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        基于弧垂與綁扎線的絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的研究

        2018-08-20 06:39:34焦夏男聶一雄
        電瓷避雷器 2018年4期

        焦夏男,聶一雄

        (1.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,廣州 510006;2.廣州供電局有限公司荔灣供電局,廣州 510145)

        0 引言

        配電線路廣泛采用架空絕緣導(dǎo)線。然而,絕緣導(dǎo)線在遭受雷擊后易發(fā)生斷線事故,成為影響電網(wǎng)安穩(wěn)運(yùn)行的新問題[1]。

        為解決絕緣導(dǎo)線雷擊斷線問題,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一系列的研究:文獻(xiàn)[2-3]認(rèn)為感應(yīng)雷過電壓是造成配電線路故障的主因,但卻沒有進(jìn)一步說明為何斷線多集中于桿塔兩側(cè)50 cm范圍內(nèi);文獻(xiàn)[4-7]僅定性分析了絕緣導(dǎo)線在遭受雷擊后易發(fā)生斷線的原因,缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證;文獻(xiàn)[8-9]分析發(fā)現(xiàn)一定情況下局部放電可能使絕緣層產(chǎn)生針孔擊穿,以及針孔擊穿多集中于綁扎線附近,但沒有對(duì)此處絕緣層為何易擊穿做出解釋;文獻(xiàn)[10-11]揭示了在絕緣層擊穿后,續(xù)流電弧無法在針孔擊穿處移動(dòng)是導(dǎo)線斷線的重要原因;文獻(xiàn)[12]對(duì)某線路雷擊斷線事故進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,認(rèn)為線路中波阻抗的突變會(huì)使電壓波發(fā)生折射和反射并產(chǎn)生較高的電壓,但未進(jìn)行更為普遍性的研究。

        現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為導(dǎo)線絕緣層在被雷電過電壓擊穿之后,工頻電弧的穩(wěn)定燃燒是導(dǎo)線斷線的主因,卻較少研究為何絕緣擊穿處多在桿塔附近。架空導(dǎo)線安設(shè)的金具、引弧跳線等元件可能使導(dǎo)線波阻抗發(fā)生突變;弧垂也會(huì)使導(dǎo)線成為非均勻傳輸線。但鮮有文獻(xiàn)從這兩方面研究絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的機(jī)理。針對(duì)以上不足,本文以弧垂和綁扎線為例,首先分析了導(dǎo)線波阻抗在兩者作用下的變化特點(diǎn),表明雷電過電壓在傳播時(shí)會(huì)發(fā)生折射和反射;然后利用ATP-EMTP軟件對(duì)不同雷電波形的傳播特性進(jìn)行了仿真,從理論與仿真結(jié)果上證明了弧垂和綁扎線會(huì)使雷電過電壓的幅值增大并可能超過導(dǎo)線的耐雷水平;最后提出了相應(yīng)的防治措施。

        1 絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的理論分析

        導(dǎo)線在遭受雷擊之后,過電壓會(huì)向?qū)Ь€兩側(cè)傳播[13]。針對(duì)絕緣導(dǎo)線雷擊斷線現(xiàn)象,現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為:當(dāng)雷電過電壓傳播到絕緣層薄弱處時(shí),會(huì)擊穿絕緣層并形成針孔,工頻電弧便在針孔處穩(wěn)定燃燒并致使導(dǎo)線斷線[3-7]。然而對(duì)于針孔擊穿處為何多位于導(dǎo)線某一范圍內(nèi),卻沒有形成共同的看法。資料顯示:針孔多集中于絕緣子兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)。這是由于一方面該處的絕緣導(dǎo)線因多種力的作用易產(chǎn)生疲勞,導(dǎo)線絕緣能力下降[14];另一方面則可能是過電壓傳播到該處附近時(shí)幅值會(huì)增大。過電壓幅值增大主要有2個(gè)因素:

        1)架空絕緣導(dǎo)線因自重和拉力的作用會(huì)產(chǎn)生弧垂,導(dǎo)致導(dǎo)線不同位置對(duì)地高度不同,使導(dǎo)線不再為均勻傳輸線。當(dāng)雷電過電壓傳播到不同波阻抗的交接面時(shí),將會(huì)發(fā)生折射與反射現(xiàn)象,有可能導(dǎo)致過電壓幅值增大。

        2)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與理論分析表明:綁扎線會(huì)因老化、局部放電等現(xiàn)象造成其絕緣層受損,有可能形成閉合線圈。當(dāng)導(dǎo)線中通有變化電流時(shí),綁扎線必會(huì)對(duì)導(dǎo)線有電磁耦合作用,使其波阻抗發(fā)生突變。

        上述2個(gè)因素的作用,可能會(huì)使原本低于耐雷水平的過電壓傳播到絕緣子附近時(shí),幅值有明顯的增大。

        從頻譜分析可知:雷電過電壓波形含有豐富的高頻分量,可以看成是許多簡(jiǎn)諧波疊加而成。通常,雷電波前時(shí)間t1與半波時(shí)間t2滿足t1/t2<0.1。如果在t1~t2時(shí)間段內(nèi),將雷電波視為直流波形,而0~t1時(shí)間段內(nèi),雷電過電壓波形則可以t1為周期分解為

        式中:u(t)為0~t1時(shí)間段內(nèi)的電壓波形;U0為直流分量幅值;Un、fn和φn分別為n次諧波分量幅值、頻率和初相角,且有fn=nf1=n/t1。

        當(dāng)雷電波在導(dǎo)線中發(fā)生折射和反射時(shí),任一點(diǎn)的電壓為該點(diǎn)入射電壓與反射電壓之和,也等于折射電壓。為便于研究,本文選取折射電壓進(jìn)行分析。直流分量的折射系數(shù)則為1;不同頻率波形經(jīng)過綁扎線處時(shí),因相應(yīng)的阻抗不同從而造成折射系數(shù)也各不相同。折射電壓為

        式中:uz(t)為折射電壓;αn為n次諧波的折射系數(shù),滿足

        式(2)說明:綁扎線對(duì)應(yīng)的阻抗Z綁越大,折射系數(shù)αn則越大,折射過電壓也越大。因此,若過電壓波含有大量的諧波,有可能使Z綁>Z導(dǎo),過電壓在傳播到此處幅值時(shí)有明顯的增大。

        2 仿真模型與參數(shù)

        從上述理論分析表明:弧垂和綁扎線致使雷電過電壓幅值增大并導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣層擊穿是導(dǎo)線雷擊斷線的重要原因。筆者利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件重點(diǎn)研究弧垂和綁扎線對(duì)雷電波傳播特性的影響。不失一般性,仿真模型包括導(dǎo)線、雷電源以及桿塔、橫擔(dān)和絕緣子的等效模型。

        2.1 弧垂模型

        導(dǎo)線弧垂可用拋物線方程近似表示[14]。任一點(diǎn)的高度h可采用下式計(jì)算:

        式中:H為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的高度,m;x為導(dǎo)線上某處到檔距中央的距離,m;l為檔距,m;A為與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及懸掛位置有關(guān)的系數(shù)。

        規(guī)程規(guī)定:在人口密集地區(qū),3~10 kV導(dǎo)線與地面的最小距離為6.5 m[15]。本文以導(dǎo)線與地面的最小距離為8 m為例進(jìn)行研究。若10 kV架空絕緣導(dǎo)線的懸掛高度H=12 m、檔距l(xiāng)=80 m,可得弧垂fx=4 m。導(dǎo)線上任一點(diǎn)的高度h為

        實(shí)際上,精確建立導(dǎo)線弧垂模型是極為困難的。為簡(jiǎn)便起見,可將導(dǎo)線劃分為多段導(dǎo)線相連接。以檔距中心兩側(cè)對(duì)稱地對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行分段,每小段導(dǎo)線高度認(rèn)為不變,不同小段的高度按照式(4)計(jì)算,從而簡(jiǎn)化導(dǎo)線參數(shù)的計(jì)算。

        2.2 導(dǎo)線與綁扎線模型

        筆者采用經(jīng)過換位的分布參數(shù)線路對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行建模。對(duì)于架空配電線路,感應(yīng)雷過電壓是威脅線路安穩(wěn)運(yùn)行的主要原因。感應(yīng)雷會(huì)在三相導(dǎo)線中同時(shí)感應(yīng)出幅值相近過電壓[16-17],致使相與相之間不易直接發(fā)生相間閃絡(luò)。因此三相導(dǎo)線模型可簡(jiǎn)化為單相線路。每一段的波阻抗Z可按下式進(jìn)行計(jì)算:

        式中:Z為線路波阻抗,Ω;h為線路對(duì)地高度,m;r為導(dǎo)線半徑,m。

        導(dǎo)線的分段段數(shù)越多,結(jié)果則越精確。限于篇幅,本文以導(dǎo)線檔距為中心各分6段。對(duì)于其它分段段數(shù),筆者通過仿真發(fā)現(xiàn)結(jié)果大致相同。以JKLYJ-10/95導(dǎo)線為例,分段的結(jié)果見表1。

        表1 導(dǎo)線分段的波阻抗Table 1 Wave impedance of wire segment

        圖1為不計(jì)電阻的情況下,綁扎線和導(dǎo)線的簡(jiǎn)化耦合模型。

        當(dāng)導(dǎo)線中通有變化的電流時(shí),由圖1可得下式:

        圖1 綁扎線與導(dǎo)線的耦合模型Fig.1 Binding wire and wire coupling model

        式中:L1和L2分別為導(dǎo)線和綁扎線的電感,H;M為兩者間的互感,H;ω為n次諧波的角頻率,rad/s。

        式(7)便是計(jì)及綁扎線后n次諧波在綁扎線處對(duì)應(yīng)的阻抗。因該部分的長(zhǎng)度多為十幾厘米,遠(yuǎn)小于雷電的波長(zhǎng)(以0.1/50 μs的雷電波形為例,波頭長(zhǎng)度為30 m),故在仿真中可視為集中參數(shù)元件。綁扎線與導(dǎo)線之間因無鐵心,由電磁學(xué)可知耦合系數(shù)較小,精確計(jì)算表明,耦合系數(shù)k=0.05~0.25。仿真時(shí)可取耦合系數(shù)k=0.15。

        2.3 雷電源、桿塔和絕緣子模型

        工程中,Heidler雷電源模型更加符合人們的預(yù)期[17],故本文采用雷電因數(shù)n=3的Heidler模型作為雷電源模型。當(dāng)幅值較大的過電壓作用在導(dǎo)線上時(shí),有可能超過導(dǎo)線的耐雷水平并引發(fā)絕緣子的閃絡(luò),仿真可采用一個(gè)壓控開關(guān)模擬絕緣子。絕緣子擊穿后,會(huì)形成閃絡(luò)通道,工頻電弧可經(jīng)橫擔(dān)及桿塔對(duì)地放電或形成相間閃絡(luò)。考慮到橫擔(dān)多為鐵制,可視為良導(dǎo)體。桿塔模型則采用單一波阻抗模型,數(shù)值為150 Ω,波速為210 m/μs。接地電阻則為5 Ω。圖2是部分仿真線路圖。

        3 頻譜分析與仿真結(jié)果

        為研究弧垂和綁扎線對(duì)不同雷電波形幅值的影響,選取 1/50 μs、0.5/50 μs、0.1/50 μs、0.1/100 μs和10/50 μs 5種雷電波形進(jìn)行仿真分析。對(duì)于其它的雷電波形,其結(jié)果可依照所得規(guī)律進(jìn)行類比。

        3.1 雷電過電壓頻譜分析

        為便于研究雷電幅值的增大倍數(shù),仿真結(jié)果均進(jìn)行了標(biāo)幺化,即認(rèn)為作用在導(dǎo)線上的雷電壓初始幅值為1。圖3是5種波形在0~t1時(shí)間段內(nèi),頻譜分析及各頻譜相應(yīng)折射系數(shù)α的分析結(jié)果,其中縱軸括號(hào)內(nèi)的數(shù)值代表折射系數(shù)。

        圖2 仿真線路圖(部分)Fig.2 Simulation circuit diagram(part)

        圖3 0~t1內(nèi)各諧波幅值和相應(yīng)的折射系數(shù)Fig.3 Amplitude of each harmonic and the corresponding refraction coefficient within 0~t1

        可以發(fā)現(xiàn):在0~t1時(shí)間段內(nèi),高頻分量幅值隨頻率f的增大而迅速衰減,能量主要分布在基頻區(qū),高頻區(qū)的能量則較少;雷電波的波前時(shí)間t1越短,則高頻區(qū)的幅值則越大。

        圖4是在t1~t2時(shí)間段內(nèi),以1/50 μs和0.1/50 μs波形為例的折射前后電壓幅值。

        圖4 t1~t2時(shí)間段內(nèi)諧波幅值與折射前后電壓幅值Fig.4 Amplitude and voltage amplitude before and after refraction within t1~t2

        通過對(duì)比圖3和圖4可見:在t1~t2時(shí)間段內(nèi),高頻分量幅值遠(yuǎn)小于0~t1時(shí)間段內(nèi)相應(yīng)頻率的高頻分量幅值,折射電壓也極小,可忽略不計(jì)。

        此外,當(dāng)α=1時(shí),lgf=7.65。若lgf>7.65時(shí),1/50μs、0.5/50 μs和10/50 μs波形的高頻分量幅值基本趨于0;0.1/50 μs、0.1/100 μs波形的高頻分量幅值仍較大。這說明,波前時(shí)間t1越短的雷電波,綁扎線處波的折射和反射則越明顯。因此,在上述5種波形中,0.1/100 μs波形和 0.1/50 μs波形幅值的增量最明顯;其余3種則不明顯。

        3.2 仿真結(jié)果

        對(duì)上述5種雷電波形進(jìn)行仿真。仿真時(shí)認(rèn)為雷擊點(diǎn)為導(dǎo)線檔距中央,若雷擊點(diǎn)為其它位置時(shí),電壓波形大體相同,只是幅值上存在微小的差別。以距離等效雷電源最近桿塔綁扎線處的電壓波形為例,結(jié)果見圖5。

        圖5 不同雷電參數(shù)的暫態(tài)波形Fig.5 Transisent waveforms of different lightning parameters

        仿真結(jié)果說明:雷電波的波前時(shí)間t1越短,綁扎線處的電壓幅值則越高,最高可比正常幅值高約12%;雷電波的波前時(shí)間t1越長(zhǎng),則電壓波形越趨近于原電壓波的波形。而在t1~t2時(shí)間段內(nèi),雷電幅值迅速衰減,趨近于原電壓波形。對(duì)其他桿塔綁扎線處的電壓波形進(jìn)行測(cè)量,也得到了相同的規(guī)律。仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

        考慮到絕緣子附近的導(dǎo)線絕緣層最易因外力發(fā)生絕緣水平下降,而幅值增大后的過電壓最先出現(xiàn)在該處,容易導(dǎo)致該處絕緣層擊穿。這也就解釋了針孔擊穿為何多集中于絕緣子兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)。此外,雷電壓幅值增大也會(huì)使線路的耐雷水平顯著下降。以閃絡(luò)電壓為100 kV的絕緣子為例,0.1/100 μs的雷電幅值是正常幅值的1.12倍。一旦超過89 kV便會(huì)造成絕緣子閃絡(luò),甚至?xí)?dǎo)致絕緣導(dǎo)線發(fā)生斷線事故。

        理論上當(dāng)波前時(shí)間t1極小時(shí),折射電壓幅值有可能接近原電壓幅值的2倍。以波前時(shí)間t1=0.01μs的雷電波為例進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)折射電壓幅值大約為原電壓幅值的1.16倍左右。之所以幅值無法繼續(xù)增大,主要有以下幾個(gè)原因:

        1)不同頻率高頻分量的初相位不同。

        2)雷電頻譜中,直流分量占據(jù)了較大的比例,其折射系數(shù)則為1。

        3)隨著頻率的急劇上升,高頻分量周期迅速下降,反射過電壓存在的時(shí)間極短,超過了仿真軟件的檢測(cè)精度上限。

        4)當(dāng)lgf>8.5時(shí),高頻分量波長(zhǎng)已經(jīng)等于甚至小于綁扎線的長(zhǎng)度,集參元件已不適合研究波過程。

        圖6是以0.1/100 μs雷電波形為例,當(dāng)分別考慮弧垂與綁扎線的影響,桿塔處的電壓波形。

        圖6 分別考慮弧垂與綁扎線的電壓波形Fig.6 Voltage waveform of considering sag and binding wire respectively

        可見,電壓幅值升高程度是不相同的:只考慮導(dǎo)線弧垂時(shí),電壓幅值可升高大約2%,波形呈周期性振蕩;只考慮綁扎線互感的影響時(shí),電壓幅值約增大10%,波形振蕩程度相比弧垂的影響更為明顯;若同時(shí)考慮弧垂和綁扎線的影響時(shí),電壓幅值是兩者作用的共同結(jié)果。電壓波形呈現(xiàn)周期性振蕩是因?yàn)閷?dǎo)線具有類似諧振腔的作用所造成的。

        4 防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的措施

        理論與仿真均證明桿塔50 cm范圍內(nèi)的絕緣層易于被擊穿的重要原因在于:弧垂和綁扎線會(huì)使雷電過電壓的幅值增大。因此,降低弧垂與綁扎線的影響將是減少絕緣導(dǎo)線雷擊斷線事故發(fā)生的關(guān)鍵。

        對(duì)于綁扎線,可將金屬綁扎線更換為芳綸纖維繩,不僅可防止電弧燒傷絕緣子[4],更可避免金屬綁扎線的互感作用;對(duì)于弧垂,可在規(guī)程允許的范圍適當(dāng)減小弧垂大小,使導(dǎo)線趨近于均勻傳輸線。

        圖7是消除金屬綁扎線互感作用及將弧垂大小從4 m降為2 m的仿真結(jié)果,波形參數(shù)分別為0.1/50 μs和0.1/100 μs。

        圖7 減小弧垂及消除互感作用后的電壓波形Fig.7 Voltage waveform of reducing the sag and eliminating mutual inductance

        對(duì)比圖5可知,在減小弧垂及消除綁扎線互感作用后,過電壓幅值的增幅有了明顯的下降,僅為0.5%~0.6%;波形振蕩程度也有下降。配合其他防雷措施,可將絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的發(fā)生概率降到最小。

        5 結(jié)論

        降低10 kV絕緣導(dǎo)線雷擊斷線發(fā)生的可能性,是提高線路安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障供電可靠性的關(guān)鍵。對(duì)弧垂和綁扎線對(duì)雷電壓傳播特性的影響進(jìn)行分析,得知:0~t1時(shí)間段內(nèi)的雷電波含有大量的高頻分量,在導(dǎo)線弧垂以及綁扎線的作用下,有可能使雷電波在綁扎線附近發(fā)生明顯的折射和反射,導(dǎo)致電壓幅值升高,超過導(dǎo)線的耐雷水平,進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣層擊穿并致使工頻電弧燒斷導(dǎo)線。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。并提出了相應(yīng)的防治措施。

        弧垂和綁扎線可使雷電過電壓幅值增大,甚至?xí)斐山^緣導(dǎo)線斷線事故,應(yīng)引起人們的注意。架空絕緣線路含有大量的金具,綜合考慮金具和弧垂對(duì)雷電過電壓幅值的影響并提出相應(yīng)的防治措施將是研究下一步的改進(jìn)方向。

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