汪明，邹宇，符德宇，陈恒龙，谢振俊

（广西电网有限责任公司钦州供电局，广西钦州，535000）

0 引言

10kV配电线路分布广泛，线路绝缘水平较低。雷电产生的过电压会使绝缘子发生闪络甚至绝缘附近间隙击穿，进而引发线路跳闸或导线断线事故。导线断线事故会造成长时间的停电事故，给企业和居民带来巨大的经济损失，同时危害电网的安全稳定运行。

目前，有关导线断线机理的研究主要从定性角度分析，文献[1]基于实验得出电弧在工频短路电流作用下不会熄灭；电弧在裸导线上移动，并受多种力的作用下稳定在某一点燃烧[2]；文献[3]-[4]对长闪络路径的电弧进行了实验研究，给出了工频闪络的临界梯度公式以及临界梯度与故障电流的关系；文献[5]分析了电磁力对电弧运动的影响，文献[6]仿真研究结果表明电弧在左、右相导线上向单一方向移动，而中间相的电弧会往返移动。雷击是否闪络取决于很多因素，文献[7]研究了污秽绝缘子工频叠加雷击冲击闪络的特性，结果表明污秽越严重，绝缘子冲击闪络电压越低；风振动实验表明风振动会加快裸导线疲劳，进而造成导线断线[8]。现有的研究未考虑到其他因素如短路电流对导线断线的影响，不能充分说明雷击断线机理，此外，目前10kV线路大部分采用裸导线，现有研究未针对裸导线的断线进行分析。基于此，本文研究分析了雷电流和工频短路电流对裸导线断线的机理影响并提出雷击断线防护措施。

1 配网雷击断线案例

某地区10kV线路地处多雷区，发生多起导线断线事件。该10kV线路采用钢芯铝绞线，绝缘子有烧黑痕迹。断线部分位于直线单杆负荷侧500mm处，该线路杆塔地处山坡，相对地理位置凸出，故容易遭受雷击。根据雷电定位系统查询当日有落雷记录，导线断线如图1所示。分析是由于因雷击引起的电弧在工频短路电流的作用下而未熄灭，电弧在多种力的作用下保持在导线的某点长时间稳定燃烧，导线温度急剧升高，当温度达到或接近导线材料熔点时，造成导线断线。

图1 导线断线故障点

2 裸导线与绝缘导线的对比

绝缘导线在雷电过电压引起绝缘子闪络并击穿导线绝缘层时，被击穿的绝缘层呈一针孔状，接续的工频短路电流电弧受周围绝缘的阻隔，弧根不能沿着导线滑动，只能在针孔处燃烧，这样在极短的时间内导线就会被整齐地烧断。尽管绝缘导线的断线概率更高，但在10kV线路实际运行过程中即使是裸导线也同样会发生断线事故，对绝缘导线和裸导线断线过程的异同点进行分析，结果如表1所示。

表1 绝缘导线和裸导线断线过程分析

3 电流能量对导线断线的影响

导线最终断线与雷电流能量和工频短路电流能量有关，本节对雷电流能量对导线断线的影响进行分析，同时基于PSCAD仿真计算了几种影响短路电流的因素，并研究了短路电流能量对导线断线的影响。

3.1 雷电流能量对断线的影响

雷击能否直接造成导线断线可利用能量守恒定律（忽略其他能量损耗）计算验证：

其中i为雷电流表达式，kA；R为导线电阻，Ω；t为雷电通过导线的时间，s（计算取100μs）；C1为铝的比热容，J/（kg.℃）；M1为铝股质量，kg；ΔT1为铝熔化的温度变化，℃；C2为钢的比热容，M2为钢芯质量，ΔT2为钢熔化的温度变化；a、b表示时间常数，I0雷电流幅值，a=-16000，b=-1040800；ρ为导线电阻率，l为导线长度（计算取0.1m），S为导线截面积；导线运行稳定为90℃，铝熔点为660℃，钢熔点为1535℃。

选取标称截面为50/8、70/10、95/15的钢芯铝绞线，导线参数及造成导线断线或断股的雷电流大小如表2所示。

由表2可知，导线断股时雷电流幅值大于200kA，断线时雷电流幅值均大于3000kA。考虑到雷电多次回击以及雷电流出现在自然界中的概率，可认为雷击导线可能造成断股，但不会造成断线。这是由于雷电流持续时间在微秒级，而系统短路电流持续时间在秒级甚至小时以上，为此需通过仿真来计算系统短路电流的能量并分析裸导线断线原因。

3.2 系统短路电流能量

雷电过电压会建立电弧通道，若电弧没有及时熄灭则系统短路电流持续较长时间，持续时间视继电保护动作时间而定，导线可能因温度急剧升高而熔断。基于PSCAD建立了仿真模型并对线路的短路电流进行计算。

3.2.1 单相接地故障

[22] Joshua Kurlantzick, “In Southeast Asia, Belt and Road Attracts Takers, But Skepticism Is Rising,” Council on Foreign Relations, June 15, 2018, https://www.cfr.org/blog/southeast-asia-belt-and-road-attracts-takers-skepticism-rising-0.

由于中性点接地方式对短路电流影响较大，且经消弧线圈接地方式能够较好的补偿电容电流，有效抑制间歇性电弧引起的弧光过电压。基于仿真模型计算不同中性点接地方式下短路电流在导线上产生的能量如表4所示。单相接地故障不会使配网线路保护跳闸，在此不接地方式和经消弧线圈接地方式计算时间取1h，小电阻接地方式计算取1s。

将表3结果与表2中导线断股或断线所需能量进行比较可知，单相接地短路电流在导线上产生的能量远小于断股或断线所需能量，因此可认为单相接地短路不会造成导线断线或断股。

表2 造成导线断股或断线的雷电流大小与能量

表3 短路电流在导线上产生的能量

3.2.2 两相接地故障

在仿真条件不变，设置故障类型为两相接地故障，仿真不同负荷和不同中性点接地方式下的短路电流结果如表4所示。

表4 两相接地短路电流大小

由表5可知，系统负荷基本不影响短路电流大小，中性点接地方式对短路电流影响很小。两相接地短路时，短路电流过大，速断保护动作（保护时间取0.5s），三种接地方式短路电流均取13.4kA计算，计算结果如表5所示。

将表6结果与表2中导线断股或断线所需能量进行比较可知，两相接地短路电流在导线上产生的能量大于断股所需能量，因此可认为两相接地短路可能会造成导线断股。

3.2.3 相间短路故障

仿真条件不变，设置故障类型为相间短路故障，此时线路中不存在零序电流和零序电压，中性点接地方式对短路电流大小无影响，选取中性点经消弧线圈方式进行仿真研究，仿真结果如表6所示。

表6 相间短路时短路电流大小

由表7可知，系统负荷对相间短路电流大小影响很小。线路发生相间短路时，短路电流过大会引起系统速断保护动作，在此保护时间取0.5s，短路电流取21.95kA计算，结果如表7所示。

表7 短路电流在导线上产生的能量

将表8结果与表2中导线断股或断线所需能量进行比较可知，相间短路电流会造成小线径导线断线，可能造成大线径导线断股。

3.2.4 三相短路故障

仿真条件不变，故障类型变为三相短路故障，此时线路同样不存在零序电流和零序电压，接地方式对短路电流大小无影响，选取中性点经消弧线圈方式进行仿真研究，仿真结果如表8所示，系统负荷对相间短路电流大小影响很小。

表8 三相短路时短路电流大小

由于线路发生三相短路时，短路电流较大，会引起系统速断保护动作（保护时间取0.5s），短路电流取15.5kA计算，计算结果如表9所示。

表9 短路电流在导线上产生的能量

将表9结果与表2中导线断股或断线所需能量进行比较可知，三相短路电流在导线上产生的能量大于断股所需能量，因此，可认为三相短路电流可能造成导线断股。

综上所述，单相接地故障不会造成导线断股，两相接地短路、相间短路和三相短路可能造成导线断股，相间短路甚至会造成小线径导线断线。

4 防护措施

基于10kV配电线路裸导线断线机理的分析研究，提出一些防护措施以降低断线率，提高线路运行的可靠性。

4.1 提高绝缘水平

绝缘子绝缘水平越高，雷电过电压不容易超过绝缘子闪络电压，导线就越不易发生断线。提出以下配置原则：山区、平原及覆冰区使用瓷横担绝缘子或者玻璃绝缘子，污秽严重地区考虑使用复合绝缘子，雷电活动强烈的地区使用加强型瓷横担绝缘子。

4.2 安装线路避雷器

避雷器由于其优良的非线性特性，能将绝缘子两端的过电压限制到避雷器的残压水平，防止绝缘子闪络或间隙击穿，进而降低裸导线断线概率。由于线路避雷器保护范围较小，若架空线路每基杆塔都安装避雷器，则能有效预防雷击跳闸或者断线事故。但每基杆塔安装避雷器的经济投入过大，因此有选择性地在配电线路中安装避雷器进行保护，既有利于降低线路雷击故障率又降低线路防雷改造投资。

4.3 整定继电保护时间

基于工频短路电流的仿真计算结果可知，继电保护动作时间越长，系统短路电流在导线上产生的能量越大，导线越容易断线，对系统造成的危害越大。因此，整定合理的保护动作时间，能够减少线路故障时对电网的危害，保障系统的安全稳定运行。

5 结论

本文开展了断线案例分析、导线断线过程、影响导线断线因素以及防护措施等方面的研究工作，得到结论如下：(1）计算分析了电流能量对导线断线的影响，得出雷击并不能直接造成裸导线断线，而是造成裸导线断线的诱因，工频短路电流是造成裸导线断线的主要原因。(2）接地方式相同时，系统负荷不影响工频短路电流的大小；在负荷相同的条件下，中性点接地方式对单相短路电流影响很大。根据不同故障类型下短路电流的大小和作用在导线上的热能量，得出单相接地故障不会造成断股，两相接地短路、相间短路和三相短路可能造成导线断股，相间短路甚至会造成小线径导线断线。(3）采取提高线路绝缘水平、安装线路避雷器及整定继电保护时间能够从机理上降低导线被雷电过电压击穿的概率，缩短导线被系统短路电流灼烧的时间，从而有效减少线路雷击断线事故的发生。