10 kV絕緣導線雷擊斷線機理的研究

焦夏男，聶一雄，廖辰川，盧健豪，黃 偉

(廣東工業大學 自動化學院，廣東廣州510006)

10 kV絕緣導線雷擊斷線機理的研究

焦夏男，聶一雄，廖辰川，盧健豪，黃 偉

(廣東工業大學 自動化學院，廣東廣州510006)

10 kV絕緣導線在雷擊作用下易發生斷線事故，嚴重影響到供電的可靠性。對10 kV絕緣導線運用波過程的方法進行建模，利用ATP-EMTP電磁暫態仿真軟件對導線在雷電過電壓作用下的暫態響應進行仿真，并對仿真結果進行了熱效應和電磁力方面的定量計算。結果表明：雷電過電壓擊穿導線絕緣層僅是導線斷線的誘因；絕緣子未閃絡時的雷電流不足以將導線燒斷；絕緣導線斷線的主要原因在于過電壓擊穿絕緣層后工頻電弧巨大的電磁力和熱效應的綜合作用。分析結果對減少絕緣導線雷擊斷線事故的發生具有參考價值。

雷擊斷線；閃絡；電弧；熱效應；電磁力

0 引言

為保證可靠供電，目前越來越多的架空線路采用絕緣導線。盡管絕緣導線在一定程度上可有效保障供電可靠性，但在遭受雷擊后易發生斷線事故，卻逐漸成為影響電網安穩的新問題[1-7]。

針對該問題，國內外進行了一系列的研究：文獻[7]2885利用ATP-EMTP軟件對110 kV線路在繞擊和反擊情況下的暫態過程進行了仿真，雖得到了絕緣子閃絡的暫態仿真，但其是否適用于10 kV架空絕緣導線則有待驗證；文獻[8,9]分別從模擬試驗和定性分析入手說明了工頻電弧及其無法在絕緣導線上移動是斷線的主因，卻未進一步做定量分析；文獻[10]對某地配線雷擊斷線事故進行分析，認為引弧跳線處易發生斷線事故，但卻沒有仿真驗證；文獻[11]對20 kV架空絕緣導線雷擊斷線原因進行了定性研究并提出相應的防治措施，對研究10 kV絕緣導線因雷擊斷線的機理具有一定的參考意義。

針對上述研究存在的不足，本文利用波過程理論以及ATP-EMTP軟件對10 kV架空絕緣導線在雷電過電壓作用下的暫態過程進行仿真，得到了仿真數據。并對絕緣子閃絡和工頻電弧作用下的電磁力及熱效應進行了定量計算，闡明了絕緣導線斷線的主要原因是在長期運行及電流熱效應、電磁力的綜合作用下造成的。對減少絕緣導線雷擊斷線事故的發生具有參考價值。

1 仿真模型的建立

考慮到實際雷擊導線的特點，仿真模型主要包含雷電源、絕緣導線、絕緣子、桿塔和接地電阻等基本元件經等效分析后的模型。圖1為該仿真模型的部分線路圖，部分元件名稱已標出，下面分述之。

圖1 仿真線路模型(部分)

1.1 雷電模型

實際中，大多數的雷電放電是負極性的[7]2890。當負極性雷云放電時，線路上會感應出正束縛電荷。導線離雷電放電通道最近處感應出的電荷量最大。雷電作用消失后，感應電荷會向兩側流動產生過電壓。研究時，可將雷電源視為集中參數電源作用在導線上。

考慮到IEC的標準中推薦Heidler模型[12]，本文采用雷電因數n=10的Heidler模型作為雷電源模型。為不失一般性，仿真采用3個雷電源分別和導線的A、B、C三相導線連接。對于架空配電線路，感應雷過電壓是威脅線路安穩運行的主要因素，感應雷會在三相導線中同時感應出幅值相近過電壓，致使相與相之間不易直接發生相間閃絡，故依據一相導線的仿真結果為例進行研究。

1.2 導線模型

雷電作用時間極短，因而雷電波長也很短，集中參數線路并不適合研究雷電波過程。本文采用經換位的分布參數線路模擬導線。每個檔距之間的線路用一個分布參數線路；雷電源所在檔距則用2個分布參數模塊連接，通過改變2個模塊中線路的長度，實現改變雷電源的位置。

如圖1所示，以雷電源為中心，右側的桿塔依此標號1#、2#、3#(限于篇幅，圖中未畫出)、等；左側的桿塔則對稱標號1’#、2’#、3’#，依此類推。線路全線共設置20基桿塔。線路末端連接與線路波阻抗相匹配的集中參數電阻，以此來消除電壓波傳播到線路末端產生反射對仿真產生影響。

1.3 絕緣子與桿塔模型

導線絕緣層若因外因造成失效，大幅值的雷電過電壓傳播到此處時，就有可能致使導線產生絕緣擊穿并引發絕緣子閃絡形成閃絡通道。絕緣子是否發生閃絡與其擊穿電壓U50%密切相關，仿真模型采用一個壓控開關模擬絕緣子的閃絡過程。為使絕緣子在過電壓作用下瞬間閃絡，可認為當線路過電壓超過1.5倍U50%時，絕緣子便瞬間閃絡[13]。本文選擇絕緣子的閃絡電壓臨界值為1.5倍的U50%。

閃絡通道形成后，電弧會經橫擔及桿塔對地放電或形成相間閃絡。考慮到橫擔多為鐵制，可將其視為良導體。10 kV配電網線路的桿塔高度多小于15 m[4]749，采用集中參數電感模型即可滿足要求。單位長度的桿塔等值電感值為0.84 μH/m[14]，則10 m高桿塔的電感為：

(1)

接地電阻取5 Ω。

2 仿真結果

分別從絕緣子發生閃絡前后的電壓和電流的暫態過程進行分析，仿真以下列參數為例進行：導線波阻抗Z=450 Ω，桿塔間距為80 m。盡管線路任意位置均有可能遭受雷擊，但通過大量仿真發現：不論雷擊點發生在何處，電壓(電流)波形總體走勢是相同的，僅在幅值上具有小的差異。因篇幅所限，本文仿真分析時以電壓源作用于導線中央來展開。

2.1 絕緣子未閃絡的仿真結果

為研究不同雷電波形的傳播特性，選取1.2/50 μs、0.1/10 μs和10/100 μs 3種雷電波形作為雷電源。以10 kV過電壓為例，圖2(a)為各桿塔絕緣子承受電壓的仿真結果，限于篇幅，圖中只畫出了1#～3#桿塔的電壓波形；圖2(b)為3種雷電參數作用下導線中的電流波形。

圖2 未閃絡時的電壓和導線電流暫態波形

圖2表明：若絕緣子未閃絡，相同參數的雷電過電壓波形和導線電流波形是相似的，進一步的計算表明雷電過電壓與導線電流滿足歐姆定律，其比值即為線路波阻抗。因此，縱使作用在導線上的過電壓可達數百 kV，但流過導線的過電流數值卻很小。以感應過電壓為例，若作用在導線中的過電壓幅值為500 kV時(由規程法可知：發生概率小于7%)，絕緣子未閃絡時導線中流過的雷電流幅值為1 112 A。

2.2 絕緣子閃絡后的仿真結果

當雷電過電壓較大，便會導致絕緣子發生閃絡。以防雷中常用的1.2/50 μs雷電波形為例，若過電壓幅值為200 kV(大于該幅值的概率為35%)，各桿塔絕緣子所承受電壓的暫態特性如圖3(a)；圖3(b)是雷電源所在檔距的導線和各桿塔電弧通道的電流波形。

圖3 1.2/50 μs、200 kV過電壓作用下的暫態特性

圖3(a)中：1#桿塔的絕緣子的電壓在超過閃絡電壓后迅速降到0附近，然后呈振蕩上升，說明發生了閃絡；2#～4#絕緣子的電壓幅值未超過150 kV便迅速降到0附近，波形同1#絕緣子的電壓波形極為相似，故2#～4#絕緣子并未閃絡，電壓波形只是1#電壓波形在時間上的平移。此后，盡管1#桿塔的電壓振蕩上升，但卻無法達到150 kV。而電壓波在向遠處桿塔傳播時，因過電壓幅值無法達到絕緣子的閃絡電壓，不足以致使更遠桿塔的絕緣子發生擊穿。

圖3(b)表明：只有雷電源所在檔距的導線和1#桿塔電弧通道中有電流，2#桿塔及更遠的電弧通道的閃絡電流為0，即未發生閃絡；雷電源所在檔距的導線電流最大值為25.04 kA，而1#絕緣子最大閃絡電流為24.76 kA，這說明還有一部分電流繼續在導線中流動。

綜上所述，在1.2/50 μs、200 kV過電壓作用下，只能使桿塔一側傳播方向的1個絕緣子發生閃絡。

當雷電幅值為500 kV時，暫態特性仿真結果如圖4所示。

圖4 1.2/50μs、500 kV過電壓作用下的暫態特性

表1給出了雷電源所在檔距的導線和各桿塔電弧通道電流的最大值。

表1 各處電流的最大值 kA

電壓的仿真結果表明：大幅值的過電壓使1#～3#桿塔絕緣子立即閃絡，電壓迅速降至0附近并呈振蕩上升趨勢；而4#桿塔絕緣子電壓在未達到閃絡電壓便迅速降低到0附近。而圖4(b)和表1則說明：只有1#～3#桿塔存在閃絡通道，更遠的桿塔則不存在。在絕緣子閃絡后，較大的電弧電流會使1#桿塔的電位會持續上升并向遠處傳播；傳播到2#和3#桿塔絕緣子時，因其幅值大于150 kV，導致2#和3#桿塔絕緣子發生閃絡且閃絡后的電壓呈振蕩上升，但其幅值卻無法達到150 kV以上。此后電壓波和電流波繼續向遠處傳播并傳播到4#桿塔絕緣子處，但因電壓幅值低于150 kV，4#及更遠處的桿塔未發生閃絡。

3 仿真結果定量分析

上節的仿真結果表明，雷擊過電壓會使線路發生絕緣失效和絕緣子閃絡，但導線斷線現象的發生只會在導線線芯的溫度達到材料的熔點或者所受外力超過抗拉能力時才可能發生。雷電過電壓作用期間，絕緣導線的熱效應和電磁力作用的定量分析如下。

3.1 電弧熱效應的分析

電弧產生的熱量滿足能量守恒，即：

(2)

式中：Q電弧為電弧產生的熱量，J；Q線芯、Q空氣和Q絕緣層分別為線芯、空氣和絕緣層吸收的熱量，J。

因線芯為金屬，其傳熱系數要遠大于空氣和絕緣層，可認為短時間內電弧產生的熱全部被線芯所吸收。故由傳熱學可知，式(2)可寫為：

(3)

式中：i(t)為電弧電流函數，A；r為電弧電阻，Ω；t0為電流作用時間，s；c為金屬比熱容，J/(kg·℃)；m0為金屬密度，kg/m3；l為導線受熱部分的長度，m；S為導線截面積，m2；ΔT為導線溫升，℃。

文獻[15]認為：用15 mΩ電阻模擬電弧短路可與實驗結果有比較理想的吻合。本文從寬考慮，以r=10 mΩ，l=0.1 m為例計算。

為簡便起見，計算中電流可取其幅值。以上節200 kV和500 kV過電壓在1#桿塔處發生閃絡的仿真結果為例，設電弧作用時間為0.1 ms，鋁芯溫升ΔT見表2。

表2 不同過電壓作用下鋁芯的溫升

通過計算可發現：不論200 kV還是500 kV過電壓，均未達到導體熔點。根本原因在于電流作用時間極短，產生的熱效應相當有限。

然而雷電過電流作用消失之后，工頻電流會繼續在閃絡通道內產生工頻電弧。實際上，導線多在保護裝置動作前已斷裂，計算時可取電弧燃燒時間分別為0.1 s和0.5 s。以發生兩相短路為例，短路電流可達4.0 kA，導線金屬溫升計算結果見表3。

表3 工頻電流作用下鋁芯的溫升

盡管工頻電流相較于雷電過電流小很多，但因其作用時間較長，產生的熱效應足以將導線熔斷。可見，雷電過電流僅是導線斷線的誘因，真正使導線熔斷的是工頻電弧。因此，限制工頻電弧電流的大小與發生概率，對絕緣導線的防護具有重要作用。

3.2 電磁力的分析

本文計算的電磁力是兩根平行導線間同時閃絡時的情況，對于單相或三相導線間發生閃絡的電磁力可根據矢量合成求得。兩根單位長度的平行導線間的電磁力可按下式計算：

(4)

式中：fe和fm分別為單位導線間的電場力和磁場力，N；u為電壓，V；i為電流，A；R為導線半徑，m；d為輸電線間的距離，m；ε0和μ0分別為真空中的介電常數和磁導率。

表4是當d=1 m時，一個檔距間的導線在不同過電壓和電流作用下的電磁力的最大值。

表4 一個檔距間的導線電磁力

可見，導線中雷電過電流產生的磁場力可高達數10 kN；電場力則遠小于磁場力，可忽略不計。而導線的抗拉斷力多在20～50 kN。盡管500 kV過電壓發生的概率極小，但其磁場力已超過100 kN，遠超導線的抗拉能力。

需要說明的是：由式(4)所計算的電磁力是時間的函數，表4的計算結果僅為最大值。然而，即便導線因作用時間極短不能被拉斷，導線必然會受到損傷，加之導線受熱后抗拉能力也會急劇下降。隨著損傷的積累，導線發生斷線幾乎是必然事件。

4 結論

對10 kV絕緣導線雷擊過程進行仿真分析，結果表明：縱使在500 kV雷電過電壓的作用下，在絕緣子不發生閃絡時，導線中的過電流也僅為1.12 kA，不足以將導線燒斷且電磁力也極小。一旦絕緣層發生擊穿形成閃絡通道，線路中流過的電流會急劇上升。由于絕緣層的阻凝，工頻電弧會在針孔處形成持續電弧放電。從熱效應分析，流過閃絡通道的工頻電流會在較短的時間內產生巨大的熱量且難以釋放，足以使導線溫度上升到熔點；電磁力計算表明：閃絡后導線中過電流產生的磁場力是巨大的，有可能高達100 kN以上。在熱效應和電磁力的綜合作用及導線的長期運行下，導線因雷擊而發生斷線的概率大為增加。

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Study on Mechanism of 10 kV Insulated Conductor Breakage Caused by Lightning Stroke

JIAO Xianan, NIE Yixiong, LIAO Chenchuan, LU Jianhao, HUANG Wei

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

The 10 kV insulated conductor is prone to break under the lightning, which seriously affects the reliability of the power supply. By modeling a 10 kV insulated conductor with the method of wave process, the transient responses of insulated conductor under the action of lightning overvoltage by using ATP-EMTP electromagnetic transient simulation software are simulated and the thermal effect and electromagnetic force of the simulation data are used to conduct quantitative calculation. The results show that the conductor insulation layer breakdowns caused by lightning overvoltage is the only induced reason for insulated conductor breakage, and the lightning current will not burn the conductor down if the insulator flashover does not happen. The main reason for the insulated conductor breakage is the comprehensive effect of the huge electromagnetic force caused by the arc at power frequency and thermal effect after the overvoltage breaks the insulation layer. It is of great reference value for reducing the occurrence of the insulated conductor breakage caused by lightning stroke.

breakage caused by lightning stroke; flashover; arc; thermal effect; electromagnetic force

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.02.009

2016-07-04。

TM863

A

1672-0792(2017)02-0049-06

焦夏男(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統防雷與接地技術。