10kV配電網雷擊斷線故障分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u2215010kV配電網雷擊斷線故障分析綜述 1118321.1雷擊斷線機理分析 1165501.1.1電磁場角度分析 183161.1.2力學角度分析 1206151.2雷擊斷線故障特性分析 2212271.3雷擊斷線原因分析 4206421.410kV配網線路感應過電壓的計算 5213821.4.1雷電流產生過程 5303891.4.2先導過程中雷電通道附近的電磁場 5270801.4.3回擊過程中雷電通道附件的電磁場 666821.4.4架空線路感應雷擊電壓的計算 81.1雷擊斷線機理分析1.1.1電磁場角度分析雷電會使輸電線路上空形成帶電云層，進而在線路上產生感應電荷，如果線路上空帶電云層中的電荷不是均勻分布的，則不會造成影響；若帶電云層中的電荷呈均勻分布，則會在大地與云層之間的空氣介質形成一個均勻電場。分布在其中的金屬芯導線絕緣層外表會在均勻電場的作用下發生極化現象，進而導致其外表面產生感應電荷。雖然絕緣介質的擊穿場強要遠高于空氣的擊穿場強，但帶電導線的電場強度受感應電荷的影響產生畸變，此時空氣介質發生電離現象，使得雷電通過該放電通道進入帶電導線，危害電力系統安全穩定運行。以具有較弱絕緣能力為特征的l0kV配電網線路覆蓋著我們國家大部分地區，伴隨著雷電災害發生的同時，其多相導線發生對地閃絡的概率是極大的，繼而進一步會發生斷線故障。1.1.2力學角度分析目前我國大部分地區10kV配電網均采用鋁制絕緣導線，但由于金屬鋁的熔點相對較低，雷擊過電壓產生的電弧溫度高于金屬鋁的熔點，加之與電磁力與萬有引力的影響，導致絕緣鋁導線受雷擊時容易發生斷線事故。常州地區2015-2019年裸導線和絕緣導線發生雷擊斷線的數據如下表所示，數據來源于國網常州供電公司配電運檢工區現場運維記錄。表1.SEQ表3.\*ARABIC12015-2019年裸導線和絕緣導線發生雷擊斷線情況Tab.1.1Lightningbreakageofbareandinsulatedconductors2015-2019.年份裸導線絕緣導線20152292016319201703820180262019114圖1.SEQ圖2.\*ARABIC1架空絕緣導線和裸導線斷線故障率Fig.1.1Failurerateofoverheadinsulatedwireandbarewire.相關數據顯示，鋁原子會在受雷擊后溫度升高進入一個特定的溫度區間時，其結構極易受到外界沖擊，進而使得鋁導線出現不可逆的裂紋；隨著工頻持續電流產生的高溫電弧灼燒，使得導線表面的裂紋逐漸加深，因此導線的物理強度進一步下降；加之高溫電弧對導線的加熱與地球引力的作用，使得鋁制絕緣導線極易因雷擊造成斷線事故，嚴重影響配電網線路安全穩定運行。1.2雷擊斷線故障特性分析10kV配電線路跳閘故障次數及其相關數據是決定電力部門合理地分配資源的關鍵所在，對搶修與運維工作具有重要意義。因此，本文選擇來源于國網常州供電公司配電運檢工區現場運維記錄的10kV配電線路相關數據分析雷擊斷線故障的特性，如表1.2所示。由圖中可以看出，2015年至2019年，雷擊斷線故障一直呈高發趨勢。常州地區由于架空絕緣導線長、絕緣化率高、地閃密度較大，雷擊斷線次數較多，特別是2017年，雷擊斷線故障高達38次。表1.22015-2019年常州地區10kV配網雷擊斷線次數統計表Tab.1.2Lightningstrikelinenumberstatisticaltableofarea10kVdistributionnetworkinChangzhouin2015-2019.年份單相接地重合成功重合不成無告警總計201502542312016016602220177203838201811852262019374115圖1.22015-2019年常州地區10kV配網雷擊斷線次數及保護動作情況Fig.1.2Lightningstrikelinenumberandprotectionactionof10kVdistributionnetworkinChangzhouin2015-2019.值得注意的是當發生雷擊斷線故障時，線路保護會根據斷線故障的不同表現，產生不同的反應。1、當一相發生斷線后，如果電源側導線落在橫擔或者地上，發生金屬性接地時，保護會發單相接地告警，調度隨即拉停線路；2、當發生雷擊故障后，線路發生瞬時性相間短路，如果只有一相發生斷線，且斷點沒有直接和橫擔或地面接觸，保護跳閘后重合成功，并不會有單相接地告警，這種情況下線路仍然帶電，后段會缺相運行，這給處于斷線處附近的人員帶來極大安全隱患，容易引發次生災害；3、若雷擊導致兩相及以上斷線，保護會跳閘并且重合不成功；4、還有一種情況是，雷擊瞬間因種種原因，保護不動作，且產生一相斷線后，也未發生單相接地，此時缺相線路除了負荷有下降外，調度側沒有任何故障信號，只能靠周圍群眾發現明顯故障，匯報給運行人員，斷線處的帶電導線可能引起人身傷亡事故。常州地處華東地區，是亞熱帶季風性氣候，受這種地理地形的影響，雷電活動特別頻繁，特別是春夏兩季更是雷擊跳閘的高峰期。由于架空配電線暴露于自然環境，極易受到雷擊的影響和損害。據統計，架空絕緣導線遭受雷擊時，雷擊斷線和雷擊跳閘的概率幾乎是100%，嚴重地威脅著電網運行的安全。從數據中可以看出，從2015年至2019年，所有的雷擊斷線故障中，保護不發信或者線路重合成功的概率占斷線故障的75%，此時線路仍然帶電，斷落的導線帶來很大的安全隱患，必須采取相應的技術和管理手段來減少雷擊斷線的發生。1.3雷擊斷線原因分析絕緣子在發生雷電災害時，由于線路耐雷水平小于遭受的雷電強度高，而造成閃絡。同時，由于閃絡轉瞬即逝，因此并不會引起線路跳閘。而當雷擊造成的極大電流被分流后，由于工頻持續電流作用于輸電線路，進而產生持續短路電弧，從而擊穿線路絕緣保護層，導致線路跳閘[26-28]。國內10kV配網線路大多采用非直接接地方式，雷擊極易引起絕緣水平較低的線路產生對地閃絡。10kV配網線路遭受雷擊可分為兩類情況：第一類是雷擊導致一相線路對地短路，不過此時在工頻電流影響下并不會觸發保護動作跳閘，能夠繼續供電一段時間并等待檢修人員前往維修；第二類是雷擊閃絡轉變為穩定的工頻持續電流，進而形成相間短路，此時的短路電流超過限值，線路保護動作跳閘。可以看出，線路雷擊跳閘率受系統中性點運行方式和防雷性能的影響較大[29-31]。前面分析過，線路發生雷擊斷線的事故中95%是絕緣線，這是因為絕緣線的絕緣層會限制電弧移動，造成固定位置的電弧灼燒形成斷線。雷電沖擊閃絡過后，持續的工頻短路電弧受位置固定的影響無法移動，而采用裸導線的架空線路則與其不同。裸導線受雷擊發生閃絡時，雖然工頻持續電流會使得電弧起燃，由于受到電磁力的驅使，電弧會以裸導線表殼指向負荷電流的方向發生位移，而并不會只在導線上的某個特定位置發生燃燒反應，因此不會導致斷線故障。1.410kV配網線路感應過電壓的計算1.4.1雷電流產生過程向下負極性雷電是雷電云對大地放電的所有類型中最常發生的一類，因此本小節僅討論向下負極性雷電。雷電流產生過程主要分為以下幾類，過程如圖1.3所示：先導階段主放電余光放電階段圖1.3雷電放電階段Fig.1.3Lightningdischargestage.1.4.2先導過程中雷電通道附近的電磁場先導是由上至下的一個過程，很難直接計算得出結果。假設雷電云是正電荷放電，當積累至飽和電量時會由上向下傳輸至地面，隨后觸到地表后以更快的速度產生回擊。先導通道的電荷密度的計算公式[32]如下：(1.1)(1.2)其中，為單位階躍函數；為單位沖激函數；為先導發展速度；為電荷密度常數；為雷電流幅值；為雷電流幅值修正系數；、為時間常數。計算原理如圖1.4所示。當大地與雷電云的距離小于等于300米時，可視為理想導電體，故大地電導率對感應雷過電壓不會造成多大影響[33-34]。本文均將大地視為理想導電體，并考慮經其折射所產生的電磁場。將實際電流與折射電流的磁場效應疊加，可得雷電云與大地之間任意一處的電磁場強度。圖1.4先導過程計算示意圖Fig.1.4Schematicdiagramofthepilotprocess.先導垂直電場公式如下：(1.3)先導水平電場公式如下：(1.4)其中，為被觀測點和雷電流通道之間的距離；t是積分時間變量；為雷電流通道上目標點的高度；r為目標點和被觀測點之間的距離；v為光速。1.4.3回擊過程中雷電通道附件的電磁場雷電云中的電荷觸及地面回擊后產生電磁場，并與輸電線路耦合形成感應過電壓。為簡化理論分析步驟，假設回擊電流以均勻速度從下向上傳播，并且雷電通道無分支，那么可以認為雷擊通道與架空輸電線路垂直，雷電流回擊過程的計算原理如下圖1.5所示。圖1.5雷電流回擊模型計算原理Fig.1.5Calculationprincipleofthundercurrentreturnmodel.將雷電回擊模型簡化并結合可得統一公式[35-36]，如式(1.5)所示：(1.5)式中：為雷電流回擊速度；u為時間延遲系數。雷電回擊模型中和v參數如表1.3所示。表1.3雷電回擊模型參數Tab.1.3Parametersofthelightningresponsemodel.模型TL1MTLLMTLEBG1TCS1-c其中MTLE模型和MTLL模型詮釋了電流與高度的關系，所以對雷電放電特性的描繪更精準[37]。雷電流波形多使用雙指數模型，其表達式如下：(1.6)本文中涉及的模型有一定的弊端，在計算和波形圖方面有缺陷，不適用與仿真。MTLE是MTLL改進模型，本文在此基礎上對MTLE模型進一步改進，海德爾模型[38]如下：(1.7)(1.8)其中，n為模型階數，本章節，，為時間常數，為幅值修正系數。最后，使用類比法的建模思路[39]，將大地視為理想導電體，可得回擊過程的垂直電場和水平電場表達式如下：(1.9）(1.10)其中，R為雷電流通道中選定兩點間的距離，c為光速。上式由靜電場分量、輻射場分量、感應場分量組成。1.4.4架空線路感應雷擊電壓的計算配電線路產生感應過電壓是因為雷擊至輸電線路后，產生以時間函數和空間函數構成的分布式激勵源[40-42]。僅計算先導過程的電磁場強度并不能得出目標值，還要通過建模計算得到感應電壓。Agrawal模型的場線耦合模型等效電路如圖1.6所示。圖1.6單導體無損傳輸線的Agrawal場線耦合模型Fig.1.6Non-destructivetransmissionlineswithsingleconductorofAgrawalfieldlinecouplingmodel.該模型表達式如下：(1.11)式中，為輸電線路散射電壓，為感應電流，為雷電通道產生的水平電場分量，是導線單位長度的電感，是導線單位長度的電容。將架空輸電線路上先導過程的入射電壓和散射電壓疊加，可得總感應雷過電壓[43]。假設先導過程接觸的地面為理想大地，則散射電壓可由式(1.9)求得，入射電壓求解公式如下所示：(1.12)時域有限差分法(FDTD法)是目前應用較為廣泛的計算方法，主要用于求解電磁場數值[44-46]。區別于傳統的經典FDTD法分析的研究對象，本文主要是為了獲得線路的感應雷過電壓幅值，可以在傳統時域法的基礎上改進[47-50]，計算輸電線路上的電能指標。將微分方程離散化后用差分方程表示：(1.13)本文用MATLAB編寫了FDTD法求解代碼，其原理如下圖1.7所示。圖1.7FDTD法求解微分方程組Fig.1.7FDTDmethodforsolvingdifferentialequations.FDTD法與其他的迭代方法類似，根據給定初始條件迭代求解離散的電壓、電流值。代碼中用矩陣的行和列表示離散三維空間量，設定其偶數行和列為數值X，奇數行和列為Y，則X和Y分別為電壓和電流，并且是離散數值。其中任一偶數行都代表著某一時刻下的電壓大小，是一個空間量。最后再將兩個電壓疊加，可得回擊過程感應雷過電壓，求解公式如下所示：(1.14)類比前面分析的分量計算過程，則回擊過程的Agrawal模型表達式如下