高导致设备无法正常工作[5]，因此设计单位通常采取将牵引变电站接地网与供电线路的架空避雷线直接相连的方式降低牵引变电站的接地电阻。同时，为便于变电站内进行地网接地电阻检测，架空线路地线在构架处采用带间隙的绝缘子与变电站地网隔离(见图4)。此外，架空地线还具备一定的分流作用，当牵引变电站发生短路或中性点偏移时，架空地线可以分流一部分故障电流，降低故障下牵引变电站接地网电位。

图4 牵引站供电110 kV线路地线电流分布

牵引变电站接地网流向架空地线的电流受多种因素影响。架空地线接地方式不变时，架空地线电流受牵引变电站地网电位抬升影响较大。由上述分析可知，地网电位抬升既与地返回电流和接地网接地电阻有直接关系，又与钢轨大地泄漏电导、大地电阻率、接地网接地电阻等因素有间接关系。

通过搭建PSCAD环境下仿真模型[6]，模拟了钢轨大地泄漏电导、大地电阻率和接地网接地电阻等参数变化对牵引站接地网电位和架空地线电流大小的影响，发现架空地线电流与地网电位抬升具有变化一致性。当地网电位抬升增大时，地线电流相应增大；当地网电位抬升降低时，地线电流相应减小。电力机车向牵引变电站行进时，架空地线上电流有一个变大的冲击性过程；地网电位抬升随钢轨大地泄漏电导、大地电阻率增大而减小，随地网接地电阻增大而增大；地网电位抬升受钢轨大地泄漏电导、地网接地电阻影响较大，受大地电阻率影响较小。

2.3 架空地线电流入地分布

为了研究进线档频繁发生电烧蚀事故的原因，除研究架空地线中回流电流大小外，还需要掌握电流入地分布情况。

通过模拟110 kV线路全线架设双地线[7]，地线两端分别连到地区变电站和牵引变电站的接地网，其接地电阻分别为RS和RE，架空地线按档距均匀分段，地线逐塔接地，全线共有n基杆塔，接地电阻均为RT。根据基尔霍夫定律可以推导出各杆塔网孔的电压方程，亦可推导出各基杆塔接地电流大小。

根据计算，地线电流分布具有以下规律：牵引变电站附近几档地线上会有较大的电流，地线离牵引变电站越远，其电流值越小；影响架空地线电流分布因素主要是杆塔接地电阻和地线类型。相同条件下，杆塔接地电阻越小或地线电阻越大，杆塔入地电流比重越大。地线上电流占总电流比重越小，在牵引变电站附近几基杆塔越明显，工况条件下前三基杆塔入地电流在80%以上[8]。

3 结 论

本文针对常州某牵引变电站架空线路进线档架空地线金具断裂现象，将其分解为“断裂金具性能分析”和“架空地线电流特性分析”两个子问题。研究结果表明：

(1)发生断裂的耐张线夹和U型挂环材质性能合格，断裂处未承受超过承载能力的拉力，断裂原因与材质不良、大气腐蚀、磨损无关。

(2)耐张金具断裂主要原因为电气化铁路回流引起牵引站地线电位抬高，耐张线夹钢锚与U形挂环间因接触不良，多次放电，引起电弧烧蚀，发生熔断。

(3)为避免同类事故发生，可采取降低牵引变电站接地电阻来抑制地电网电位抬升，从源头上减少地线流入电流；亦可采取降低相邻杆塔接地电阻、保持杆塔与架空地线连接良好(引流线)等方式疏导更多电流尽快入地等。