霧霾對配電線路雷電感應跳閘率的影響

廖梓榕， 常仲科， 余希娟， 張慧峰

(國網臨夏供電公司，甘肅，臨夏 731100)

0 引言

目前，環境污染問題已成為急需解決的主要問題，霧霾天氣頻繁出現是環境污染問題的直接體現[1]。霧霾天氣是指空氣中聚集大量直徑小于等于2.5 μm的污染顆粒物，霧霾污染顆粒物對人類生活帶來極大影響，污染顆粒物吸入肺部會造成心肺疾病等嚴重危害，直接威脅人類身心健康[2]。目前眾多研究學者發現霧霾污染顆粒物對電力系統同樣具有嚴重侵害[3]。

雷電是危害配電線路正常運行的重要自然災害，配電線路中絕緣水平過低時，極易因雷電災害造成配電線路閃絡跳閘，供電網絡因此中斷，影響人類生活以及工作，降低配電網可靠性[4-5]。配電線路雷電感應跳閘的主要原因是配電線路因雷電直擊形成感應過電壓。城鎮中樹木、建筑等遮擋物會降低雷電直擊概率，但霧霾天氣中污染顆粒物增加配電線路中雷電流幅值[6]，雷電流幅值增加會提升配電線路雷電感應跳閘率。10 kV配電線路絕緣電壓通常為100 kV左右，而因雷電直擊造成的配電線路雷電感應可高達幾百千伏，因此研究霧霾環境下配電線路雷電感應跳閘率對于提升配電網安全具有重要意義。

1 霧霾對配電線路的影響

霧霾是漂浮在空氣中的PM2.5、氣溶膠、粉塵等粒子，在天氣相對穩定狀態下產生的現象，主要由PM2.5造成。霧霾多發生于城市，其高密度人口經濟模式導致了大量PM 2.5顆粒物的排放，而這種排放一旦超過大氣循環能力和承載限度，PM 2.5會持續積聚，出現嚴重的霧霾現象。

1.1 霧霾顆粒荷電化

荷電化是由于電子束的約束作用，導線表面積累一定負電荷，導致輸電導線的輸電性能降低，造成電能的浪費。當霧霾顆粒吸附在導線表面時，發生荷電化現象，改變輸電導線的表面特性，降低其導電性能。霧霾顆粒的荷電化方式主要有2種。

(1)電場力作用使得空間電荷定向移動，與懸浮微粒碰撞，產生荷電，發生荷電化現象。

(2)空間電荷擴散，導致荷電產生，發生荷電化現象。

1.2 霧霾影響離子遷移

輸電導線在一定條件下會發生離子化現象，電場作用使離子通過絕緣層向另一極遷移，與附著在輸電導線表面的懸浮顆粒物結合，大量的霧霾顆粒會結合大量的遷移離子，極大降低輸電導線效率。

1.3 霧霾導致電暈現象

在一定介質中，輸電導線表面會發生局部放電現象，稱為電暈現象。附著在輸電導線表面的霧霾顆粒作為一種介質，改變了輸電導線的表面特性，導致電暈現象的發生，降低了輸電導線的輸電效率，造成電能的浪費，這種現象多出現于高壓導線周圍。

霧霾顆粒主要通過2種方式影響導線表面光滑度。

(1)霧霾中的懸浮霧滴形成凝露附著在輸電線表面，導致發生電暈現象。

(2)霧霾中的懸浮微粒物在極化力作用下，向輸電導線移動并附著在其表面，導致發生點暈現象。

2 配電線路雷電感應跳閘率

2.1 離子流場中霧霾污染顆粒物荷電化

研究霧霾污染顆粒物對10 kV配電線路雷電感應跳閘率影響需先分析離子流場中霧霾污染顆粒物荷電化。針對離子流場中霧霾污染顆粒物荷電化做出如下假設：霧霾污染顆粒物為大小均勻的球形，懸浮于空氣中；每個霧霾污染顆粒物于10 kV配電線路中電場獨立分布，與其他霧霾污染顆粒物電場分布并不相關；相同大小的霧霾污染顆粒物所具有電荷量不存在差異。

10 kV配電線路離子流場中霧霾污染顆粒物荷電量[7]如式(1)。

(1)

式中，ps與r分別表示飽和荷電量與懸浮微粒半徑，E0、εr與ε0分別表示外加電場強度、相對介電常數與空氣介電常數，ε0=8.965×10-12F/m。

2.2 霧霾污染顆粒物離子流場控制方程

霧霾污染顆粒物荷電化情況下大氣中存在新空間電荷，式(2)—式(4)表示空間中隨機點電位與空間電荷間存在的關系[7]，

(2)

ρ+=ρe++ρf++ρp+

(3)

ρ-=ρe-+ρf-+ρp-

(4)

式中，δ與ρ+、ρ-分別表示空間電位與空間正負總電荷密度，ρe+表示正離子空間電荷密度，ρe-表示負離子空間電荷密度，ρf+表示存在霧霾污染顆粒物時懸浮霧滴荷電化形成的正空間電荷密度，ρf-表示存在霧霾污染顆粒物時懸浮霧滴荷電化形成的負空間電荷密度，ρp+表示霧霾污染顆粒物荷電化形成的正空間電荷密度，ρp-表示霧霾污染顆粒物荷電化形成的負空間電荷密度。

霧霾污染顆粒物荷電化情況下10 kV配電線路電流密度[8]為式(5)和式(6)，

(5)

(6)

霧霾污染顆粒物于配電線路中雷電流幅值[8]為式(7)、式(8)，

(7)

(8)

式中，Q與e分別表示離子復合系數以及電子電量，e=1.703×10-19，I+與I-分別表示配電線路中正離子雷電流幅值和負離子雷電流幅值。

2.3 雷電感應跳閘率

存在霧霾污染顆粒物環境下，輸電線路或周圍地表受到雷電直擊時，先導通道中存在的負電荷中和后電場降低，釋放導線束縛電壓后沿配電線路運動[8]，形成雷電感應過電壓引起跳閘。雷電通道附近雷電流電磁場增加，電磁場變化增加配電線路電壓，電磁場與靜電感應電壓同時存在使配電線路中配電導線形成過電壓。

架空配電線路受到輸電線路屏蔽與保護，雷電直擊可能極小，而造成配電線路跳閘的主要原因是雷電感應。10 kV配電線路受到架空配電線路上輸電線路與地面的雷電感應，配電線路感應過電壓遠遠高出絕緣耐受電壓，導致配電線路因雷電感應引起跳閘。

依據DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定，配電線路與雷擊點間距超過65 m時，存在霧霾污染顆粒物環境下，配電線路中導線感應過電壓最大值[9]為式(9)，

(9)

式中，h、I與L分別表示存在霧霾污染顆粒物環境下導線平均高度、雷電流幅值以及雷擊點與配電電路間距。

10 kV配電線路的架空桿塔高度通常處于5—15 m內，雷電擊中輸電線路或附近地表時，用Lmin表示雷擊點至配電線路間最短距離，存在霧霾污染顆粒物環境下雷電直接擊中輸電線路或附近地表情況下，架空配電線路形成的感應過電壓無法用以上公式表示，依據IEEE最新配電線路防雷標準，可得配電線路中導線感應過電壓最大值[9]為式(10)，

(10)

利用絕緣子串兩側存在的過電壓與空氣或絕緣子間隙放電電壓U50%可判斷配電線路中絕緣子是否發生閃絡現象，絕緣的放電電壓U50%小于過電壓時即可判定該配電線路出現閃絡現象，若雷電擊中點與配電線路的距離L時，存在霧霾污染顆粒物環境下，10 kV配電線路中絕緣子閃絡的最小雷電流[10]如式(11)，

(11)

雷電流幅值大于I0(L}時，若雷電擊處于配電線路間距為L時，形成絕緣子閃絡現象，存在霧霾污染顆粒物環境下，絕緣子閃絡現象[10]如式(12)，

(12)

式中，Im為配電線路最大雷電流幅值。

結合以上輸電線路與線路周圍地表遭雷電直擊現象，積分配電線路絕緣子閃絡的落雷區間，獲取存在霧霾污染顆粒物環境下配電線路感應雷過電壓造成的跳閘率[10]如式(13)。

(13)

式中，θ與τ分別表示落雷密度以及建弧率。

3 實驗分析

在MATLAB仿真平臺中模擬某霧霾嚴重地區2條10 kV配電線路，2條配電線路長度分別為45 km以及55 km，輸電桿塔為鋼筋混凝土桿塔，配電線路中以三角形布置導線，最高處導線以及導線弧垂分別為8.5 m和0.6 m，線路平均高度以及絕緣子負極性50%放電電壓分別為7.55 m和100 kV，實驗所處地區平均雷暴日為40天，建弧率為0.382，霧霾污染顆粒物全年平均濃度為47 μg/m3。

采用本文方法獲取雷擊點處于配電線路中間位置時，配電線路三相導線端部過電壓波形圖如圖1所示。

圖1 配電線路雷電感應過電壓

通過圖1可以看出，三相導線波形以及過電壓幅值極為相近，三相導線波形均展現為單脈沖狀態，配電線路中三相導線空間幾何位置間距較小，三相導線高度為A>B>C，因此，圖1中A相配電線路雷電感應過電壓幅值最高。

設雷擊大地密度為5次/km2·a，霧霾污染物顆粒濃度為40 μg/m3時，雷電直擊點間距不同時，配電線路由于雷電感應造成跳閘次數如表2所示。

表2 不同雷電直擊點間距時跳閘次數

從表2可以看出，霧霾污染物顆粒濃度為40 μg/m3時，跳閘次數受雷擊點與配電線路間距影響，跳閘次數與雷擊點與配電線路間距成反比，雷擊點與配電線路間距越短，配電線路中兩相閃絡臨界跳閘電流幅值越低，雷電感應跳閘率越高。

由表2實驗結果折算后可知，該條線路在霧霾污染物顆粒濃度為40 μg/m3時雷電感應跳閘率為10.58次/km·a,而不考慮配電線路工作電壓時候配電線路雷電感應跳閘率為10.61次/km·a，可知配電線路工作電壓對雷電感應跳閘率影響極小，基本可以忽略。霧霾污染物顆粒濃度為40 μg/m3時，雷擊點與配電線路間距為100 m時，考慮與未考慮線路工作電壓兩相閃絡概率如圖2所示。

圖2 工作電壓對兩相閃絡概率影響

由圖2實驗結果可以看出，雷電流幅值較低時，考慮工作電壓時的兩相閃絡概率高于未考慮工作電壓時的兩相閃絡概率；雷電流幅值較高時，考慮工作電壓的兩相閃絡概率低于未考慮工作電壓的兩相閃絡概率，但二者相差極小。霧霾污染物顆粒濃度為40 μg/m3時，考慮與未考慮工作電壓對配電線路兩線閃絡概率影響并不明顯。

采用本文方法計算不同霧霾污染顆粒物濃度下10 kV配電線路雷電感應跳閘率，計算結果如表3所示。

表3 不同霧霾污染顆粒物濃度時跳閘率

由表3可以看出，隨著霧霾污染顆粒物濃度逐漸升高，配電線路雷電感應跳閘率隨之升高。實驗結果表明，計算配電線路雷電感應跳閘率時，應重點考慮霧霾污染顆粒物對配電線路雷電感應的影響，霧霾污染顆粒物濃度較高地區，應重點保護配電線路安全。

采用本文方法計算霧霾污染顆粒物濃度為40 μg/m3時絕緣子50%閃絡電壓對配電線路雷電感應跳閘率影響，計算結果如表4所示。

表4 絕緣子50%閃絡電壓對跳閘率影響

由表4實驗結果可以看出，隨著絕緣子50%閃絡電壓增加，雷電感應造成的配電線路跳閘率有所降低，且降低幅度極大，主要原因是感應過電壓較小，配電線路絕緣水平不斷提升，感應過電壓隨之降低。絕緣子50%閃絡電壓較小時，應重視配電線路雷電感應跳閘率，絕緣子50%閃絡電壓較大時，配電線路的雷電感應跳閘率較低，此時應重點防御雷電直擊造成的跳閘率。

4 總結

霧霾污染顆粒物是威脅人體健康以及用電安全的重要危害物，通過分析霧霾污染顆粒物對10 kV配電線路雷電感應跳閘率的影響作用，得到以下結論。

(1)存在霧霾污染顆粒物環境下，配電線路三相感應過電壓波形與過電壓幅值相差極??；

(2)存在霧霾污染顆粒物環境下，雷擊點與配電線路間距越小，形成的感應過電壓越容易增加雷電感應跳閘率；

(3)存在霧霾污染顆粒物環境下，雷電感應跳閘率基本不受工作電壓影響，計算過程中可忽略工作電壓；

(4)霧霾污染顆粒物濃度越高，形成雷電感應跳閘率越高；

(5)存在霧霾污染顆粒物環境下，絕緣子50%閃絡電壓較小時，應重視配電線路雷電感應跳閘率。