李金戈（湖北省送變電工程公司，湖北武漢430000）

新型輸電線路桿塔雷電流記錄裝置的應(yīng)用研究

李金戈（湖北省送變電工程公司，湖北武漢430000）

本文首先設(shè)計(jì)了新型輸電線路桿塔雷電流記錄裝置，闡述了項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)，針對(duì)其中的項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)研究，重點(diǎn)對(duì)雷電流記錄裝置的工業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，結(jié)果表明獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。希望對(duì)于其他人士具有啟發(fā)與參考的作用。

新型輸電線路；桿塔雷電流；記錄裝置

1 引言

目前雷電流記錄裝置主要可分為兩大類(lèi)型：電磁繼電器型和電子型。電磁繼電器型計(jì)數(shù)器通過(guò)雷電流在非線性電阻上產(chǎn)生電壓，經(jīng)過(guò)直流變換，對(duì)電磁繼電器線圈放電，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器銜鐵，撥動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器撥盤(pán)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的目的。感應(yīng)電流電子型計(jì)數(shù)器通過(guò)雷電流感應(yīng)電壓，產(chǎn)生‘0’或‘1’信號(hào)，通過(guò)芯片數(shù)顯，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的目的。上述雷電流記錄裝置均采用了電子器件和電源，要求運(yùn)行環(huán)境較好，并需定期維護(hù)，在應(yīng)用環(huán)境較為惡劣，要求免維護(hù)的場(chǎng)合，其應(yīng)用受到限制。

本文針對(duì)工程實(shí)際需要，尤其是應(yīng)用環(huán)境惡劣，要求免維護(hù)的情況下，基于將電流變化轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)作研發(fā)出一種無(wú)源雷電流記錄裝置，具有原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、無(wú)需電源及電子器件，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2 項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)如下：

（1）針對(duì)目前雷擊計(jì)數(shù)器普遍采用電子器件和電源的局限，本文研發(fā)一種熱效應(yīng)雷擊計(jì)數(shù)器，利用雷電流通過(guò)電阻絲發(fā)熱產(chǎn)生的熱量使空氣等介質(zhì)膨脹，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。本裝置無(wú)需電源及電子器件、可靠性高、成本低、性能穩(wěn)定，尤其適用于應(yīng)用環(huán)境惡劣、要求免維護(hù)的情況。

（2）在裝置的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)定型之后，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境，確定裝置的IP等級(jí)和外形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行裝置試制。

（3）該裝置研發(fā)成功之后，篩選100基雷擊概率較大的輸電桿塔進(jìn)行試安裝，裝置具有體積小、易安裝和操作的特點(diǎn)，在通常巡線時(shí)即可安裝和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，評(píng)估該批桿塔的雷擊跳閘事故風(fēng)險(xiǎn)。

注：普通輸電線路雷擊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為0.1～0.2次/百公里/年，為了能夠有效反映該裝置的使用效果，應(yīng)至少安裝100基桿塔（500m檔距）作為應(yīng)用，且應(yīng)選擇落雷密度較高的地區(qū)。

3 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 理論分析

3.1.1 雷電流特性

（1）沖擊電流大

一次雷擊大多數(shù)分成3～4次放電，一般是第一次放電的電流最大，正閃電的電流比負(fù)閃電的電流大（在100kA以上）。雷云對(duì)地負(fù)閃擊，電流值高達(dá)幾萬(wàn)-幾十萬(wàn)安培。世界觀測(cè)到的最大雷電流為430kA（黑龍江省記錄300kA的正電荷閃擊，西藏記錄有760kA）。

（2）時(shí)間短

一般雷擊分為三個(gè)階段，即先導(dǎo)放電、主放電、余光放電。整個(gè)過(guò)程一般不會(huì)超過(guò)60μs。最長(zhǎng)記錄1.33s。

（3）雷電流變化梯度大

雷電流變化梯度大，有的可達(dá)10kA/μs。

（4）沖擊電壓高

強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，其感應(yīng)電壓可高達(dá)上億伏。

3.1.2 雷電流等值波形及能力估算

雷電流等值波形的擬合方法有多種，常見(jiàn)的有雙指數(shù)等值波形、等值斜角波、等值余弦波、冪指數(shù)波形等，具體根據(jù)雷電流不同的特性進(jìn)行模擬。本文考慮工程實(shí)用性采用雙指數(shù)等值波形對(duì)幾種雷電流波形進(jìn)行分析。

圖1 雙指數(shù)等值波形

函數(shù)表達(dá)式：i（t）=AIm（e-αt-e-βt）

分別對(duì)三種常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形：①2.6/50μs、②8/20μs、③10/350μs進(jìn)行能量估算，使用雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合：

（1）2.6/50μs雷電波

圖2 2.6/50μs雷電波形

擬合函數(shù)為：i（t）=Imax1.047453（e-14790t-e-1877833t），經(jīng)計(jì)算單位電流、電阻對(duì)應(yīng)發(fā)熱量：3.6221×10-4J。

（2）8/20μs雷電波

圖3 8/20μs雷電波形

擬合函數(shù)為：i（t）=Imax2.33（e-77140t-e-248900t），經(jīng)計(jì)算單位電流、電阻對(duì)應(yīng)發(fā)熱量：1.279×10-4J。

（3）10/350μs雷電波

擬合函數(shù)為：i（t）=Imax1.024429（e-2049.38t-e-563758t），經(jīng)計(jì)算單位電流、電阻對(duì)應(yīng)發(fā)熱量：2.5×10-3J。

3.1.3 機(jī)械操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

如何將雷擊電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械效應(yīng)是本文的關(guān)鍵點(diǎn)。雖然雷電流幅值很大，但是雷電流的發(fā)生在微秒級(jí)的時(shí)間域內(nèi)，因此產(chǎn)生的熱量并不大。將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)對(duì)機(jī)械部件的敏感度要求較高，因此該裝置的機(jī)械部分采用聯(lián)動(dòng)的操作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雷電流流經(jīng)時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

3.1.4 電阻絲的選擇

電阻絲將串聯(lián)入雷電流通道，雷電流通過(guò)電阻絲時(shí)，將產(chǎn)生熱量。熱量使膨脹介質(zhì)膨脹做功。電阻絲宜選擇電阻率高的金屬，在流過(guò)雷電流時(shí)產(chǎn)生較大的熱量，本文計(jì)劃選用鎳鉻電阻絲。選擇線徑為0.8mm的鎳鉻電阻絲，長(zhǎng)度為30cm，以并聯(lián)10根鎳鉻電阻絲為例，計(jì)算通過(guò)雷電流后鎳鉻電阻絲產(chǎn)生的溫升。

3.1.5 膨脹介質(zhì)的選擇

本裝置的構(gòu)想是利用雷電流流過(guò)電阻絲產(chǎn)生的熱量，使熱膨脹介質(zhì)溫升膨脹，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞將力傳遞到撥桿，撥桿驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)雷擊計(jì)數(shù)的目的。為能夠準(zhǔn)確反映裝置所在桿塔的雷擊次數(shù)，要求該裝置能夠在更寬的雷電流范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。要求熱膨脹介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)應(yīng)較高，且應(yīng)具有穩(wěn)定物理和化學(xué)性質(zhì)，如空氣、氮?dú)?、水、油等。預(yù)計(jì)采用空氣作為熱膨脹介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)記錄雷電流幅值為1～100kA及以上的雷電流。

3.2 雷電流記錄裝置的工業(yè)設(shè)計(jì)

根據(jù)科學(xué)的理論研究，進(jìn)行合理的機(jī)械操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和外觀工業(yè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)此雷電流記錄裝置由基座、腔室、發(fā)熱組件、熱膨脹介質(zhì)、熱動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)數(shù)器等部件構(gòu)成，利用電流流過(guò)腔室中的電阻絲產(chǎn)生的熱量，使腔室內(nèi)熱膨脹介質(zhì)溫升膨脹，熱膨脹介質(zhì)推動(dòng)腔道中的活塞運(yùn)動(dòng)，活塞將力傳遞到撥桿，撥桿驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)雷擊計(jì)數(shù)的目的。

3.2.1 基 座

用于固定腔室、發(fā)熱組件、熱動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)數(shù)器等部件，要求其機(jī)械性能、力學(xué)性能好，材料選擇環(huán)氧樹(shù)脂。

3.2.2 腔 室

具有一定的容積，用于儲(chǔ)存熱膨脹介質(zhì)，發(fā)熱組件置于其中，和腔道連通。要求腔室具有絕熱功能。設(shè)計(jì)腔室的長(zhǎng)、寬、高為3cm×3cm×1cm，內(nèi)壁敷一層隔熱層。

3.2.3 發(fā)熱組件

發(fā)熱組件由連接片和電阻絲構(gòu)成，其中連接片用于導(dǎo)引雷電流通過(guò)電阻絲。電阻絲采用串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在電流的作用下產(chǎn)生熱量。電阻絲選擇線徑為0.8mm的鎳鉻電阻絲，長(zhǎng)度為30cm。

3.2.4 熱膨脹介質(zhì)及電子器件，能耐受各種氣候條件和惡劣環(huán)境，反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定可靠，免維護(hù)。

4 結(jié)論

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1.1 提高雷擊跳閘故障點(diǎn)查詢效率

雷電定位系統(tǒng)無(wú)法精確到某基桿塔，尋找故障點(diǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，必要時(shí)需要人工登桿判斷；目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的雷擊跳閘計(jì)數(shù)器分為電磁繼電器型和電子型兩種，需要較多的電子器件和電源，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在輸電桿塔的應(yīng)用中，環(huán)境較為復(fù)雜，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，限制了其應(yīng)用。綜合以上兩種實(shí)際情況，現(xiàn)有輸電桿塔領(lǐng)域的雷擊跳閘事故查詢效率底下，該裝置無(wú)需電源和電子器件，能夠適應(yīng)輸電桿塔惡劣的使用環(huán)境，為雷擊跳閘故障點(diǎn)查詢提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

4.1.2 雷擊跳閘事故的預(yù)判和提前預(yù)防

雷擊跳閘作為輸電線路維護(hù)中重要的故障，目前仍沒(méi)有有效的預(yù)判手段，該裝置無(wú)需電源和電子器件的特點(diǎn)能夠適應(yīng)輸電桿塔的惡劣環(huán)境，使雷擊計(jì)數(shù)器能夠大范圍推廣應(yīng)用，在此基礎(chǔ)之上，可對(duì)其記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，對(duì)可能發(fā)生的雷擊跳閘故障點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判，并針對(duì)性地對(duì)該故障點(diǎn)的防雷接地措施進(jìn)行整改，做到提前預(yù)防。

4.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）利用雷電流流過(guò)電阻絲產(chǎn)生的熱效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械效應(yīng)，雷電流流過(guò)電阻絲產(chǎn)生的熱量，使熱膨脹介質(zhì)溫升膨脹，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞將力傳遞到撥桿，撥桿驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)雷擊計(jì)數(shù)的目的，無(wú)需電源，長(zhǎng)期免維護(hù)。

（2）計(jì)算雷電流流過(guò)電阻絲產(chǎn)生的熱效應(yīng)，每次雷擊電流波形及強(qiáng)度都會(huì)不同，在電阻絲中會(huì)產(chǎn)生不同的熱量，并在一定的空間中產(chǎn)生溫升。

[1]范 冕.輸電桿塔接地電阻的沖擊測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].西華大學(xué)，2008（05）：23～24.

[2]李昆侖.雷電流在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].廣西師范大學(xué)，2013（04）：68～69.

[3]陳名銘.輸電線路桿塔接地極沖擊放電特性及接地降阻措施的研究[J].西南交通大學(xué)，2013（05）：89～90.

要求熱膨脹介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)應(yīng)較高，且應(yīng)具有穩(wěn)定物理和化學(xué)性質(zhì)，如空氣、氮?dú)?、水、油等?/p>

3.2.5 熱動(dòng)機(jī)構(gòu)

由腔道、活塞、撥桿構(gòu)成，當(dāng)熱膨脹介質(zhì)通過(guò)腔道時(shí)，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞推動(dòng)撥桿撥動(dòng)。其中腔道還包括擋桿和濾網(wǎng)，其中擋桿用于防止腔道中的活塞脫離腔道，濾網(wǎng)用于阻止外界異物進(jìn)入腔道。腔道選擇內(nèi)徑4mm長(zhǎng)15mm的銅管，其中活塞選擇外徑4mm的銅球，在腔道中可自由移動(dòng)。

3.2.6 計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器在撥桿的驅(qū)動(dòng)下計(jì)數(shù)，每撥動(dòng)一次，增加顯示數(shù)碼，代表增加一次雷擊計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器選擇3位機(jī)械撥桿計(jì)數(shù)器。

本設(shè)計(jì)提供的雷電流記錄裝置原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需電源

TM755

A

2095-2066（2016）32-0029-02

2016-11-3

李金戈（1984-），男，工程師，本科，主要從事送變電工程設(shè)計(jì)研究工作。