姚京松，董小青，吴 军，林 磊

（国家电网湖北省电力公司检修公司，武汉 430050）

地线绝缘子间隙击穿对地线电流影响规律研究

姚京松，董小青，吴 军，林 磊

（国家电网湖北省电力公司检修公司，武汉 430050）

架空地线绝缘子间隙被外力改变或遭受过电压作用下会发生间隙性击穿,严重时会出现持续燃弧的现象,实时监测地线上的电流变化情况对于架空地线的可靠运行意义重大。通过PSCAD仿真软件,建立输电线路模型,计算正常运行情况下的地线电流并分析影响因素并通过电弧开断模型分别分析了间隙击穿时刻、电弧持续时间、多点间隙击穿等因素对地线电流的影响，结果表明，线路的电压与地线电流呈正比，而电流与接地电阻不影响地线电流。同时，间隙击穿的位置、时刻和持续时间均会对击穿曲线产生不同程度影响。研究结果为架空输电线路地线状态监测提供思路和理论依据。

输电线路；地线绝缘子；接地电阻；感应电压；感应电流

0 引言

目前国内500 kV及以上交流超、特高压输电线路大多采用地线分段绝缘（每段长10～30 km）、一点接地的运行方式，正常运行时无感应电流通路，能量损耗很小，避雷线起着保护输电线路不易遭受雷击的重要作用，但同时它也增加了线路中的电能损耗。而对于超、特高压的线路来说，其输送的电能更大，导致其损耗也越大。为不影响地线的防雷效果，采用专用的地线绝缘子[1-5]。

由于交流超、特高压输电线路杆塔较高，地线绝缘子在恶劣的自然环境下运行，尤其是在大风、长期微风振动的情况下，上间隙螺栓和下间隙螺栓会产生松动，从而引起并联间隙距离变小，当地线上的感应电压大于绝缘子并联间隙的起晕电压时会引起并联间隙长期持续放电或直接接触通流[6，8]。从而造成镀锌层损坏，铁件锈蚀、烧伤甚至断裂，引发线路安全事故。

从运行的安全性和经济性考虑，架空地线状态的监测十分重要，通过其电流的变化能较好的反映输电线路的运行状态。地线绝缘子因过电压、间隙变化等因素引发间隙击穿放电时，地线电流的变化能很好的反映当前输电线路运行的状态[9-13]。目前文献中详细研究了输电线路电流、电压、功率等对地线电流的大小的影响。但对于地线绝缘子间隙击穿时如何影响地线大小和波形较少涉及。

由于地线绝缘子间隙击穿的原因多样性，导致间隙击穿时刻、击穿持续时间、地线绝缘子击穿个数和发生击穿绝缘子的位置都不尽相同。采用PSCAD仿真软件，建立输电线路模型，计算分段绝缘地线线路正常运行时地线电流的影响因素，并通过电弧开断模型研究了地线绝缘子间隙击穿时刻、电弧持续时间、地线绝缘子多个击穿等因素对地线电流的影响[14-24]。研究结果表明其弧道电阻、击穿的位置和击穿点的个数对地线电流略有影响，而击穿的持续时间和击穿时刻的电流大小影响较大，此结果可为架空输电线路地线状态监测提供思路和理论依据。

1 地线感应电流的计算模型

采用PSCAD仿真软件建立500 kV输电系统模型，简图如图1所示，线路全长30 km，其中每0.5 km设立一级杆塔，一共40级。首端电压为525 kV，线路电流为500 A。

导线断面图如图2所示，导线代码Chukar（JR⁃LX/T型复合导线），以正方形四角布置，分裂间距为0.45，最下层导线距地平均高度为35 km，架空地线离下层高度为12.25 m，地线电阻率为0.299 2 Ω/km。土壤电阻率100 Ω·m，杆塔型号为3H5。

图1 模型简图Fig.1 Model schematic diagrams

2 正常情况下地线电流影响因素

采用的仿真模型为首端接地，线路电压和电流分别为525 kV和500 A，接地电阻为1 Ω。在实际的线路运行中，分析了接地电阻、线路功率、线路电压产生波动时地线电流的变化。

图2 导线断面图Fig.2 Sectional drawing

2.1 接地电阻

气候的变化会影响土壤电阻率，输电线路的接地电阻会季节性产生一定幅度的波动[12，13]。在本文仿真中，接地电阻变化范围将在0.1 Ω至30 Ω之间。

图3 接地电阻的影响Fig.3 Influence by earth resistance

仿真结果如图3所示，在大幅改变接地电阻的情况下，接地的电流保持在7A。这说明此时地线中是以容性电流作为主导，仅容性阻抗会对其造成影响，所以作为感性电阻的接地电阻影响很小。

2.2 线路电流和电压波动

对于一段固定的输电线路，导线电流和线路电压会随着负荷的变化而发生一定改变。如图4所示，改变线路电流，但地线电流维持在7A不变，所以线路电流的波动对地线电流影响并不大。

图4 线路电流的影响Fig.4 Influence by line current

图5是地线电流随线路电压变化的曲线。

在±20%的范围内改变线路电压[7，16]。地线电流会随着线路电压线性上升，可知线路电压与地线电流的变化成正比，见图6，由于地线与导线中电流的相位几乎一致，所以在地线中，电磁效应的影响相对较小，容性电流占主导地位，由I=2πFCU，f和C均没有明显改变，所以地线电流I与线路U与线性相关。因此，在正常的地线电流监测的过程中不用考虑线路电流变化波动的影响，但需要注意电压的波动。

图5 线路电压的影响Fig.5 Influence by line voltage

图6 导线与地线电流相位比较Fig.6 Current phase comparison between line and ground line

3 地线绝缘子间隙击穿

3.1 击穿模型

地线绝缘间隙击穿可以表征输电线路的运行状态，笔者在500 kV输电系统模型中，详细研究了击穿时刻、击穿持续时间以及击穿时相位对地线电流的影响。

为了模拟地线与大地之间的间隙被击穿的现象，需要建立地线-击穿间隙-大地回路模型，将地线通过Breaker模块与大地相连，当出现击穿现象时，Break⁃er模块便会导通，使地线与大地相连，击穿间隔由PSCAD软件中的断路器模块Switching times控制。

模拟地线绝缘子击穿模型，见图7。

图7 地线绝缘子击穿模型Fig.7 Model of ground insulator breakdown

3.2 单个绝缘子间隙击穿

在单个绝缘子间隙击穿的情况下，地线绝缘子位置、击穿的持续时间、击穿时地线电流的相位以及弧道电阻都会影响地线电流。本文仿真中，通过逐个改变上述四个量来研究他们的影响，如表1所示。正常工况中，弧道电阻为1 Ω，击穿位置为7.5km，击穿时间10-3s，击穿时电流的相位0.5π。

表1 单个绝缘间隙击穿的仿真参数Table 1 Simulation parameters of single insulation gap breakdown

1）弧道电阻的影响：地线绝缘子间隙击穿后在两个电极之间会形成电弧，电弧弧道电阻对地线电流的影响如图8。

图8 弧道电阻值的影响Fig.8 Influence by arc resistance

当弧道电阻减小时，电流也随之减小，但减小幅度逐渐降低，至30 Ω时降低的幅度为仅为原幅值的3%。线路被击穿时，弧道电阻越大，弧道电流就越小，与击穿对应导线形成并联的回路，由于地线中的感应电动势占主导地位且没有发生改变，所以通过地线电流随着弧道电阻的增大而减小。

2）击穿位置的影响：由于实际运行中放电地线绝缘子的位置有较大的随机性，本文仿真中选取不同的点进行测试，见图9，在5 km以内的范围内，地线电流的大小与击穿地线绝缘子距离接地点的距离线性相关，距离5 km之后，电流的上升趋势减缓。

图9 距接地点距离的影响Fig.9 Influence of distance from ground point

击穿位置不同时地线电流波形由图10所示，击穿点位置的变化仅对击穿电流幅值有影响，但对地线电流波形的震荡持续时间影响较小。

3）击穿持续时间的影响：地线绝缘子间隙本生具有一定的灭弧功能，但间隙击穿后放电会持续一段时间。

图10 击穿位置不同时地线电流波形Fig.10 Ground current curves of the different breakdown positions

图11 击穿持续时间与地线电流幅值的关系曲线Fig.11 The relation curve between the breakdown duration and the amplitude of ground current

如图11，地线电流的峰值随着放电持续时间的延长出现了类似于正弦曲线的变化。同图12的对比可知，地线电流的幅值与振荡的大小与振荡开始时电流的瞬时大小正相关，由可知，接地峰值电流出现在开关闭合的瞬间，在开关动作的瞬间电流越大，则地线电流的峰值越大。

图12 击穿持续时间的曲线Fig.12 Curves of breakdown duration

4）击穿时电流相位的影响：击穿时电流相位与地线电流的关系曲线见图13，为一条与正弦类似的曲线，地线电流相位处于0.5π，即波峰时，击穿电流也达到峰值。

图13 击穿电流相位与地线电流的关系Fig.13 Phase comparison between breakdown current and ground current

3.3 多个绝缘子间隙击穿

在线路实际运行中，架空地线在受到外部或内部过电压的情况下，全线可能会出现多个绝缘间隙击穿[17-23]。笔者仿真中将设置不同的击穿点数、击穿点相互的间隔来研究多点击穿对地线电流的影响，仿真参数如表2所示。

表2 多点击穿仿真中的参数Table 2 Parameters of multipoint breakdown simulation

当击穿点不止一个时，仿真结果如图14所示，三点及多点击穿与两点击穿的曲线几乎重合，即幅值差别很小，且震荡频率和震荡时间相同，可见击穿点的个数对地线电流的没有影响。

图14 击穿点个数的影响Fig.14 Influence by number of breakdown points

保持三点击穿的情况下，改变击穿点之的距离，仿真结果如图15所示，不同间隔距离曲线一致，可见其对地线电流几乎没有影响。

图15 击穿点距离间隔的影响Fig.15 Influence by distance of breakdown point

如图16，将地线首末两端接地，其余工况不变。曲线显示在0.04 s的时候出现了幅值约为5 A的振荡，可见击穿的影响非常小。由此可以认为在首端接地的基础上，末端接地和长时间击穿稳定后所造成的影响等价。

图16 首末端接地时地线电流曲线Fig.16 Curve of ground current when the terminals of the first and the end are grounded

4 结论

1）在首端接地的工况下，地线中以容性电流主导，电压的波动会线性影响地线电流。

2）间隙击穿的地线绝缘子距离接地点较近时，距离的远近会影响击穿后地线电流的大小，但不会显著的影响击穿后的震荡频率和持续时间。

3）地线绝缘子间隙在t0时刻被击穿时，地线中的瞬时电流值大小I0-与击穿后振荡的幅度大小成正比。

4）地线绝缘子间隙多点击穿相比单点击穿时电流幅值会稍有增大，但增加的幅度有限。

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Study on the Influence Rule of Ground Insulator Gap Breakdown on Ground Current

YAO Jingsong,DONG Xiaoqing,WU Jun,LIN Lei
（Maintenance Company,State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan 430050,China）

Due to the gap of overhead ground wire is more vulnerable to a intermittent breakdown be⁃cause of external force or overvoltage shock,and there will continue the phenomenon of burning arc in se⁃rious case,the real-time monitoring of the current changes in ground wire is of great significance to the re⁃liable operation of overhead ground wire.By using the PSACD simulation software,the transmission line model is established,the influence of the factors such as gap breakdown time,arc duration and multipoint gap breakdown on the ground current is analyzed by means of arc breaking model.The results show that,the ground line currents are proportional to the line voltage,while the line currents and resistance do not affect the ground current.At the same time,the position,duration and duration of the gap breakdown will have different degrees of impact on the breakdown curve.The results provide the idea and theoretical basis for the monitoring of ground line condition of overhead transmission lines.

transmission line；ground insulator；earth resistance；induced voltage；induced current

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.037

2016-10-20

姚京松（1975—），男，高级工程师，研究方向为电力系统自动化。