10 kV绝缘导线雷击断线机理的研究

焦夏男，聂一雄，廖辰川，卢健豪，黄 伟

(广东工业大学 自动化学院，广东广州510006)

10 kV绝缘导线雷击断线机理的研究

焦夏男，聂一雄，廖辰川，卢健豪，黄 伟

(广东工业大学 自动化学院，广东广州510006)

10 kV绝缘导线在雷击作用下易发生断线事故，严重影响到供电的可靠性。对10 kV绝缘导线运用波过程的方法进行建模，利用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件对导线在雷电过电压作用下的暂态响应进行仿真，并对仿真结果进行了热效应和电磁力方面的定量计算。结果表明：雷电过电压击穿导线绝缘层仅是导线断线的诱因；绝缘子未闪络时的雷电流不足以将导线烧断；绝缘导线断线的主要原因在于过电压击穿绝缘层后工频电弧巨大的电磁力和热效应的综合作用。分析结果对减少绝缘导线雷击断线事故的发生具有参考价值。

雷击断线；闪络；电弧；热效应；电磁力

0 引言

为保证可靠供电，目前越来越多的架空线路采用绝缘导线。尽管绝缘导线在一定程度上可有效保障供电可靠性，但在遭受雷击后易发生断线事故，却逐渐成为影响电网安稳的新问题[1-7]。

针对该问题，国内外进行了一系列的研究：文献[7]2885利用ATP-EMTP软件对110 kV线路在绕击和反击情况下的暂态过程进行了仿真，虽得到了绝缘子闪络的暂态仿真，但其是否适用于10 kV架空绝缘导线则有待验证；文献[8,9]分别从模拟试验和定性分析入手说明了工频电弧及其无法在绝缘导线上移动是断线的主因，却未进一步做定量分析；文献[10]对某地配线雷击断线事故进行分析，认为引弧跳线处易发生断线事故，但却没有仿真验证；文献[11]对20 kV架空绝缘导线雷击断线原因进行了定性研究并提出相应的防治措施，对研究10 kV绝缘导线因雷击断线的机理具有一定的参考意义。

针对上述研究存在的不足，本文利用波过程理论以及ATP-EMTP软件对10 kV架空绝缘导线在雷电过电压作用下的暂态过程进行仿真，得到了仿真数据。并对绝缘子闪络和工频电弧作用下的电磁力及热效应进行了定量计算，阐明了绝缘导线断线的主要原因是在长期运行及电流热效应、电磁力的综合作用下造成的。对减少绝缘导线雷击断线事故的发生具有参考价值。

1 仿真模型的建立

考虑到实际雷击导线的特点，仿真模型主要包含雷电源、绝缘导线、绝缘子、杆塔和接地电阻等基本元件经等效分析后的模型。图1为该仿真模型的部分线路图，部分元件名称已标出，下面分述之。

图1 仿真线路模型(部分)

1.1 雷电模型

实际中，大多数的雷电放电是负极性的[7]2890。当负极性雷云放电时，线路上会感应出正束缚电荷。导线离雷电放电通道最近处感应出的电荷量最大。雷电作用消失后，感应电荷会向两侧流动产生过电压。研究时，可将雷电源视为集中参数电源作用在导线上。

考虑到IEC的标准中推荐Heidler模型[12]，本文采用雷电因数n=10的Heidler模型作为雷电源模型。为不失一般性，仿真采用3个雷电源分别和导线的A、B、C三相导线连接。对于架空配电线路，感应雷过电压是威胁线路安稳运行的主要因素，感应雷会在三相导线中同时感应出幅值相近过电压，致使相与相之间不易直接发生相间闪络，故依据一相导线的仿真结果为例进行研究。

1.2 导线模型

雷电作用时间极短，因而雷电波长也很短，集中参数线路并不适合研究雷电波过程。本文采用经换位的分布参数线路模拟导线。每个档距之间的线路用一个分布参数线路；雷电源所在档距则用2个分布参数模块连接，通过改变2个模块中线路的长度，实现改变雷电源的位置。

如图1所示，以雷电源为中心，右侧的杆塔依此标号1#、2#、3#(限于篇幅，图中未画出)、等；左侧的杆塔则对称标号1’#、2’#、3’#，依此类推。线路全线共设置20基杆塔。线路末端连接与线路波阻抗相匹配的集中参数电阻，以此来消除电压波传播到线路末端产生反射对仿真产生影响。

1.3 绝缘子与杆塔模型

导线绝缘层若因外因造成失效，大幅值的雷电过电压传播到此处时，就有可能致使导线产生绝缘击穿并引发绝缘子闪络形成闪络通道。绝缘子是否发生闪络与其击穿电压U50%密切相关，仿真模型采用一个压控开关模拟绝缘子的闪络过程。为使绝缘子在过电压作用下瞬间闪络，可认为当线路过电压超过1.5倍U50%时，绝缘子便瞬间闪络[13]。本文选择绝缘子的闪络电压临界值为1.5倍的U50%。

闪络通道形成后，电弧会经横担及杆塔对地放电或形成相间闪络。考虑到横担多为铁制，可将其视为良导体。10 kV配电网线路的杆塔高度多小于15 m[4]749，采用集中参数电感模型即可满足要求。单位长度的杆塔等值电感值为0.84 μH/m[14]，则10 m高杆塔的电感为：

(1)

接地电阻取5 Ω。

2 仿真结果

分别从绝缘子发生闪络前后的电压和电流的暂态过程进行分析，仿真以下列参数为例进行：导线波阻抗Z=450 Ω，杆塔间距为80 m。尽管线路任意位置均有可能遭受雷击，但通过大量仿真发现：不论雷击点发生在何处，电压(电流)波形总体走势是相同的，仅在幅值上具有小的差异。因篇幅所限，本文仿真分析时以电压源作用于导线中央来展开。

2.1 绝缘子未闪络的仿真结果

为研究不同雷电波形的传播特性，选取1.2/50 μs、0.1/10 μs和10/100 μs 3种雷电波形作为雷电源。以10 kV过电压为例，图2(a)为各杆塔绝缘子承受电压的仿真结果，限于篇幅，图中只画出了1#～3#杆塔的电压波形；图2(b)为3种雷电参数作用下导线中的电流波形。

图2 未闪络时的电压和导线电流暂态波形

图2表明：若绝缘子未闪络，相同参数的雷电过电压波形和导线电流波形是相似的，进一步的计算表明雷电过电压与导线电流满足欧姆定律，其比值即为线路波阻抗。因此，纵使作用在导线上的过电压可达数百 kV，但流过导线的过电流数值却很小。以感应过电压为例，若作用在导线中的过电压幅值为500 kV时(由规程法可知：发生概率小于7%)，绝缘子未闪络时导线中流过的雷电流幅值为1 112 A。

2.2 绝缘子闪络后的仿真结果

当雷电过电压较大，便会导致绝缘子发生闪络。以防雷中常用的1.2/50 μs雷电波形为例，若过电压幅值为200 kV(大于该幅值的概率为35%)，各杆塔绝缘子所承受电压的暂态特性如图3(a)；图3(b)是雷电源所在档距的导线和各杆塔电弧通道的电流波形。

图3 1.2/50 μs、200 kV过电压作用下的暂态特性

图3(a)中：1#杆塔的绝缘子的电压在超过闪络电压后迅速降到0附近，然后呈振荡上升，说明发生了闪络；2#～4#绝缘子的电压幅值未超过150 kV便迅速降到0附近，波形同1#绝缘子的电压波形极为相似，故2#～4#绝缘子并未闪络，电压波形只是1#电压波形在时间上的平移。此后，尽管1#杆塔的电压振荡上升，但却无法达到150 kV。而电压波在向远处杆塔传播时，因过电压幅值无法达到绝缘子的闪络电压，不足以致使更远杆塔的绝缘子发生击穿。

图3(b)表明：只有雷电源所在档距的导线和1#杆塔电弧通道中有电流，2#杆塔及更远的电弧通道的闪络电流为0，即未发生闪络；雷电源所在档距的导线电流最大值为25.04 kA，而1#绝缘子最大闪络电流为24.76 kA，这说明还有一部分电流继续在导线中流动。

综上所述，在1.2/50 μs、200 kV过电压作用下，只能使杆塔一侧传播方向的1个绝缘子发生闪络。

当雷电幅值为500 kV时，暂态特性仿真结果如图4所示。

图4 1.2/50μs、500 kV过电压作用下的暂态特性

表1给出了雷电源所在档距的导线和各杆塔电弧通道电流的最大值。

表1 各处电流的最大值 kA

电压的仿真结果表明：大幅值的过电压使1#～3#杆塔绝缘子立即闪络，电压迅速降至0附近并呈振荡上升趋势；而4#杆塔绝缘子电压在未达到闪络电压便迅速降低到0附近。而图4(b)和表1则说明：只有1#～3#杆塔存在闪络通道，更远的杆塔则不存在。在绝缘子闪络后，较大的电弧电流会使1#杆塔的电位会持续上升并向远处传播；传播到2#和3#杆塔绝缘子时，因其幅值大于150 kV，导致2#和3#杆塔绝缘子发生闪络且闪络后的电压呈振荡上升，但其幅值却无法达到150 kV以上。此后电压波和电流波继续向远处传播并传播到4#杆塔绝缘子处，但因电压幅值低于150 kV，4#及更远处的杆塔未发生闪络。

3 仿真结果定量分析

上节的仿真结果表明，雷击过电压会使线路发生绝缘失效和绝缘子闪络，但导线断线现象的发生只会在导线线芯的温度达到材料的熔点或者所受外力超过抗拉能力时才可能发生。雷电过电压作用期间，绝缘导线的热效应和电磁力作用的定量分析如下。

3.1 电弧热效应的分析

电弧产生的热量满足能量守恒，即：

(2)

式中：Q电弧为电弧产生的热量，J；Q线芯、Q空气和Q绝缘层分别为线芯、空气和绝缘层吸收的热量，J。

因线芯为金属，其传热系数要远大于空气和绝缘层，可认为短时间内电弧产生的热全部被线芯所吸收。故由传热学可知，式(2)可写为：

(3)

式中：i(t)为电弧电流函数，A；r为电弧电阻，Ω；t0为电流作用时间，s；c为金属比热容，J/(kg·℃)；m0为金属密度，kg/m3；l为导线受热部分的长度，m；S为导线截面积，m2；ΔT为导线温升，℃。

文献[15]认为：用15 mΩ电阻模拟电弧短路可与实验结果有比较理想的吻合。本文从宽考虑，以r=10 mΩ，l=0.1 m为例计算。

为简便起见，计算中电流可取其幅值。以上节200 kV和500 kV过电压在1#杆塔处发生闪络的仿真结果为例，设电弧作用时间为0.1 ms，铝芯温升ΔT见表2。

表2 不同过电压作用下铝芯的温升

通过计算可发现：不论200 kV还是500 kV过电压，均未达到导体熔点。根本原因在于电流作用时间极短，产生的热效应相当有限。

然而雷电过电流作用消失之后，工频电流会继续在闪络通道内产生工频电弧。实际上，导线多在保护装置动作前已断裂，计算时可取电弧燃烧时间分别为0.1 s和0.5 s。以发生两相短路为例，短路电流可达4.0 kA，导线金属温升计算结果见表3。

表3 工频电流作用下铝芯的温升

尽管工频电流相较于雷电过电流小很多，但因其作用时间较长，产生的热效应足以将导线熔断。可见，雷电过电流仅是导线断线的诱因，真正使导线熔断的是工频电弧。因此，限制工频电弧电流的大小与发生概率，对绝缘导线的防护具有重要作用。

3.2 电磁力的分析

本文计算的电磁力是两根平行导线间同时闪络时的情况，对于单相或三相导线间发生闪络的电磁力可根据矢量合成求得。两根单位长度的平行导线间的电磁力可按下式计算：

(4)

式中：fe和fm分别为单位导线间的电场力和磁场力，N；u为电压，V；i为电流，A；R为导线半径，m；d为输电线间的距离，m；ε0和μ0分别为真空中的介电常数和磁导率。

表4是当d=1 m时，一个档距间的导线在不同过电压和电流作用下的电磁力的最大值。

表4 一个档距间的导线电磁力

可见，导线中雷电过电流产生的磁场力可高达数10 kN；电场力则远小于磁场力，可忽略不计。而导线的抗拉断力多在20～50 kN。尽管500 kV过电压发生的概率极小，但其磁场力已超过100 kN，远超导线的抗拉能力。

需要说明的是：由式(4)所计算的电磁力是时间的函数，表4的计算结果仅为最大值。然而，即便导线因作用时间极短不能被拉断，导线必然会受到损伤，加之导线受热后抗拉能力也会急剧下降。随着损伤的积累，导线发生断线几乎是必然事件。

4 结论

对10 kV绝缘导线雷击过程进行仿真分析，结果表明：纵使在500 kV雷电过电压的作用下，在绝缘子不发生闪络时，导线中的过电流也仅为1.12 kA，不足以将导线烧断且电磁力也极小。一旦绝缘层发生击穿形成闪络通道，线路中流过的电流会急剧上升。由于绝缘层的阻凝，工频电弧会在针孔处形成持续电弧放电。从热效应分析，流过闪络通道的工频电流会在较短的时间内产生巨大的热量且难以释放，足以使导线温度上升到熔点；电磁力计算表明：闪络后导线中过电流产生的磁场力是巨大的，有可能高达100 kN以上。在热效应和电磁力的综合作用及导线的长期运行下，导线因雷击而发生断线的概率大为增加。

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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，硕士研究生，研究方向为电力系统防雷与接地技术。