《10kV配电网雷击断线故障分析综述》4100字

10kV配电网雷击断线故障分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u2215010kV配电网雷击断线故障分析综述 1118321.1雷击断线机理分析 1165501.1.1电磁场角度分析 183161.1.2力学角度分析 1206151.2雷击断线故障特性分析 2212271.3雷击断线原因分析 4206421.410kV配网线路感应过电压的计算 5213821.4.1雷电流产生过程 5303891.4.2先导过程中雷电通道附近的电磁场 5270801.4.3回击过程中雷电通道附件的电磁场 666821.4.4架空线路感应雷击电压的计算 81.1雷击断线机理分析1.1.1电磁场角度分析雷电会使输电线路上空形成带电云层，进而在线路上产生感应电荷，如果线路上空带电云层中的电荷不是均匀分布的，则不会造成影响；若带电云层中的电荷呈均匀分布，则会在大地与云层之间的空气介质形成一个均匀电场。分布在其中的金属芯导线绝缘层外表会在均匀电场的作用下发生极化现象，进而导致其外表面产生感应电荷。虽然绝缘介质的击穿场强要远高于空气的击穿场强，但带电导线的电场强度受感应电荷的影响产生畸变，此时空气介质发生电离现象，使得雷电通过该放电通道进入带电导线，危害电力系统安全稳定运行。以具有较弱绝缘能力为特征的l0kV配电网线路覆盖着我们国家大部分地区，伴随着雷电灾害发生的同时，其多相导线发生对地闪络的概率是极大的，继而进一步会发生断线故障。1.1.2力学角度分析目前我国大部分地区10kV配电网均采用铝制绝缘导线，但由于金属铝的熔点相对较低，雷击过电压产生的电弧温度高于金属铝的熔点，加之与电磁力与万有引力的影响，导致绝缘铝导线受雷击时容易发生断线事故。常州地区2015-2019年裸导线和绝缘导线发生雷击断线的数据如下表所示，数据来源于国网常州供电公司配电运检工区现场运维记录。表1.SEQ表3.\*ARABIC12015-2019年裸导线和绝缘导线发生雷击断线情况Tab.1.1Lightningbreakageofbareandinsulatedconductors2015-2019.年份裸导线绝缘导线20152292016319201703820180262019114图1.SEQ图2.\*ARABIC1架空绝缘导线和裸导线断线故障率Fig.1.1Failurerateofoverheadinsulatedwireandbarewire.相关数据显示，铝原子会在受雷击后温度升高进入一个特定的温度区间时，其结构极易受到外界冲击，进而使得铝导线出现不可逆的裂纹；随着工频持续电流产生的高温电弧灼烧，使得导线表面的裂纹逐渐加深，因此导线的物理强度进一步下降；加之高温电弧对导线的加热与地球引力的作用，使得铝制绝缘导线极易因雷击造成断线事故，严重影响配电网线路安全稳定运行。1.2雷击断线故障特性分析10kV配电线路跳闸故障次数及其相关数据是决定电力部门合理地分配资源的关键所在，对抢修与运维工作具有重要意义。因此，本文选择来源于国网常州供电公司配电运检工区现场运维记录的10kV配电线路相关数据分析雷击断线故障的特性，如表1.2所示。由图中可以看出，2015年至2019年，雷击断线故障一直呈高发趋势。常州地区由于架空绝缘导线长、绝缘化率高、地闪密度较大，雷击断线次数较多，特别是2017年，雷击断线故障高达38次。表1.22015-2019年常州地区10kV配网雷击断线次数统计表Tab.1.2Lightningstrikelinenumberstatisticaltableofarea10kVdistributionnetworkinChangzhouin2015-2019.年份单相接地重合成功重合不成无告警总计201502542312016016602220177203838201811852262019374115图1.22015-2019年常州地区10kV配网雷击断线次数及保护动作情况Fig.1.2Lightningstrikelinenumberandprotectionactionof10kVdistributionnetworkinChangzhouin2015-2019.值得注意的是当发生雷击断线故障时，线路保护会根据断线故障的不同表现，产生不同的反应。1、当一相发生断线后，如果电源侧导线落在横担或者地上，发生金属性接地时，保护会发单相接地告警，调度随即拉停线路；2、当发生雷击故障后，线路发生瞬时性相间短路，如果只有一相发生断线，且断点没有直接和横担或地面接触，保护跳闸后重合成功，并不会有单相接地告警，这种情况下线路仍然带电，后段会缺相运行，这给处于断线处附近的人员带来极大安全隐患，容易引发次生灾害；3、若雷击导致两相及以上断线，保护会跳闸并且重合不成功；4、还有一种情况是，雷击瞬间因种种原因，保护不动作，且产生一相断线后，也未发生单相接地，此时缺相线路除了负荷有下降外，调度侧没有任何故障信号，只能靠周围群众发现明显故障，汇报给运行人员，断线处的带电导线可能引起人身伤亡事故。常州地处华东地区，是亚热带季风性气候，受这种地理地形的影响，雷电活动特别频繁，特别是春夏两季更是雷击跳闸的高峰期。由于架空配电线暴露于自然环境，极易受到雷击的影响和损害。据统计，架空绝缘导线遭受雷击时，雷击断线和雷击跳闸的概率几乎是100%，严重地威胁着电网运行的安全。从数据中可以看出，从2015年至2019年，所有的雷击断线故障中，保护不发信或者线路重合成功的概率占断线故障的75%，此时线路仍然带电，断落的导线带来很大的安全隐患，必须采取相应的技术和管理手段来减少雷击断线的发生。1.3雷击断线原因分析绝缘子在发生雷电灾害时，由于线路耐雷水平小于遭受的雷电强度高，而造成闪络。同时，由于闪络转瞬即逝，因此并不会引起线路跳闸。而当雷击造成的极大电流被分流后，由于工频持续电流作用于输电线路，进而产生持续短路电弧，从而击穿线路绝缘保护层，导致线路跳闸[26-28]。国内10kV配网线路大多采用非直接接地方式，雷击极易引起绝缘水平较低的线路产生对地闪络。10kV配网线路遭受雷击可分为两类情况：第一类是雷击导致一相线路对地短路，不过此时在工频电流影响下并不会触发保护动作跳闸，能够继续供电一段时间并等待检修人员前往维修；第二类是雷击闪络转变为稳定的工频持续电流，进而形成相间短路，此时的短路电流超过限值，线路保护动作跳闸。可以看出，线路雷击跳闸率受系统中性点运行方式和防雷性能的影响较大[29-31]。前面分析过，线路发生雷击断线的事故中95%是绝缘线，这是因为绝缘线的绝缘层会限制电弧移动，造成固定位置的电弧灼烧形成断线。雷电冲击闪络过后，持续的工频短路电弧受位置固定的影响无法移动，而采用裸导线的架空线路则与其不同。裸导线受雷击发生闪络时，虽然工频持续电流会使得电弧起燃，由于受到电磁力的驱使，电弧会以裸导线表壳指向负荷电流的方向发生位移，而并不会只在导线上的某个特定位置发生燃烧反应，因此不会导致断线故障。1.410kV配网线路感应过电压的计算1.4.1雷电流产生过程向下负极性雷电是雷电云对大地放电的所有类型中最常发生的一类，因此本小节仅讨论向下负极性雷电。雷电流产生过程主要分为以下几类，过程如图1.3所示：先导阶段主放电余光放电阶段图1.3雷电放电阶段Fig.1.3Lightningdischargestage.1.4.2先导过程中雷电通道附近的电磁场先导是由上至下的一个过程，很难直接计算得出结果。假设雷电云是正电荷放电，当积累至饱和电量时会由上向下传输至地面，随后触到地表后以更快的速度产生回击。先导通道的电荷密度的计算公式[32]如下：(1.1)(1.2)其中，为单位阶跃函数；为单位冲激函数；为先导发展速度；为电荷密度常数；为雷电流幅值；为雷电流幅值修正系数；、为时间常数。计算原理如图1.4所示。当大地与雷电云的距离小于等于300米时，可视为理想导电体，故大地电导率对感应雷过电压不会造成多大影响[33-34]。本文均将大地视为理想导电体，并考虑经其折射所产生的电磁场。将实际电流与折射电流的磁场效应叠加，可得雷电云与大地之间任意一处的电磁场强度。图1.4先导过程计算示意图Fig.1.4Schematicdiagramofthepilotprocess.先导垂直电场公式如下：(1.3)先导水平电场公式如下：(1.4)其中，为被观测点和雷电流通道之间的距离；t是积分时间变量；为雷电流通道上目标点的高度；r为目标点和被观测点之间的距离；v为光速。1.4.3回击过程中雷电通道附件的电磁场雷电云中的电荷触及地面回击后产生电磁场，并与输电线路耦合形成感应过电压。为简化理论分析步骤，假设回击电流以均匀速度从下向上传播，并且雷电通道无分支，那么可以认为雷击通道与架空输电线路垂直，雷电流回击过程的计算原理如下图1.5所示。图1.5雷电流回击模型计算原理Fig.1.5Calculationprincipleofthundercurrentreturnmodel.将雷电回击模型简化并结合可得统一公式[35-36]，如式(1.5)所示：(1.5)式中：为雷电流回击速度；u为时间延迟系数。雷电回击模型中和v参数如表1.3所示。表1.3雷电回击模型参数Tab.1.3Parametersofthelightningresponsemodel.模型TL1MTLLMTLEBG1TCS1-c其中MTLE模型和MTLL模型诠释了电流与高度的关系，所以对雷电放电特性的描绘更精准[37]。雷电流波形多使用双指数模型，其表达式如下：(1.6)本文中涉及的模型有一定的弊端，在计算和波形图方面有缺陷，不适用与仿真。MTLE是MTLL改进模型，本文在此基础上对MTLE模型进一步改进，海德尔模型[38]如下：(1.7)(1.8)其中，n为模型阶数，本章节，，为时间常数，为幅值修正系数。最后，使用类比法的建模思路[39]，将大地视为理想导电体，可得回击过程的垂直电场和水平电场表达式如下：(1.9）(1.10)其中，R为雷电流通道中选定两点间的距离，c为光速。上式由静电场分量、辐射场分量、感应场分量组成。1.4.4架空线路感应雷击电压的计算配电线路产生感应过电压是因为雷击至输电线路后，产生以时间函数和空间函数构成的分布式激励源[40-42]。仅计算先导过程的电磁场强度并不能得出目标值，还要通过建模计算得到感应电压。Agrawal模型的场线耦合模型等效电路如图1.6所示。图1.6单导体无损传输线的Agrawal场线耦合模型Fig.1.6Non-destructivetransmissionlineswithsingleconductorofAgrawalfieldlinecouplingmodel.该模型表达式如下：(1.11)式中，为输电线路散射电压，为感应电流，为雷电通道产生的水平电场分量，是导线单位长度的电感，是导线单位长度的电容。将架空输电线路上先导过程的入射电压和散射电压叠加，可得总感应雷过电压[43]。假设先导过程接触的地面为理想大地，则散射电压可由式(1.9)求得，入射电压求解公式如下所示：(1.12)时域有限差分法(FDTD法)是目前应用较为广泛的计算方法，主要用于求解电磁场数值[44-46]。区别于传统的经典FDTD法分析的研究对象，本文主要是为了获得线路的感应雷过电压幅值，可以在传统时域法的基础上改进[47-50]，计算输电线路上的电能指标。将微分方程离散化后用差分方程表示：(1.13)本文用MATLAB编写了FDTD法求解代码，其原理如下图1.7所示。图1.7FDTD法求解微分方程组Fig.1.7FDTDmethodforsolvingdifferentialequations.FDTD法与其他的迭代方法类似，根据给定初始条件迭代求解离散的电压、电流值。代码中用矩阵的行和列表示离散三维空间量，设定其偶数行和列为数值X，奇数行和列为Y，则X和Y分别为电压和电流，并且是离散数值。其中任一偶数行都代表着某一时刻下的电压大小，是一个空间量。最后再将两个电压叠加，可得回击过程感应雷过电压，求解公式如下所示：(1.14)类比前面分析的分量计算过程，则回击过程的Agrawal模型表达式如下