配網(wǎng)導(dǎo)線雷擊斷線機(jī)理與防護(hù)措施研究

汪明，鄒宇，符德宇，陳恒龍，謝振俊

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司欽州供電局，廣西欽州，535000）

0 引言

10kV配電線路分布廣泛，線路絕緣水平較低。雷電產(chǎn)生的過電壓會(huì)使絕緣子發(fā)生閃絡(luò)甚至絕緣附近間隙擊穿，進(jìn)而引發(fā)線路跳閘或?qū)Ь€斷線事故。導(dǎo)線斷線事故會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的停電事故，給企業(yè)和居民帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)危害電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，有關(guān)導(dǎo)線斷線機(jī)理的研究主要從定性角度分析，文獻(xiàn)[1]基于實(shí)驗(yàn)得出電弧在工頻短路電流作用下不會(huì)熄滅；電弧在裸導(dǎo)線上移動(dòng)，并受多種力的作用下穩(wěn)定在某一點(diǎn)燃燒[2]；文獻(xiàn)[3]-[4]對(duì)長(zhǎng)閃絡(luò)路徑的電弧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了工頻閃絡(luò)的臨界梯度公式以及臨界梯度與故障電流的關(guān)系；文獻(xiàn)[5]分析了電磁力對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的影響，文獻(xiàn)[6]仿真研究結(jié)果表明電弧在左、右相導(dǎo)線上向單一方向移動(dòng)，而中間相的電弧會(huì)往返移動(dòng)。雷擊是否閃絡(luò)取決于很多因素，文獻(xiàn)[7]研究了污穢絕緣子工頻疊加雷擊沖擊閃絡(luò)的特性，結(jié)果表明污穢越嚴(yán)重，絕緣子沖擊閃絡(luò)電壓越低；風(fēng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明風(fēng)振動(dòng)會(huì)加快裸導(dǎo)線疲勞，進(jìn)而造成導(dǎo)線斷線[8]。現(xiàn)有的研究未考慮到其他因素如短路電流對(duì)導(dǎo)線斷線的影響，不能充分說明雷擊斷線機(jī)理，此外，目前10kV線路大部分采用裸導(dǎo)線，現(xiàn)有研究未針對(duì)裸導(dǎo)線的斷線進(jìn)行分析。基于此，本文研究分析了雷電流和工頻短路電流對(duì)裸導(dǎo)線斷線的機(jī)理影響并提出雷擊斷線防護(hù)措施。

1 配網(wǎng)雷擊斷線案例

某地區(qū)10kV線路地處多雷區(qū)，發(fā)生多起導(dǎo)線斷線事件。該10kV線路采用鋼芯鋁絞線，絕緣子有燒黑痕跡。斷線部分位于直線單桿負(fù)荷側(cè)500mm處，該線路桿塔地處山坡，相對(duì)地理位置凸出，故容易遭受雷擊。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢當(dāng)日有落雷記錄，導(dǎo)線斷線如圖1所示。分析是由于因雷擊引起的電弧在工頻短路電流的作用下而未熄滅，電弧在多種力的作用下保持在導(dǎo)線的某點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定燃燒，導(dǎo)線溫度急劇升高，當(dāng)溫度達(dá)到或接近導(dǎo)線材料熔點(diǎn)時(shí)，造成導(dǎo)線斷線。

圖1 導(dǎo)線斷線故障點(diǎn)

2 裸導(dǎo)線與絕緣導(dǎo)線的對(duì)比

絕緣導(dǎo)線在雷電過電壓引起絕緣子閃絡(luò)并擊穿導(dǎo)線絕緣層時(shí)，被擊穿的絕緣層呈一針孔狀，接續(xù)的工頻短路電流電弧受周圍絕緣的阻隔，弧根不能沿著導(dǎo)線滑動(dòng)，只能在針孔處燃燒，這樣在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線就會(huì)被整齊地?zé)龜唷１M管絕緣導(dǎo)線的斷線概率更高，但在10kV線路實(shí)際運(yùn)行過程中即使是裸導(dǎo)線也同樣會(huì)發(fā)生斷線事故，對(duì)絕緣導(dǎo)線和裸導(dǎo)線斷線過程的異同點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣導(dǎo)線和裸導(dǎo)線斷線過程分析

3 電流能量對(duì)導(dǎo)線斷線的影響

導(dǎo)線最終斷線與雷電流能量和工頻短路電流能量有關(guān)，本節(jié)對(duì)雷電流能量對(duì)導(dǎo)線斷線的影響進(jìn)行分析，同時(shí)基于PSCAD仿真計(jì)算了幾種影響短路電流的因素，并研究了短路電流能量對(duì)導(dǎo)線斷線的影響。

3.1 雷電流能量對(duì)斷線的影響

雷擊能否直接造成導(dǎo)線斷線可利用能量守恒定律（忽略其他能量損耗）計(jì)算驗(yàn)證：

其中i為雷電流表達(dá)式，kA；R為導(dǎo)線電阻，Ω；t為雷電通過導(dǎo)線的時(shí)間，s（計(jì)算取100μs）；C1為鋁的比熱容，J/（kg.℃）；M1為鋁股質(zhì)量，kg；ΔT1為鋁熔化的溫度變化，℃；C2為鋼的比熱容，M2為鋼芯質(zhì)量，ΔT2為鋼熔化的溫度變化；a、b表示時(shí)間常數(shù)，I0雷電流幅值，a=-16000，b=-1040800；ρ為導(dǎo)線電阻率，l為導(dǎo)線長(zhǎng)度（計(jì)算取0.1m），S為導(dǎo)線截面積；導(dǎo)線運(yùn)行穩(wěn)定為90℃，鋁熔點(diǎn)為660℃，鋼熔點(diǎn)為1535℃。

選取標(biāo)稱截面為50/8、70/10、95/15的鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線參數(shù)及造成導(dǎo)線斷線或斷股的雷電流大小如表2所示。

由表2可知，導(dǎo)線斷股時(shí)雷電流幅值大于200kA，斷線時(shí)雷電流幅值均大于3000kA。考慮到雷電多次回?fù)粢约袄纂娏鞒霈F(xiàn)在自然界中的概率，可認(rèn)為雷擊導(dǎo)線可能造成斷股，但不會(huì)造成斷線。這是由于雷電流持續(xù)時(shí)間在微秒級(jí)，而系統(tǒng)短路電流持續(xù)時(shí)間在秒級(jí)甚至小時(shí)以上，為此需通過仿真來計(jì)算系統(tǒng)短路電流的能量并分析裸導(dǎo)線斷線原因。

3.2 系統(tǒng)短路電流能量

雷電過電壓會(huì)建立電弧通道，若電弧沒有及時(shí)熄滅則系統(tǒng)短路電流持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間視繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間而定，導(dǎo)線可能因溫度急劇升高而熔斷。基于PSCAD建立了仿真模型并對(duì)線路的短路電流進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 單相接地故障

[22] Joshua Kurlantzick, “In Southeast Asia, Belt and Road Attracts Takers, But Skepticism Is Rising,” Council on Foreign Relations, June 15, 2018, https://www.cfr.org/blog/southeast-asia-belt-and-road-attracts-takers-skepticism-rising-0.

由于中性點(diǎn)接地方式對(duì)短路電流影響較大，且經(jīng)消弧線圈接地方式能夠較好的補(bǔ)償電容電流，有效抑制間歇性電弧引起的弧光過電壓。基于仿真模型計(jì)算不同中性點(diǎn)接地方式下短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量如表4所示。單相接地故障不會(huì)使配網(wǎng)線路保護(hù)跳閘，在此不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式計(jì)算時(shí)間取1h，小電阻接地方式計(jì)算取1s。

將表3結(jié)果與表2中導(dǎo)線斷股或斷線所需能量進(jìn)行比較可知，單相接地短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)小于斷股或斷線所需能量，因此可認(rèn)為單相接地短路不會(huì)造成導(dǎo)線斷線或斷股。

表2 造成導(dǎo)線斷股或斷線的雷電流大小與能量

表3 短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量

3.2.2 兩相接地故障

在仿真條件不變，設(shè)置故障類型為兩相接地故障，仿真不同負(fù)荷和不同中性點(diǎn)接地方式下的短路電流結(jié)果如表4所示。

表4 兩相接地短路電流大小

由表5可知，系統(tǒng)負(fù)荷基本不影響短路電流大小，中性點(diǎn)接地方式對(duì)短路電流影響很小。兩相接地短路時(shí)，短路電流過大，速斷保護(hù)動(dòng)作（保護(hù)時(shí)間取0.5s），三種接地方式短路電流均取13.4kA計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

將表6結(jié)果與表2中導(dǎo)線斷股或斷線所需能量進(jìn)行比較可知，兩相接地短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量大于斷股所需能量，因此可認(rèn)為兩相接地短路可能會(huì)造成導(dǎo)線斷股。

3.2.3 相間短路故障

仿真條件不變，設(shè)置故障類型為相間短路故障，此時(shí)線路中不存在零序電流和零序電壓，中性點(diǎn)接地方式對(duì)短路電流大小無影響，選取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈方式進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如表6所示。

表6 相間短路時(shí)短路電流大小

由表7可知，系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)相間短路電流大小影響很小。線路發(fā)生相間短路時(shí)，短路電流過大會(huì)引起系統(tǒng)速斷保護(hù)動(dòng)作，在此保護(hù)時(shí)間取0.5s，短路電流取21.95kA計(jì)算，結(jié)果如表7所示。

表7 短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量

將表8結(jié)果與表2中導(dǎo)線斷股或斷線所需能量進(jìn)行比較可知，相間短路電流會(huì)造成小線徑導(dǎo)線斷線，可能造成大線徑導(dǎo)線斷股。

3.2.4 三相短路故障

仿真條件不變，故障類型變?yōu)槿喽搪饭收希藭r(shí)線路同樣不存在零序電流和零序電壓，接地方式對(duì)短路電流大小無影響，選取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈方式進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如表8所示，系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)相間短路電流大小影響很小。

表8 三相短路時(shí)短路電流大小

由于線路發(fā)生三相短路時(shí)，短路電流較大，會(huì)引起系統(tǒng)速斷保護(hù)動(dòng)作（保護(hù)時(shí)間取0.5s），短路電流取15.5kA計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量

將表9結(jié)果與表2中導(dǎo)線斷股或斷線所需能量進(jìn)行比較可知，三相短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量大于斷股所需能量，因此，可認(rèn)為三相短路電流可能造成導(dǎo)線斷股。

綜上所述，單相接地故障不會(huì)造成導(dǎo)線斷股，兩相接地短路、相間短路和三相短路可能造成導(dǎo)線斷股，相間短路甚至?xí)斐尚【€徑導(dǎo)線斷線。

4 防護(hù)措施

基于10kV配電線路裸導(dǎo)線斷線機(jī)理的分析研究，提出一些防護(hù)措施以降低斷線率，提高線路運(yùn)行的可靠性。

4.1 提高絕緣水平

絕緣子絕緣水平越高，雷電過電壓不容易超過絕緣子閃絡(luò)電壓，導(dǎo)線就越不易發(fā)生斷線。提出以下配置原則：山區(qū)、平原及覆冰區(qū)使用瓷橫擔(dān)絕緣子或者玻璃絕緣子，污穢嚴(yán)重地區(qū)考慮使用復(fù)合絕緣子，雷電活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)使用加強(qiáng)型瓷橫擔(dān)絕緣子。

4.2 安裝線路避雷器

避雷器由于其優(yōu)良的非線性特性，能將絕緣子兩端的過電壓限制到避雷器的殘壓水平，防止絕緣子閃絡(luò)或間隙擊穿，進(jìn)而降低裸導(dǎo)線斷線概率。由于線路避雷器保護(hù)范圍較小，若架空線路每基桿塔都安裝避雷器，則能有效預(yù)防雷擊跳閘或者斷線事故。但每基桿塔安裝避雷器的經(jīng)濟(jì)投入過大，因此有選擇性地在配電線路中安裝避雷器進(jìn)行保護(hù)，既有利于降低線路雷擊故障率又降低線路防雷改造投資。

4.3 整定繼電保護(hù)時(shí)間

基于工頻短路電流的仿真計(jì)算結(jié)果可知，繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量越大，導(dǎo)線越容易斷線，對(duì)系統(tǒng)造成的危害越大。因此，整定合理的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，能夠減少線路故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)的危害，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文開展了斷線案例分析、導(dǎo)線斷線過程、影響導(dǎo)線斷線因素以及防護(hù)措施等方面的研究工作，得到結(jié)論如下：(1）計(jì)算分析了電流能量對(duì)導(dǎo)線斷線的影響，得出雷擊并不能直接造成裸導(dǎo)線斷線，而是造成裸導(dǎo)線斷線的誘因，工頻短路電流是造成裸導(dǎo)線斷線的主要原因。(2）接地方式相同時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷不影響工頻短路電流的大小；在負(fù)荷相同的條件下，中性點(diǎn)接地方式對(duì)單相短路電流影響很大。根據(jù)不同故障類型下短路電流的大小和作用在導(dǎo)線上的熱能量，得出單相接地故障不會(huì)造成斷股，兩相接地短路、相間短路和三相短路可能造成導(dǎo)線斷股，相間短路甚至?xí)斐尚【€徑導(dǎo)線斷線。(3）采取提高線路絕緣水平、安裝線路避雷器及整定繼電保護(hù)時(shí)間能夠從機(jī)理上降低導(dǎo)線被雷電過電壓擊穿的概率，縮短導(dǎo)線被系統(tǒng)短路電流灼燒的時(shí)間，從而有效減少線路雷擊斷線事故的發(fā)生。