配網導線雷擊斷線機理與防護措施研究

汪明，鄒宇，符德宇，陳恒龍，謝振俊

（廣西電網有限責任公司欽州供電局，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。雷電產生的過電壓會使絕緣子發生閃絡甚至絕緣附近間隙擊穿，進而引發線路跳閘或導線斷線事故。導線斷線事故會造成長時間的停電事故，給企業和居民帶來巨大的經濟損失，同時危害電網的安全穩定運行。

目前，有關導線斷線機理的研究主要從定性角度分析，文獻[1]基于實驗得出電弧在工頻短路電流作用下不會熄滅；電弧在裸導線上移動，并受多種力的作用下穩定在某一點燃燒[2]；文獻[3]-[4]對長閃絡路徑的電弧進行了實驗研究，給出了工頻閃絡的臨界梯度公式以及臨界梯度與故障電流的關系；文獻[5]分析了電磁力對電弧運動的影響，文獻[6]仿真研究結果表明電弧在左、右相導線上向單一方向移動，而中間相的電弧會往返移動。雷擊是否閃絡取決于很多因素，文獻[7]研究了污穢絕緣子工頻疊加雷擊沖擊閃絡的特性，結果表明污穢越嚴重，絕緣子沖擊閃絡電壓越低；風振動實驗表明風振動會加快裸導線疲勞，進而造成導線斷線[8]?，F有的研究未考慮到其他因素如短路電流對導線斷線的影響，不能充分說明雷擊斷線機理，此外，目前10kV線路大部分采用裸導線，現有研究未針對裸導線的斷線進行分析?；诖?，本文研究分析了雷電流和工頻短路電流對裸導線斷線的機理影響并提出雷擊斷線防護措施。

1 配網雷擊斷線案例

某地區10kV線路地處多雷區，發生多起導線斷線事件。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荷側500mm處，該線路桿塔地處山坡，相對地理位置凸出，故容易遭受雷擊。根據雷電定位系統查詢當日有落雷記錄，導線斷線如圖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線的某點長時間穩定燃燒，導線溫度急劇升高，當溫度達到或接近導線材料熔點時，造成導線斷線。

圖1 導線斷線故障點

2 裸導線與絕緣導線的對比

絕緣導線在雷電過電壓引起絕緣子閃絡并擊穿導線絕緣層時，被擊穿的絕緣層呈一針孔狀，接續的工頻短路電流電弧受周圍絕緣的阻隔，弧根不能沿著導線滑動，只能在針孔處燃燒，這樣在極短的時間內導線就會被整齊地燒斷。盡管絕緣導線的斷線概率更高，但在10kV線路實際運行過程中即使是裸導線也同樣會發生斷線事故，對絕緣導線和裸導線斷線過程的異同點進行分析，結果如表1所示。

表1 絕緣導線和裸導線斷線過程分析

3 電流能量對導線斷線的影響

導線最終斷線與雷電流能量和工頻短路電流能量有關，本節對雷電流能量對導線斷線的影響進行分析，同時基于PSCAD仿真計算了幾種影響短路電流的因素，并研究了短路電流能量對導線斷線的影響。

3.1 雷電流能量對斷線的影響

雷擊能否直接造成導線斷線可利用能量守恒定律（忽略其他能量損耗）計算驗證：

其中i為雷電流表達式，kA；R為導線電阻，Ω；t為雷電通過導線的時間，s（計算取100μs）；C1為鋁的比熱容，J/（kg.℃）；M1為鋁股質量，kg；ΔT1為鋁熔化的溫度變化，℃；C2為鋼的比熱容，M2為鋼芯質量，ΔT2為鋼熔化的溫度變化；a、b表示時間常數，I0雷電流幅值，a=-16000，b=-1040800；ρ為導線電阻率，l為導線長度（計算取0.1m），S為導線截面積；導線運行穩定為90℃，鋁熔點為660℃，鋼熔點為1535℃。

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

由表2可知，導線斷股時雷電流幅值大于200kA，斷線時雷電流幅值均大于3000kA?？紤]到雷電多次回擊以及雷電流出現在自然界中的概率，可認為雷擊導線可能造成斷股，但不會造成斷線。這是由于雷電流持續時間在微秒級，而系統短路電流持續時間在秒級甚至小時以上，為此需通過仿真來計算系統短路電流的能量并分析裸導線斷線原因。

3.2 系統短路電流能量

雷電過電壓會建立電弧通道，若電弧沒有及時熄滅則系統短路電流持續較長時間，持續時間視繼電保護動作時間而定，導線可能因溫度急劇升高而熔斷?；赑SCAD建立了仿真模型并對線路的短路電流進行計算。

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.

由于中性點接地方式對短路電流影響較大，且經消弧線圈接地方式能夠較好的補償電容電流，有效抑制間歇性電弧引起的弧光過電壓?；诜抡婺Ｐ陀嬎悴煌行渣c接地方式下短路電流在導線上產生的能量如表4所示。單相接地故障不會使配網線路保護跳閘，在此不接地方式和經消弧線圈接地方式計算時間取1h，小電阻接地方式計算取1s。

將表3結果與表2中導線斷股或斷線所需能量進行比較可知，單相接地短路電流在導線上產生的能量遠小于斷股或斷線所需能量，因此可認為單相接地短路不會造成導線斷線或斷股。

表2 造成導線斷股或斷線的雷電流大小與能量

表3 短路電流在導線上產生的能量

3.2.2 兩相接地故障

在仿真條件不變，設置故障類型為兩相接地故障，仿真不同負荷和不同中性點接地方式下的短路電流結果如表4所示。

表4 兩相接地短路電流大小

由表5可知，系統負荷基本不影響短路電流大小，中性點接地方式對短路電流影響很小。兩相接地短路時，短路電流過大，速斷保護動作（保護時間取0.5s），三種接地方式短路電流均取13.4kA計算，計算結果如表5所示。

將表6結果與表2中導線斷股或斷線所需能量進行比較可知，兩相接地短路電流在導線上產生的能量大于斷股所需能量，因此可認為兩相接地短路可能會造成導線斷股。

3.2.3 相間短路故障

仿真條件不變，設置故障類型為相間短路故障，此時線路中不存在零序電流和零序電壓，中性點接地方式對短路電流大小無影響，選取中性點經消弧線圈方式進行仿真研究，仿真結果如表6所示。

表6 相間短路時短路電流大小

由表7可知，系統負荷對相間短路電流大小影響很小。線路發生相間短路時，短路電流過大會引起系統速斷保護動作，在此保護時間取0.5s，短路電流取21.95kA計算，結果如表7所示。

表7 短路電流在導線上產生的能量

將表8結果與表2中導線斷股或斷線所需能量進行比較可知，相間短路電流會造成小線徑導線斷線，可能造成大線徑導線斷股。

3.2.4 三相短路故障

仿真條件不變，故障類型變為三相短路故障，此時線路同樣不存在零序電流和零序電壓，接地方式對短路電流大小無影響，選取中性點經消弧線圈方式進行仿真研究，仿真結果如表8所示，系統負荷對相間短路電流大小影響很小。

表8 三相短路時短路電流大小

由于線路發生三相短路時，短路電流較大，會引起系統速斷保護動作（保護時間取0.5s），短路電流取15.5kA計算，計算結果如表9所示。

表9 短路電流在導線上產生的能量

將表9結果與表2中導線斷股或斷線所需能量進行比較可知，三相短路電流在導線上產生的能量大于斷股所需能量，因此，可認為三相短路電流可能造成導線斷股。

綜上所述，單相接地故障不會造成導線斷股，兩相接地短路、相間短路和三相短路可能造成導線斷股，相間短路甚至會造成小線徑導線斷線。

4 防護措施

基于10kV配電線路裸導線斷線機理的分析研究，提出一些防護措施以降低斷線率，提高線路運行的可靠性。

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電壓，導線就越不易發生斷線。提出以下配置原則：山區、平原及覆冰區使用瓷橫擔絕緣子或者玻璃絕緣子，污穢嚴重地區考慮使用復合絕緣子，雷電活動強烈的地區使用加強型瓷橫擔絕緣子。

4.2 安裝線路避雷器

避雷器由于其優良的非線性特性，能將絕緣子兩端的過電壓限制到避雷器的殘壓水平，防止絕緣子閃絡或間隙擊穿，進而降低裸導線斷線概率。由于線路避雷器保護范圍較小，若架空線路每基桿塔都安裝避雷器，則能有效預防雷擊跳閘或者斷線事故。但每基桿塔安裝避雷器的經濟投入過大，因此有選擇性地在配電線路中安裝避雷器進行保護，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 整定繼電保護時間

基于工頻短路電流的仿真計算結果可知，繼電保護動作時間越長，系統短路電流在導線上產生的能量越大，導線越容易斷線，對系統造成的危害越大。因此，整定合理的保護動作時間，能夠減少線路故障時對電網的危害，保障系統的安全穩定運行。

5 結論

本文開展了斷線案例分析、導線斷線過程、影響導線斷線因素以及防護措施等方面的研究工作，得到結論如下：(1）計算分析了電流能量對導線斷線的影響，得出雷擊并不能直接造成裸導線斷線，而是造成裸導線斷線的誘因，工頻短路電流是造成裸導線斷線的主要原因。(2）接地方式相同時，系統負荷不影響工頻短路電流的大??；在負荷相同的條件下，中性點接地方式對單相短路電流影響很大。根據不同故障類型下短路電流的大小和作用在導線上的熱能量，得出單相接地故障不會造成斷股，兩相接地短路、相間短路和三相短路可能造成導線斷股，相間短路甚至會造成小線徑導線斷線。(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時間能夠從機理上降低導線被雷電過電壓擊穿的概率，縮短導線被系統短路電流灼燒的時間，從而有效減少線路雷擊斷線事故的發生。