新型输电线路杆塔雷电流记录装置的应用研究

李金戈（湖北省送变电工程公司，湖北武汉430000）

新型输电线路杆塔雷电流记录装置的应用研究

李金戈（湖北省送变电工程公司，湖北武汉430000）

本文首先设计了新型输电线路杆塔雷电流记录装置，阐述了项目总体方案设计，针对其中的项目关键技术研究，重点对雷电流记录装置的工业设计进行讨论，结果表明获得了良好的经济效益。希望对于其他人士具有启发与参考的作用。

新型输电线路；杆塔雷电流；记录装置

1 引言

目前雷电流记录装置主要可分为两大类型：电磁继电器型和电子型。电磁继电器型计数器通过雷电流在非线性电阻上产生电压，经过直流变换，对电磁继电器线圈放电，驱动电磁继电器衔铁，拨动机械计数器拨盘，实现计数的目的。感应电流电子型计数器通过雷电流感应电压，产生‘0’或‘1’信号，通过芯片数显，实现计数的目的。上述雷电流记录装置均采用了电子器件和电源，要求运行环境较好，并需定期维护，在应用环境较为恶劣，要求免维护的场合，其应用受到限制。

本文针对工程实际需要，尤其是应用环境恶劣，要求免维护的情况下，基于将电流变化转化为机械动作研发出一种无源雷电流记录装置，具有原理结构简单、可靠性高、成本低、无需电源及电子器件，性能稳定等优点。

2 项目总体方案设计

总体方案设计如下：

（1）针对目前雷击计数器普遍采用电子器件和电源的局限，本文研发一种热效应雷击计数器，利用雷电流通过电阻丝发热产生的热量使空气等介质膨胀，推动活塞运动，驱动计数器计数。本装置无需电源及电子器件、可靠性高、成本低、性能稳定，尤其适用于应用环境恶劣、要求免维护的情况。

（2）在装置的主要内部结构定型之后，结合应用环境，确定装置的IP等级和外形结构，进行装置试制。

（3）该装置研发成功之后，筛选100基雷击概率较大的输电杆塔进行试安装，装置具有体积小、易安装和操作的特点，在通常巡线时即可安装和统计数据，并对数据进行整理和分析，评估该批杆塔的雷击跳闸事故风险。

注：普通输电线路雷击设计数据为0.1～0.2次/百公里/年，为了能够有效反映该装置的使用效果，应至少安装100基杆塔（500m档距）作为应用，且应选择落雷密度较高的地区。

3 项目关键技术研究

3.1 理论分析

3.1.1 雷电流特性

（1）冲击电流大

一次雷击大多数分成3～4次放电，一般是第一次放电的电流最大，正闪电的电流比负闪电的电流大（在100kA以上）。雷云对地负闪击，电流值高达几万-几十万安培。世界观测到的最大雷电流为430kA（黑龙江省记录300kA的正电荷闪击，西藏记录有760kA）。

（2）时间短

一般雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电。整个过程一般不会超过60μs。最长记录1.33s。

（3）雷电流变化梯度大

雷电流变化梯度大，有的可达10kA/μs。

（4）冲击电压高

强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。

3.1.2 雷电流等值波形及能力估算

雷电流等值波形的拟合方法有多种，常见的有双指数等值波形、等值斜角波、等值余弦波、幂指数波形等，具体根据雷电流不同的特性进行模拟。本文考虑工程实用性采用双指数等值波形对几种雷电流波形进行分析。

图1 双指数等值波形

函数表达式：i（t）=AIm（e-αt-e-βt）

分别对三种常见标准雷电流波形：①2.6/50μs、②8/20μs、③10/350μs进行能量估算，使用双指数函数进行拟合：

（1）2.6/50μs雷电波

图2 2.6/50μs雷电波形

拟合函数为：i（t）=Imax1.047453（e-14790t-e-1877833t），经计算单位电流、电阻对应发热量：3.6221×10-4J。

（2）8/20μs雷电波

图3 8/20μs雷电波形

拟合函数为：i（t）=Imax2.33（e-77140t-e-248900t），经计算单位电流、电阻对应发热量：1.279×10-4J。

（3）10/350μs雷电波

拟合函数为：i（t）=Imax1.024429（e-2049.38t-e-563758t），经计算单位电流、电阻对应发热量：2.5×10-3J。

3.1.3 机械操作机构的设计。

如何将雷击电流产生的热效应直接转换成机械效应是本文的关键点。虽然雷电流幅值很大，但是雷电流的发生在微秒级的时间域内，因此产生的热量并不大。将热能转化为机械能时对机械部件的敏感度要求较高，因此该装置的机械部分采用联动的操作机构，实现雷电流流经时产生的热效应转换成机械能。

3.1.4 电阻丝的选择

电阻丝将串联入雷电流通道，雷电流通过电阻丝时，将产生热量。热量使膨胀介质膨胀做功。电阻丝宜选择电阻率高的金属，在流过雷电流时产生较大的热量，本文计划选用镍铬电阻丝。选择线径为0.8mm的镍铬电阻丝，长度为30cm，以并联10根镍铬电阻丝为例，计算通过雷电流后镍铬电阻丝产生的温升。

3.1.5 膨胀介质的选择

本装置的构想是利用雷电流流过电阻丝产生的热量，使热膨胀介质温升膨胀，推动活塞运动，活塞将力传递到拨杆，拨杆驱动计数器计数，实现雷击计数的目的。为能够准确反映装置所在杆塔的雷击次数，要求该装置能够在更宽的雷电流范围内进行计数。要求热膨胀介质的热膨胀系数应较高，且应具有稳定物理和化学性质，如空气、氮气、水、油等。预计采用空气作为热膨胀介质，实现记录雷电流幅值为1～100kA及以上的雷电流。

3.2 雷电流记录装置的工业设计

根据科学的理论研究，进行合理的机械操作机构的设计和外观工业设计，设计此雷电流记录装置由基座、腔室、发热组件、热膨胀介质、热动机构、计数器等部件构成，利用电流流过腔室中的电阻丝产生的热量，使腔室内热膨胀介质温升膨胀，热膨胀介质推动腔道中的活塞运动，活塞将力传递到拨杆，拨杆驱动计数器计数，实现雷击计数的目的。

3.2.1 基 座

用于固定腔室、发热组件、热动机构、计数器等部件，要求其机械性能、力学性能好，材料选择环氧树脂。

3.2.2 腔 室

具有一定的容积，用于储存热膨胀介质，发热组件置于其中，和腔道连通。要求腔室具有绝热功能。设计腔室的长、宽、高为3cm×3cm×1cm，内壁敷一层隔热层。

3.2.3 发热组件

发热组件由连接片和电阻丝构成，其中连接片用于导引雷电流通过电阻丝。电阻丝采用串联或并联结构，在电流的作用下产生热量。电阻丝选择线径为0.8mm的镍铬电阻丝，长度为30cm。

3.2.4 热膨胀介质及电子器件，能耐受各种气候条件和恶劣环境，反应灵敏，稳定可靠，免维护。

4 结论

4.1 经济效益分析

4.1.1 提高雷击跳闸故障点查询效率

雷电定位系统无法精确到某基杆塔，寻找故障点的劳动强度大，效率低，必要时需要人工登杆判断；目前市场上现有的雷击跳闸计数器分为电磁继电器型和电子型两种，需要较多的电子器件和电源，结构较为复杂，在输电杆塔的应用中，环境较为复杂，且无法实现免维护，限制了其应用。综合以上两种实际情况，现有输电杆塔领域的雷击跳闸事故查询效率底下，该装置无需电源和电子器件，能够适应输电杆塔恶劣的使用环境，为雷击跳闸故障点查询提供有效的数据支撑。

4.1.2 雷击跳闸事故的预判和提前预防

雷击跳闸作为输电线路维护中重要的故障，目前仍没有有效的预判手段，该装置无需电源和电子器件的特点能够适应输电杆塔的恶劣环境，使雷击计数器能够大范围推广应用，在此基础之上，可对其记录数据进行记录和分析，对可能发生的雷击跳闸故障点进行预判，并针对性地对该故障点的防雷接地措施进行整改，做到提前预防。

4.2 主要创新点

（1）利用雷电流流过电阻丝产生的热效应直接转换成机械效应，雷电流流过电阻丝产生的热量，使热膨胀介质温升膨胀，推动活塞运动，活塞将力传递到拨杆，拨杆驱动计数器计数，实现雷击计数的目的，无需电源，长期免维护。

（2）计算雷电流流过电阻丝产生的热效应，每次雷击电流波形及强度都会不同，在电阻丝中会产生不同的热量，并在一定的空间中产生温升。

[1]范 冕.输电杆塔接地电阻的冲击测量系统的研制[J].西华大学，2008（05）：23～24.

[2]李昆仑.雷电流在线监测装置的设计[J].广西师范大学，2013（04）：68～69.

[3]陈名铭.输电线路杆塔接地极冲击放电特性及接地降阻措施的研究[J].西南交通大学，2013（05）：89～90.

要求热膨胀介质的热膨胀系数应较高，且应具有稳定物理和化学性质，如空气、氮气、水、油等。

3.2.5 热动机构

由腔道、活塞、拨杆构成，当热膨胀介质通过腔道时，推动活塞运动，活塞推动拨杆拨动。其中腔道还包括挡杆和滤网，其中挡杆用于防止腔道中的活塞脱离腔道，滤网用于阻止外界异物进入腔道。腔道选择内径4mm长15mm的铜管，其中活塞选择外径4mm的铜球，在腔道中可自由移动。

3.2.6 计数器

计数器在拨杆的驱动下计数，每拨动一次，增加显示数码，代表增加一次雷击计数。计数器选择3位机械拨杆计数器。

本设计提供的雷电流记录装置原理结构简单，无需电源

TM755

A

2095-2066（2016）32-0029-02

2016-11-3

李金戈（1984-），男，工程师，本科，主要从事送变电工程设计研究工作。