10 kV架空绝缘导线雷击断线与防护的研究

焦夏男,易 慧,廖辰川,庞志开,李水天

(广东电网有限责任公司广州供电局,广州 510660)

0 引 言

近年来,随着人们对供电可靠性要求的不断提高,越来越多的10 kV架空裸导线更换为绝缘导线。相对于裸导线,绝缘导线可显著降低因树木、鸟兽等接触造成的短路事故,提高配电网的供电可靠性,但其在遭受雷击后易发生断线事故也是不容忽视的,经统计发现,绝缘导线在遭受雷击后几乎必然发生断线事故[1-3]。

一般认为,绝缘导线发生雷击断线是由于雷电过电压造成绝缘子闪络,进而工频电弧在闪络通道处稳定燃烧导致的[4-6]。然而,绝缘导线发生雷击断线绝不是单一原因造成的:文献[7]认为感应雷过电压是作用在架空线上的主要雷电过电压形式,也是引起导线雷击断线的诱因;文献[8]认为工频电弧的稳定燃烧是绝缘导线断线的主因,但没有解释工频电弧为何能稳定燃烧;文献[9]认为,导线是非均匀传输线,有可能增大雷电过电压幅值,是引起导线断线的一个因素;文献[10]从雷电闪络、工频电弧的形成和电弧持续燃烧分析,将导线雷击断线过程分为五个阶段;文献[11]分析认为沿海地区重污秽、强风环境使绝缘导线处于恶劣的环境,更易发生闪络甚至雷击断线事故;文献[12]认为工频电弧的电磁力作用最终会导致绝缘导线发生断线事故。综上所述,绝缘导线发生断线的原因众多,但多是从单一方面对导线断线的事故进行描述,缺乏概括性的分析。

文中通过对某10 kV架空绝缘导线遭受雷击发生断股事件进行分析,总结雷击导线发生断股断线的基本特征;通过分析导线上雷电过电压、导线疲劳受损的原因以及定量计算工频电弧的热力学效应,阐明绝缘导线雷击断股断线的原因;并从导致导线断股断线的原因入手,提出架空绝缘导线的防雷策略。

1 导线雷击断股的特征

2021年10月,某供电局运行人员在户外巡视设备时发现,某10 kV架空线路发生烧蚀断股现象,线路被烧蚀部分的截面积超过了60%,如图1所示,如不紧急修复,受损导线随时会在拉力、外力的作用下发生断线,造成停电事故。

图1 烧蚀导线

断股导线为投运于2008年的单芯电缆,型号为JKLGYJ,截面积240 mm2,线路除靠近绝缘子的部分为裸导线,其余部分均进行了绝缘化,绝缘材料为交联聚乙烯。线路档距为85 m,导线呈垂直排列,并在上方架设架空地线,如图2所示。断股线路的杆塔为水泥杆,周围有河流和大量树木。导线所处地区为亚热带地区,夏季会有大量降水及雷暴天气。

图2 断股导线周围环境

发生断线的导线为最下层的导线,高度约10 m。将烧蚀的导线取下分析发现,导线烧蚀断口位于绝缘层边缘处,离玻璃绝缘子的距离不到30 cm。断股导线的特征如图3所示,断口处的长度约为2.8 cm,包括钢芯在内的31条线芯中,有19条完全烧断,剩余12条未断线芯中,有3条也发现明显的烧蚀痕迹;此外,边缘的绝缘层一大部分发生了烧蚀,如图3(a)所示。导线没有完全烧断,原因可能是导线在烧断前,线路保护装置发生动作,电弧停止燃烧。

图3 断股导线的特征

观察导线绝缘层,可以发现许多非常细小的裂痕,如图3(b)所示,说明在长期运行中,绝缘层逐渐发生老化,其绝缘性能下降。

对导线拆解分析发现,导线断口线芯上有大量的熔融物,未烧融部分导线有大量白色物质覆盖,如图3(c)所示。考虑到导线运行环境空气湿度较大且周边有工厂,绝缘导线的绝缘层在破损后,大量水分与灰质可能会逐渐侵入到线芯内部,最终大量杂质逐渐腐蚀导线线芯并氧化生成的氧化物薄膜。由于导线为钢芯铝绞线,白色氧化物有可能是氧化铝。

进一步观察导线线夹,可以发现有明显的放电痕迹,如图3(d)所示,线夹发生了明显的烧蚀。说明此处曾经是电弧稳定燃烧的位置。

2 导线雷击断股断线的原因分析

绝缘导线发生断股断线现象是由于多重作用综合造成的。绝缘导线发生雷击断线的过程为:

1) 雷击现象在线路上产生感应雷过电压;

2) 疲劳受损使绝缘子附近的导线绝缘性能下降,而感应雷过电压在导线绝缘层薄弱处发生击穿闪络;

3) 闪络通道为后续工频电弧燃烧提供通道,工频电弧的热效应和电磁力最终导致导线发生断股断线现象。

2.1 绝缘导线上的过电压

由于配电线路多在市区且周边有树木、房屋的遮蔽,大部分绝缘导线发生雷击事故是由于感应雷过电压引起的。根据规程,绝缘导线上的感应雷过电压幅值可按式(1)计算。

(1)

式中:Ug为导线上的感应雷过电压,kV;I为雷电流幅值,kA;hd为导线的对地高度,m;d为落雷点与导线的垂直距离,m,通常选取d≥65 m。

雷电流幅值的分布概率可按式(2)计算。

(2)

式中:P为雷电流幅值大于I的概率。

按照式(2)计算,I≥50 kA的概率达到27%,如果取d=65 m,此时导线上的感应雷过电压幅值可达384 kV,此电压显然远远高于配电导线的耐雷水平,如果存在绝缘层薄弱的地方,必然会在此处击穿绝缘层,发生闪络现象。

文献[9]提到,在导线绑扎线附近的波阻抗不同,使雷电压幅值升高,超过导线的耐雷水平。而由图1可见,绝缘子附近的导线缠绕有铝绑带及线夹金具,导致导线变为非均匀传输线,雷电过电压幅值在此处更易升高,击穿绝缘层。

2.2 绝缘导线疲劳受损

由图3(a)可见,燃烧中心位于绝缘层包裹处,且导线上没有电弧移动时的烧灼痕迹,说明电弧一开始便在绝缘层击穿处燃烧。通过对断股导线绝缘层的分析,发现有大量细小裂痕,在长期运行下,细小裂痕有可能会在风力等机械应力作用下影响绝缘层绝缘水平。当高幅值的雷电过电压在导线上传输时,极有可能在薄弱处产生针孔状击穿,进而产生闪络。

2.3 绝缘导线断线的热力学分析

绝缘导线在高幅值的感应雷过电压的作用下，发生针孔状击穿和闪络只是导线发生雷击断股断线的诱因，更主要的原因是，雷电流在闪络通道释放能量后，为工频电弧的燃烧提供了燃烧通道。通常，雷击断线主要是由于导线相间发生短路的工频电弧持续燃烧的热效应烧断导线的(短路电流可高达若干千安)，如果导线是单相接地短路，其短路电流通常只有十几安培到几十安培，不足以烧断导线。

借鉴电弧热效应的分析思想[12],对导线断线进行热力学分析。由能量守恒定律可知,电弧产生的热量满足:

Qarc=Qcore+Qair+Qins

(3)

式中:Qarc为电弧产生的热量,J;Qcore、Qair和Qins分别为线芯、空气和绝缘层吸收的热量,J。

考虑到空气和绝缘层的传热系数均远小于线芯的传热系数,故两者的吸收热量可忽略不计。因此线芯的温升可按式(4)计算。

(4)

式中:c0为金属材料的比热容,J/(kg·℃);ρ为金属的密度,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,℃;i∞为工频电弧电流的稳态值,A;R为电弧电阻,Ω;t为电流作用时间,s。

由式(4)可得,导线的温升为

(5)

考虑到配电网过电流保护通常会在0.2～0.3 s内发生动作,取t=0.2 s;电弧和燃烧处的电阻r取0.015 Ω,短路稳态电流i∞取4 kA。将上述数据带入式(5),计算得ΔT为751 ℃。由此可见,电弧的燃烧热产生的线芯温升已经超过铝的熔点(660 ℃),线芯发生熔断是必然的。同时,未达到熔点处的线芯也会在高温作用下发生氧化,产生氧化铝覆盖在线芯上,这也就说明了在外侧的线芯上有大量白色物质覆盖的原因。

此外,导线燃烧熔断是一个不断加速的正反馈过程,这是因为线芯熔融物氧化铝的电阻率大于金属铝的电阻率,导线燃烧过程中温升越来越明显,而燃烧加剧会进一步增大燃烧处的电阻,从而进一步加快燃烧速度。最终,绝缘导线会在拉力、自身重力作用下发生断裂。

需要说明的是,上述计算是按照铝线芯吸收电弧热计算所得。实际上,从图3可见,电弧在燃烧时,绝缘层和钢芯均会吸热燃烧,而两者的比热容要大于铝的比热容,导致仍有剩余部分铝导线未熔断。尽管如此,导线的机械性能也会大幅下降,在风吹、内部应力等恶劣的环境下极易发生断线,造成停电事故。

图4为绝缘导线在受到感应雷过电压作用后,发生雷击断线的过程。

图4 绝缘导线雷击断线的流程

3 防止绝缘导线雷击断线的措施

3.1 加强绝缘导线的耐雷水平

雷电过电压在导线绝缘层薄弱处(特别是靠近绝缘子处)产生的击穿闪络是导线雷击断线的诱因。因此,提升导线的耐雷水平、防止雷击闪络可以保护导线。

1) 对于绝缘子两侧的绝缘层,可采用“堵塞法”,即加固绝缘层相对薄弱的地方,防止大幅值雷电过电压在绝缘层上产生针孔击穿,进而产生闪络通道。对于存在细小裂痕的绝缘层,应及时修补,降低针孔击穿产生的可能性。此外,通过对绝缘层加固并密封绝缘层切口处,可防止水分、灰质进入导线,延缓导线氧化。

2) 更换导线绑带为芳纶纤维材料。绝缘子附近缠绕的绑带及线夹金具会使导线变为非均匀传输线,导致雷电过电压幅值上升并易击穿绝缘层。因此,建议将导线的绑带更换为芳纶纤维材料,从而降低导线波阻抗的不均匀程度,降低雷电压幅值的上升。

3.2 降低线路的感应雷过电压幅值

10 kV线路因为绝缘水平相对较低,架设避雷线后,容易使绝缘导线上的过电压幅值更高,更易发生雷击事故。因此,10 kV架空绝缘导线可不架设避雷线,降低线路上感应雷过电压幅值。

3.3 安设防雷设备

统计表明,农村地区雷击率高于城市配网,城郊地区雷击率高于市区配网,多雨多雾空气盐分大地区雷击率高于空气干燥地区。因此,对于雷击率较高的区域可安设防雷设备,提前释放线路中的雷电过电压,避免闪络通道的形成。防雷设施可选择氧化物避雷器和穿刺线夹[13]。

带串联空气间隙的氧化物避雷器可以在雷电过电压传播时提前导通放电间隙,释放雷电过电压能量,待雷电能量释放完毕后,避雷器阀片的非线性电阻特性会迅速关断电弧的导通通道,从而阻止工频电弧继续燃烧,保护绝缘导线。

穿刺线夹在导线靠近绝缘子附近安装,通过对导线进行穿刺形成放电电极。放电通道距离相对较长,在雷电过电流释放能量后不足以使工频电压继续形成工频电弧,防止导线烧断。

3.4 更换为复合绝缘子和复合材料杆塔

氧化物避雷器和穿刺线夹可有效阻止工频电弧的形成,但造价也相对较贵。对于雷击率相对较低的区域,可使用复合绝缘子和复合材料杆塔[14-15],降低造价。

复合绝缘子主要采用硅橡胶制成,可以有效增大爬距,且不易沾染污秽,有效阻止雷击闪络的形成。复合材料杆塔主要采用聚氨酯复合材料,可有效提升杆塔的耐雷水平。

4 结 语

对某10 kV架空线路断股原因进行分析,发现断股烧熔部分主要集中在绝缘子附近导线绝缘层切口处,导线绝缘层有大量细小裂痕,烧蚀会导致导线线芯熔断,并形成氧化物,极易引发绝缘导线断线事故。通过计算导线上雷电过电压、分析导线疲劳受损的原因以及工频电弧的热力学效应,发现雷电过电压导致受损的绝缘导线产生针孔状击穿,在接续的工频电弧强大的热效应和电磁力的作用下,导线极易发生烧熔甚至是断线现象。

加固绝缘子附近的绝缘层、更换绑带为芳纶纤维材料、不架设避雷线、安装防雷设备以及采用复合材料,可有效降低绝缘导线雷击断线事故的发生。