焦夏男,易 慧,廖辰川,龐志開,李水天

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局,廣州 510660)

0 引 言

近年來,隨著人們對(duì)供電可靠性要求的不斷提高,越來越多的10 kV架空裸導(dǎo)線更換為絕緣導(dǎo)線。相對(duì)于裸導(dǎo)線,絕緣導(dǎo)線可顯著降低因樹木、鳥獸等接觸造成的短路事故,提高配電網(wǎng)的供電可靠性,但其在遭受雷擊后易發(fā)生斷線事故也是不容忽視的,經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),絕緣導(dǎo)線在遭受雷擊后幾乎必然發(fā)生斷線事故[1-3]。

一般認(rèn)為,絕緣導(dǎo)線發(fā)生雷擊斷線是由于雷電過電壓造成絕緣子閃絡(luò),進(jìn)而工頻電弧在閃絡(luò)通道處穩(wěn)定燃燒導(dǎo)致的[4-6]。然而,絕緣導(dǎo)線發(fā)生雷擊斷線絕不是單一原因造成的:文獻(xiàn)[7]認(rèn)為感應(yīng)雷過電壓是作用在架空線上的主要雷電過電壓形式,也是引起導(dǎo)線雷擊斷線的誘因;文獻(xiàn)[8]認(rèn)為工頻電弧的穩(wěn)定燃燒是絕緣導(dǎo)線斷線的主因,但沒有解釋工頻電弧為何能穩(wěn)定燃燒;文獻(xiàn)[9]認(rèn)為,導(dǎo)線是非均勻傳輸線,有可能增大雷電過電壓幅值,是引起導(dǎo)線斷線的一個(gè)因素;文獻(xiàn)[10]從雷電閃絡(luò)、工頻電弧的形成和電弧持續(xù)燃燒分析,將導(dǎo)線雷擊斷線過程分為五個(gè)階段;文獻(xiàn)[11]分析認(rèn)為沿海地區(qū)重污穢、強(qiáng)風(fēng)環(huán)境使絕緣導(dǎo)線處于惡劣的環(huán)境,更易發(fā)生閃絡(luò)甚至雷擊斷線事故;文獻(xiàn)[12]認(rèn)為工頻電弧的電磁力作用最終會(huì)導(dǎo)致絕緣導(dǎo)線發(fā)生斷線事故。綜上所述,絕緣導(dǎo)線發(fā)生斷線的原因眾多,但多是從單一方面對(duì)導(dǎo)線斷線的事故進(jìn)行描述,缺乏概括性的分析。

文中通過對(duì)某10 kV架空絕緣導(dǎo)線遭受雷擊發(fā)生斷股事件進(jìn)行分析,總結(jié)雷擊導(dǎo)線發(fā)生斷股斷線的基本特征;通過分析導(dǎo)線上雷電過電壓、導(dǎo)線疲勞受損的原因以及定量計(jì)算工頻電弧的熱力學(xué)效應(yīng),闡明絕緣導(dǎo)線雷擊斷股斷線的原因;并從導(dǎo)致導(dǎo)線斷股斷線的原因入手,提出架空絕緣導(dǎo)線的防雷策略。

1 導(dǎo)線雷擊斷股的特征

2021年10月,某供電局運(yùn)行人員在戶外巡視設(shè)備時(shí)發(fā)現(xiàn),某10 kV架空線路發(fā)生燒蝕斷股現(xiàn)象,線路被燒蝕部分的截面積超過了60%,如圖1所示,如不緊急修復(fù),受損導(dǎo)線隨時(shí)會(huì)在拉力、外力的作用下發(fā)生斷線,造成停電事故。

圖1 燒蝕導(dǎo)線

斷股導(dǎo)線為投運(yùn)于2008年的單芯電纜,型號(hào)為JKLGYJ,截面積240 mm2,線路除靠近絕緣子的部分為裸導(dǎo)線,其余部分均進(jìn)行了絕緣化,絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯。線路檔距為85 m,導(dǎo)線呈垂直排列,并在上方架設(shè)架空地線,如圖2所示。斷股線路的桿塔為水泥桿,周圍有河流和大量樹木。導(dǎo)線所處地區(qū)為亞熱帶地區(qū),夏季會(huì)有大量降水及雷暴天氣。

圖2 斷股導(dǎo)線周圍環(huán)境

發(fā)生斷線的導(dǎo)線為最下層的導(dǎo)線,高度約10 m。將燒蝕的導(dǎo)線取下分析發(fā)現(xiàn),導(dǎo)線燒蝕斷口位于絕緣層邊緣處,離玻璃絕緣子的距離不到30 cm。斷股導(dǎo)線的特征如圖3所示,斷口處的長度約為2.8 cm,包括鋼芯在內(nèi)的31條線芯中,有19條完全燒斷,剩余12條未斷線芯中,有3條也發(fā)現(xiàn)明顯的燒蝕痕跡;此外,邊緣的絕緣層一大部分發(fā)生了燒蝕,如圖3(a)所示。導(dǎo)線沒有完全燒斷,原因可能是導(dǎo)線在燒斷前,線路保護(hù)裝置發(fā)生動(dòng)作,電弧停止燃燒。

圖3 斷股導(dǎo)線的特征

觀察導(dǎo)線絕緣層,可以發(fā)現(xiàn)許多非常細(xì)小的裂痕,如圖3(b)所示,說明在長期運(yùn)行中,絕緣層逐漸發(fā)生老化,其絕緣性能下降。

對(duì)導(dǎo)線拆解分析發(fā)現(xiàn),導(dǎo)線斷口線芯上有大量的熔融物,未燒融部分導(dǎo)線有大量白色物質(zhì)覆蓋,如圖3(c)所示?？紤]到導(dǎo)線運(yùn)行環(huán)境空氣濕度較大且周邊有工廠,絕緣導(dǎo)線的絕緣層在破損后,大量水分與灰質(zhì)可能會(huì)逐漸侵入到線芯內(nèi)部,最終大量雜質(zhì)逐漸腐蝕導(dǎo)線線芯并氧化生成的氧化物薄膜。由于導(dǎo)線為鋼芯鋁絞線,白色氧化物有可能是氧化鋁。

進(jìn)一步觀察導(dǎo)線線夾,可以發(fā)現(xiàn)有明顯的放電痕跡,如圖3(d)所示,線夾發(fā)生了明顯的燒蝕。說明此處曾經(jīng)是電弧穩(wěn)定燃燒的位置。

2 導(dǎo)線雷擊斷股斷線的原因分析

絕緣導(dǎo)線發(fā)生斷股斷線現(xiàn)象是由于多重作用綜合造成的。絕緣導(dǎo)線發(fā)生雷擊斷線的過程為:

1) 雷擊現(xiàn)象在線路上產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓;

2) 疲勞受損使絕緣子附近的導(dǎo)線絕緣性能下降,而感應(yīng)雷過電壓在導(dǎo)線絕緣層薄弱處發(fā)生擊穿閃絡(luò);

3) 閃絡(luò)通道為后續(xù)工頻電弧燃燒提供通道,工頻電弧的熱效應(yīng)和電磁力最終導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生斷股斷線現(xiàn)象。

2.1 絕緣導(dǎo)線上的過電壓

由于配電線路多在市區(qū)且周邊有樹木、房屋的遮蔽,大部分絕緣導(dǎo)線發(fā)生雷擊事故是由于感應(yīng)雷過電壓引起的。根據(jù)規(guī)程,絕緣導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓幅值可按式(1)計(jì)算。

(1)

式中:Ug為導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓,kV;I為雷電流幅值,kA;hd為導(dǎo)線的對(duì)地高度,m;d為落雷點(diǎn)與導(dǎo)線的垂直距離,m,通常選取d≥65 m。

雷電流幅值的分布概率可按式(2)計(jì)算。

(2)

式中:P為雷電流幅值大于I的概率。

按照式(2)計(jì)算,I≥50 kA的概率達(dá)到27%,如果取d=65 m,此時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓幅值可達(dá)384 kV,此電壓顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于配電導(dǎo)線的耐雷水平,如果存在絕緣層薄弱的地方,必然會(huì)在此處擊穿絕緣層,發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[9]提到,在導(dǎo)線綁扎線附近的波阻抗不同,使雷電壓幅值升高,超過導(dǎo)線的耐雷水平。而由圖1可見,絕緣子附近的導(dǎo)線纏繞有鋁綁帶及線夾金具,導(dǎo)致導(dǎo)線變?yōu)榉蔷鶆騻鬏斁€,雷電過電壓幅值在此處更易升高,擊穿絕緣層。

2.2 絕緣導(dǎo)線疲勞受損

由圖3(a)可見,燃燒中心位于絕緣層包裹處,且導(dǎo)線上沒有電弧移動(dòng)時(shí)的燒灼痕跡,說明電弧一開始便在絕緣層擊穿處燃燒。通過對(duì)斷股導(dǎo)線絕緣層的分析,發(fā)現(xiàn)有大量細(xì)小裂痕,在長期運(yùn)行下,細(xì)小裂痕有可能會(huì)在風(fēng)力等機(jī)械應(yīng)力作用下影響絕緣層絕緣水平。當(dāng)高幅值的雷電過電壓在導(dǎo)線上傳輸時(shí),極有可能在薄弱處產(chǎn)生針孔狀擊穿,進(jìn)而產(chǎn)生閃絡(luò)。

2.3 絕緣導(dǎo)線斷線的熱力學(xué)分析

絕緣導(dǎo)線在高幅值的感應(yīng)雷過電壓的作用下，發(fā)生針孔狀擊穿和閃絡(luò)只是導(dǎo)線發(fā)生雷擊斷股斷線的誘因，更主要的原因是，雷電流在閃絡(luò)通道釋放能量后，為工頻電弧的燃燒提供了燃燒通道。通常，雷擊斷線主要是由于導(dǎo)線相間發(fā)生短路的工頻電弧持續(xù)燃燒的熱效應(yīng)燒斷導(dǎo)線的(短路電流可高達(dá)若干千安)，如果導(dǎo)線是單相接地短路，其短路電流通常只有十幾安培到幾十安培，不足以燒斷導(dǎo)線。

借鑒電弧熱效應(yīng)的分析思想[12],對(duì)導(dǎo)線斷線進(jìn)行熱力學(xué)分析。由能量守恒定律可知,電弧產(chǎn)生的熱量滿足:

Qarc=Qcore+Qair+Qins

(3)

式中:Qarc為電弧產(chǎn)生的熱量,J;Qcore、Qair和Qins分別為線芯、空氣和絕緣層吸收的熱量,J。

考慮到空氣和絕緣層的傳熱系數(shù)均遠(yuǎn)小于線芯的傳熱系數(shù),故兩者的吸收熱量可忽略不計(jì)。因此線芯的溫升可按式(4)計(jì)算。

(4)

式中:c0為金屬材料的比熱容,J/(kg·℃);ρ為金屬的密度,kg/m3;l為導(dǎo)線受熱部分的長度,m;S為導(dǎo)線截面積,m2;ΔT為導(dǎo)線溫升,℃;i∞為工頻電弧電流的穩(wěn)態(tài)值,A;R為電弧電阻,Ω;t為電流作用時(shí)間,s。

由式(4)可得,導(dǎo)線的溫升為

(5)

考慮到配電網(wǎng)過電流保護(hù)通常會(huì)在0.2～0.3 s內(nèi)發(fā)生動(dòng)作,取t=0.2 s;電弧和燃燒處的電阻r取0.015 Ω,短路穩(wěn)態(tài)電流i∞取4 kA。將上述數(shù)據(jù)帶入式(5),計(jì)算得ΔT為751 ℃。由此可見,電弧的燃燒熱產(chǎn)生的線芯溫升已經(jīng)超過鋁的熔點(diǎn)(660 ℃),線芯發(fā)生熔斷是必然的。同時(shí),未達(dá)到熔點(diǎn)處的線芯也會(huì)在高溫作用下發(fā)生氧化,產(chǎn)生氧化鋁覆蓋在線芯上,這也就說明了在外側(cè)的線芯上有大量白色物質(zhì)覆蓋的原因。

此外,導(dǎo)線燃燒熔斷是一個(gè)不斷加速的正反饋過程,這是因?yàn)榫€芯熔融物氧化鋁的電阻率大于金屬鋁的電阻率,導(dǎo)線燃燒過程中溫升越來越明顯,而燃燒加劇會(huì)進(jìn)一步增大燃燒處的電阻,從而進(jìn)一步加快燃燒速度。最終,絕緣導(dǎo)線會(huì)在拉力、自身重力作用下發(fā)生斷裂。

需要說明的是,上述計(jì)算是按照鋁線芯吸收電弧熱計(jì)算所得。實(shí)際上,從圖3可見,電弧在燃燒時(shí),絕緣層和鋼芯均會(huì)吸熱燃燒,而兩者的比熱容要大于鋁的比熱容,導(dǎo)致仍有剩余部分鋁導(dǎo)線未熔斷。盡管如此,導(dǎo)線的機(jī)械性能也會(huì)大幅下降,在風(fēng)吹、內(nèi)部應(yīng)力等惡劣的環(huán)境下極易發(fā)生斷線,造成停電事故。

圖4為絕緣導(dǎo)線在受到感應(yīng)雷過電壓作用后,發(fā)生雷擊斷線的過程。

圖4 絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的流程

3 防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的措施

3.1 加強(qiáng)絕緣導(dǎo)線的耐雷水平

雷電過電壓在導(dǎo)線絕緣層薄弱處(特別是靠近絕緣子處)產(chǎn)生的擊穿閃絡(luò)是導(dǎo)線雷擊斷線的誘因。因此,提升導(dǎo)線的耐雷水平、防止雷擊閃絡(luò)可以保護(hù)導(dǎo)線。

1) 對(duì)于絕緣子兩側(cè)的絕緣層,可采用“堵塞法”,即加固絕緣層相對(duì)薄弱的地方,防止大幅值雷電過電壓在絕緣層上產(chǎn)生針孔擊穿,進(jìn)而產(chǎn)生閃絡(luò)通道。對(duì)于存在細(xì)小裂痕的絕緣層,應(yīng)及時(shí)修補(bǔ),降低針孔擊穿產(chǎn)生的可能性。此外,通過對(duì)絕緣層加固并密封絕緣層切口處,可防止水分、灰質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)線,延緩導(dǎo)線氧化。

2) 更換導(dǎo)線綁帶為芳綸纖維材料。絕緣子附近纏繞的綁帶及線夾金具會(huì)使導(dǎo)線變?yōu)榉蔷鶆騻鬏斁€,導(dǎo)致雷電過電壓幅值上升并易擊穿絕緣層。因此,建議將導(dǎo)線的綁帶更換為芳綸纖維材料,從而降低導(dǎo)線波阻抗的不均勻程度,降低雷電壓幅值的上升。

3.2 降低線路的感應(yīng)雷過電壓幅值

10 kV線路因?yàn)榻^緣水平相對(duì)較低,架設(shè)避雷線后,容易使絕緣導(dǎo)線上的過電壓幅值更高,更易發(fā)生雷擊事故。因此,10 kV架空絕緣導(dǎo)線可不架設(shè)避雷線,降低線路上感應(yīng)雷過電壓幅值。

3.3 安設(shè)防雷設(shè)備

統(tǒng)計(jì)表明,農(nóng)村地區(qū)雷擊率高于城市配網(wǎng),城郊地區(qū)雷擊率高于市區(qū)配網(wǎng),多雨多霧空氣鹽分大地區(qū)雷擊率高于空氣干燥地區(qū)。因此,對(duì)于雷擊率較高的區(qū)域可安設(shè)防雷設(shè)備,提前釋放線路中的雷電過電壓,避免閃絡(luò)通道的形成。防雷設(shè)施可選擇氧化物避雷器和穿刺線夾[13]。

帶串聯(lián)空氣間隙的氧化物避雷器可以在雷電過電壓傳播時(shí)提前導(dǎo)通放電間隙,釋放雷電過電壓能量,待雷電能量釋放完畢后,避雷器閥片的非線性電阻特性會(huì)迅速關(guān)斷電弧的導(dǎo)通通道,從而阻止工頻電弧繼續(xù)燃燒,保護(hù)絕緣導(dǎo)線。

穿刺線夾在導(dǎo)線靠近絕緣子附近安裝,通過對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行穿刺形成放電電極。放電通道距離相對(duì)較長,在雷電過電流釋放能量后不足以使工頻電壓繼續(xù)形成工頻電弧,防止導(dǎo)線燒斷。

3.4 更換為復(fù)合絕緣子和復(fù)合材料桿塔

氧化物避雷器和穿刺線夾可有效阻止工頻電弧的形成,但造價(jià)也相對(duì)較貴。對(duì)于雷擊率相對(duì)較低的區(qū)域,可使用復(fù)合絕緣子和復(fù)合材料桿塔[14-15],降低造價(jià)。

復(fù)合絕緣子主要采用硅橡膠制成,可以有效增大爬距,且不易沾染污穢,有效阻止雷擊閃絡(luò)的形成。復(fù)合材料桿塔主要采用聚氨酯復(fù)合材料,可有效提升桿塔的耐雷水平。

4 結(jié) 語

對(duì)某10 kV架空線路斷股原因進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)斷股燒熔部分主要集中在絕緣子附近導(dǎo)線絕緣層切口處,導(dǎo)線絕緣層有大量細(xì)小裂痕,燒蝕會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線線芯熔斷,并形成氧化物,極易引發(fā)絕緣導(dǎo)線斷線事故。通過計(jì)算導(dǎo)線上雷電過電壓、分析導(dǎo)線疲勞受損的原因以及工頻電弧的熱力學(xué)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)雷電過電壓導(dǎo)致受損的絕緣導(dǎo)線產(chǎn)生針孔狀擊穿,在接續(xù)的工頻電弧強(qiáng)大的熱效應(yīng)和電磁力的作用下,導(dǎo)線極易發(fā)生燒熔甚至是斷線現(xiàn)象。

加固絕緣子附近的絕緣層、更換綁帶為芳綸纖維材料、不架設(shè)避雷線、安裝防雷設(shè)備以及采用復(fù)合材料,可有效降低絕緣導(dǎo)線雷擊斷線事故的發(fā)生。