雾霾对配电线路雷电感应跳闸率的影响

廖梓榕， 常仲科， 余希娟， 张慧峰

(国网临夏供电公司，甘肃，临夏 731100)

0 引言

目前，环境污染问题已成为急需解决的主要问题，雾霾天气频繁出现是环境污染问题的直接体现[1]。雾霾天气是指空气中聚集大量直径小于等于2.5 μm的污染颗粒物，雾霾污染颗粒物对人类生活带来极大影响，污染颗粒物吸入肺部会造成心肺疾病等严重危害，直接威胁人类身心健康[2]。目前众多研究学者发现雾霾污染颗粒物对电力系统同样具有严重侵害[3]。

雷电是危害配电线路正常运行的重要自然灾害，配电线路中绝缘水平过低时，极易因雷电灾害造成配电线路闪络跳闸，供电网络因此中断，影响人类生活以及工作，降低配电网可靠性[4-5]。配电线路雷电感应跳闸的主要原因是配电线路因雷电直击形成感应过电压。城镇中树木、建筑等遮挡物会降低雷电直击概率，但雾霾天气中污染颗粒物增加配电线路中雷电流幅值[6]，雷电流幅值增加会提升配电线路雷电感应跳闸率。10 kV配电线路绝缘电压通常为100 kV左右，而因雷电直击造成的配电线路雷电感应可高达几百千伏，因此研究雾霾环境下配电线路雷电感应跳闸率对于提升配电网安全具有重要意义。

1 雾霾对配电线路的影响

雾霾是漂浮在空气中的PM2.5、气溶胶、粉尘等粒子，在天气相对稳定状态下产生的现象，主要由PM2.5造成。雾霾多发生于城市，其高密度人口经济模式导致了大量PM 2.5颗粒物的排放，而这种排放一旦超过大气循环能力和承载限度，PM 2.5会持续积聚，出现严重的雾霾现象。

1.1 雾霾颗粒荷电化

荷电化是由于电子束的约束作用，导线表面积累一定负电荷，导致输电导线的输电性能降低，造成电能的浪费。当雾霾颗粒吸附在导线表面时，发生荷电化现象，改变输电导线的表面特性，降低其导电性能。雾霾颗粒的荷电化方式主要有2种。

(1)电场力作用使得空间电荷定向移动，与悬浮微粒碰撞，产生荷电，发生荷电化现象。

(2)空间电荷扩散，导致荷电产生，发生荷电化现象。

1.2 雾霾影响离子迁移

输电导线在一定条件下会发生离子化现象，电场作用使离子通过绝缘层向另一极迁移，与附着在输电导线表面的悬浮颗粒物结合，大量的雾霾颗粒会结合大量的迁移离子，极大降低输电导线效率。

1.3 雾霾导致电晕现象

在一定介质中，输电导线表面会发生局部放电现象，称为电晕现象。附着在输电导线表面的雾霾颗粒作为一种介质，改变了输电导线的表面特性，导致电晕现象的发生，降低了输电导线的输电效率，造成电能的浪费，这种现象多出现于高压导线周围。

雾霾颗粒主要通过2种方式影响导线表面光滑度。

(1)雾霾中的悬浮雾滴形成凝露附着在输电线表面，导致发生电晕现象。

(2)雾霾中的悬浮微粒物在极化力作用下，向输电导线移动并附着在其表面，导致发生点晕现象。

2 配电线路雷电感应跳闸率

2.1 离子流场中雾霾污染颗粒物荷电化

研究雾霾污染颗粒物对10 kV配电线路雷电感应跳闸率影响需先分析离子流场中雾霾污染颗粒物荷电化。针对离子流场中雾霾污染颗粒物荷电化做出如下假设：雾霾污染颗粒物为大小均匀的球形，悬浮于空气中；每个雾霾污染颗粒物于10 kV配电线路中电场独立分布，与其他雾霾污染颗粒物电场分布并不相关；相同大小的雾霾污染颗粒物所具有电荷量不存在差异。

10 kV配电线路离子流场中雾霾污染颗粒物荷电量[7]如式(1)。

(1)

式中，ps与r分别表示饱和荷电量与悬浮微粒半径，E0、εr与ε0分别表示外加电场强度、相对介电常数与空气介电常数，ε0=8.965×10-12F/m。

2.2 雾霾污染颗粒物离子流场控制方程

雾霾污染颗粒物荷电化情况下大气中存在新空间电荷，式(2)—式(4)表示空间中随机点电位与空间电荷间存在的关系[7]，

(2)

ρ+=ρe++ρf++ρp+

(3)

ρ-=ρe-+ρf-+ρp-

(4)

式中，δ与ρ+、ρ-分别表示空间电位与空间正负总电荷密度，ρe+表示正离子空间电荷密度，ρe-表示负离子空间电荷密度，ρf+表示存在雾霾污染颗粒物时悬浮雾滴荷电化形成的正空间电荷密度，ρf-表示存在雾霾污染颗粒物时悬浮雾滴荷电化形成的负空间电荷密度，ρp+表示雾霾污染颗粒物荷电化形成的正空间电荷密度，ρp-表示雾霾污染颗粒物荷电化形成的负空间电荷密度。

雾霾污染颗粒物荷电化情况下10 kV配电线路电流密度[8]为式(5)和式(6)，

(5)

(6)

雾霾污染颗粒物于配电线路中雷电流幅值[8]为式(7)、式(8)，

(7)

(8)

式中，Q与e分别表示离子复合系数以及电子电量，e=1.703×10-19，I+与I-分别表示配电线路中正离子雷电流幅值和负离子雷电流幅值。

2.3 雷电感应跳闸率

存在雾霾污染颗粒物环境下，输电线路或周围地表受到雷电直击时，先导通道中存在的负电荷中和后电场降低，释放导线束缚电压后沿配电线路运动[8]，形成雷电感应过电压引起跳闸。雷电通道附近雷电流电磁场增加，电磁场变化增加配电线路电压，电磁场与静电感应电压同时存在使配电线路中配电导线形成过电压。

架空配电线路受到输电线路屏蔽与保护，雷电直击可能极小，而造成配电线路跳闸的主要原因是雷电感应。10 kV配电线路受到架空配电线路上输电线路与地面的雷电感应，配电线路感应过电压远远高出绝缘耐受电压，导致配电线路因雷电感应引起跳闸。

依据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，配电线路与雷击点间距超过65 m时，存在雾霾污染颗粒物环境下，配电线路中导线感应过电压最大值[9]为式(9)，

(9)

式中，h、I与L分别表示存在雾霾污染颗粒物环境下导线平均高度、雷电流幅值以及雷击点与配电电路间距。

10 kV配电线路的架空杆塔高度通常处于5—15 m内，雷电击中输电线路或附近地表时，用Lmin表示雷击点至配电线路间最短距离，存在雾霾污染颗粒物环境下雷电直接击中输电线路或附近地表情况下，架空配电线路形成的感应过电压无法用以上公式表示，依据IEEE最新配电线路防雷标准，可得配电线路中导线感应过电压最大值[9]为式(10)，

(10)

利用绝缘子串两侧存在的过电压与空气或绝缘子间隙放电电压U50%可判断配电线路中绝缘子是否发生闪络现象，绝缘的放电电压U50%小于过电压时即可判定该配电线路出现闪络现象，若雷电击中点与配电线路的距离L时，存在雾霾污染颗粒物环境下，10 kV配电线路中绝缘子闪络的最小雷电流[10]如式(11)，

(11)

雷电流幅值大于I0(L}时，若雷电击处于配电线路间距为L时，形成绝缘子闪络现象，存在雾霾污染颗粒物环境下，绝缘子闪络现象[10]如式(12)，

(12)

式中，Im为配电线路最大雷电流幅值。

结合以上输电线路与线路周围地表遭雷电直击现象，积分配电线路绝缘子闪络的落雷区间，获取存在雾霾污染颗粒物环境下配电线路感应雷过电压造成的跳闸率[10]如式(13)。

(13)

式中，θ与τ分别表示落雷密度以及建弧率。

3 实验分析

在MATLAB仿真平台中模拟某雾霾严重地区2条10 kV配电线路，2条配电线路长度分别为45 km以及55 km，输电杆塔为钢筋混凝土杆塔，配电线路中以三角形布置导线，最高处导线以及导线弧垂分别为8.5 m和0.6 m，线路平均高度以及绝缘子负极性50%放电电压分别为7.55 m和100 kV，实验所处地区平均雷暴日为40天，建弧率为0.382，雾霾污染颗粒物全年平均浓度为47 μg/m3。

采用本文方法获取雷击点处于配电线路中间位置时，配电线路三相导线端部过电压波形图如图1所示。

图1 配电线路雷电感应过电压

通过图1可以看出，三相导线波形以及过电压幅值极为相近，三相导线波形均展现为单脉冲状态，配电线路中三相导线空间几何位置间距较小，三相导线高度为A>B>C，因此，图1中A相配电线路雷电感应过电压幅值最高。

设雷击大地密度为5次/km2·a，雾霾污染物颗粒浓度为40 μg/m3时，雷电直击点间距不同时，配电线路由于雷电感应造成跳闸次数如表2所示。

表2 不同雷电直击点间距时跳闸次数

从表2可以看出，雾霾污染物颗粒浓度为40 μg/m3时，跳闸次数受雷击点与配电线路间距影响，跳闸次数与雷击点与配电线路间距成反比，雷击点与配电线路间距越短，配电线路中两相闪络临界跳闸电流幅值越低，雷电感应跳闸率越高。

由表2实验结果折算后可知，该条线路在雾霾污染物颗粒浓度为40 μg/m3时雷电感应跳闸率为10.58次/km·a,而不考虑配电线路工作电压时候配电线路雷电感应跳闸率为10.61次/km·a，可知配电线路工作电压对雷电感应跳闸率影响极小，基本可以忽略。雾霾污染物颗粒浓度为40 μg/m3时，雷击点与配电线路间距为100 m时，考虑与未考虑线路工作电压两相闪络概率如图2所示。

图2 工作电压对两相闪络概率影响

由图2实验结果可以看出，雷电流幅值较低时，考虑工作电压时的两相闪络概率高于未考虑工作电压时的两相闪络概率；雷电流幅值较高时，考虑工作电压的两相闪络概率低于未考虑工作电压的两相闪络概率，但二者相差极小。雾霾污染物颗粒浓度为40 μg/m3时，考虑与未考虑工作电压对配电线路两线闪络概率影响并不明显。

采用本文方法计算不同雾霾污染颗粒物浓度下10 kV配电线路雷电感应跳闸率，计算结果如表3所示。

表3 不同雾霾污染颗粒物浓度时跳闸率

由表3可以看出，随着雾霾污染颗粒物浓度逐渐升高，配电线路雷电感应跳闸率随之升高。实验结果表明，计算配电线路雷电感应跳闸率时，应重点考虑雾霾污染颗粒物对配电线路雷电感应的影响，雾霾污染颗粒物浓度较高地区，应重点保护配电线路安全。

采用本文方法计算雾霾污染颗粒物浓度为40 μg/m3时绝缘子50%闪络电压对配电线路雷电感应跳闸率影响，计算结果如表4所示。

表4 绝缘子50%闪络电压对跳闸率影响

由表4实验结果可以看出，随着绝缘子50%闪络电压增加，雷电感应造成的配电线路跳闸率有所降低，且降低幅度极大，主要原因是感应过电压较小，配电线路绝缘水平不断提升，感应过电压随之降低。绝缘子50%闪络电压较小时，应重视配电线路雷电感应跳闸率，绝缘子50%闪络电压较大时，配电线路的雷电感应跳闸率较低，此时应重点防御雷电直击造成的跳闸率。

4 总结

雾霾污染颗粒物是威胁人体健康以及用电安全的重要危害物，通过分析雾霾污染颗粒物对10 kV配电线路雷电感应跳闸率的影响作用，得到以下结论。

(1)存在雾霾污染颗粒物环境下，配电线路三相感应过电压波形与过电压幅值相差极小；

(2)存在雾霾污染颗粒物环境下，雷击点与配电线路间距越小，形成的感应过电压越容易增加雷电感应跳闸率；

(3)存在雾霾污染颗粒物环境下，雷电感应跳闸率基本不受工作电压影响，计算过程中可忽略工作电压；

(4)雾霾污染颗粒物浓度越高，形成雷电感应跳闸率越高；

(5)存在雾霾污染颗粒物环境下，绝缘子50%闪络电压较小时，应重视配电线路雷电感应跳闸率。