地線絕緣子間隙擊穿對地線電流影響規(guī)律研究

姚京松，董小青，吳 軍，林 磊

（國家電網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，武漢 430050）

地線絕緣子間隙擊穿對地線電流影響規(guī)律研究

姚京松，董小青，吳 軍，林 磊

（國家電網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，武漢 430050）

架空地線絕緣子間隙被外力改變或遭受過電壓作用下會(huì)發(fā)生間隙性擊穿,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)持續(xù)燃弧的現(xiàn)象,實(shí)時(shí)監(jiān)測地線上的電流變化情況對于架空地線的可靠運(yùn)行意義重大。通過PSCAD仿真軟件,建立輸電線路模型,計(jì)算正常運(yùn)行情況下的地線電流并分析影響因素并通過電弧開斷模型分別分析了間隙擊穿時(shí)刻、電弧持續(xù)時(shí)間、多點(diǎn)間隙擊穿等因素對地線電流的影響，結(jié)果表明，線路的電壓與地線電流呈正比，而電流與接地電阻不影響地線電流。同時(shí)，間隙擊穿的位置、時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間均會(huì)對擊穿曲線產(chǎn)生不同程度影響。研究結(jié)果為架空輸電線路地線狀態(tài)監(jiān)測提供思路和理論依據(jù)。

輸電線路；地線絕緣子；接地電阻；感應(yīng)電壓；感應(yīng)電流

0 引言

目前國內(nèi)500 kV及以上交流超、特高壓輸電線路大多采用地線分段絕緣（每段長10～30 km）、一點(diǎn)接地的運(yùn)行方式，正常運(yùn)行時(shí)無感應(yīng)電流通路，能量損耗很小，避雷線起著保護(hù)輸電線路不易遭受雷擊的重要作用，但同時(shí)它也增加了線路中的電能損耗。而對于超、特高壓的線路來說，其輸送的電能更大，導(dǎo)致其損耗也越大。為不影響地線的防雷效果，采用專用的地線絕緣子[1-5]。

由于交流超、特高壓輸電線路桿塔較高，地線絕緣子在惡劣的自然環(huán)境下運(yùn)行，尤其是在大風(fēng)、長期微風(fēng)振動(dòng)的情況下，上間隙螺栓和下間隙螺栓會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，從而引起并聯(lián)間隙距離變小，當(dāng)?shù)鼐€上的感應(yīng)電壓大于絕緣子并聯(lián)間隙的起暈電壓時(shí)會(huì)引起并聯(lián)間隙長期持續(xù)放電或直接接觸通流[6，8]。從而造成鍍鋅層損壞，鐵件銹蝕、燒傷甚至斷裂，引發(fā)線路安全事故。

從運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，架空地線狀態(tài)的監(jiān)測十分重要，通過其電流的變化能較好的反映輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)。地線絕緣子因過電壓、間隙變化等因素引發(fā)間隙擊穿放電時(shí)，地線電流的變化能很好的反映當(dāng)前輸電線路運(yùn)行的狀態(tài)[9-13]。目前文獻(xiàn)中詳細(xì)研究了輸電線路電流、電壓、功率等對地線電流的大小的影響。但對于地線絕緣子間隙擊穿時(shí)如何影響地線大小和波形較少涉及。

由于地線絕緣子間隙擊穿的原因多樣性，導(dǎo)致間隙擊穿時(shí)刻、擊穿持續(xù)時(shí)間、地線絕緣子擊穿個(gè)數(shù)和發(fā)生擊穿絕緣子的位置都不盡相同。采用PSCAD仿真軟件，建立輸電線路模型，計(jì)算分段絕緣地線線路正常運(yùn)行時(shí)地線電流的影響因素，并通過電弧開斷模型研究了地線絕緣子間隙擊穿時(shí)刻、電弧持續(xù)時(shí)間、地線絕緣子多個(gè)擊穿等因素對地線電流的影響[14-24]。研究結(jié)果表明其弧道電阻、擊穿的位置和擊穿點(diǎn)的個(gè)數(shù)對地線電流略有影響，而擊穿的持續(xù)時(shí)間和擊穿時(shí)刻的電流大小影響較大，此結(jié)果可為架空輸電線路地線狀態(tài)監(jiān)測提供思路和理論依據(jù)。

1 地線感應(yīng)電流的計(jì)算模型

采用PSCAD仿真軟件建立500 kV輸電系統(tǒng)模型，簡圖如圖1所示，線路全長30 km，其中每0.5 km設(shè)立一級桿塔，一共40級。首端電壓為525 kV，線路電流為500 A。

導(dǎo)線斷面圖如圖2所示，導(dǎo)線代碼Chukar（JR?LX/T型復(fù)合導(dǎo)線），以正方形四角布置，分裂間距為0.45，最下層導(dǎo)線距地平均高度為35 km，架空地線離下層高度為12.25 m，地線電阻率為0.299 2 Ω/km。土壤電阻率100 Ω·m，桿塔型號為3H5。

圖1 模型簡圖Fig.1 Model schematic diagrams

2 正常情況下地線電流影響因素

采用的仿真模型為首端接地，線路電壓和電流分別為525 kV和500 A，接地電阻為1 Ω。在實(shí)際的線路運(yùn)行中，分析了接地電阻、線路功率、線路電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)地線電流的變化。

圖2 導(dǎo)線斷面圖Fig.2 Sectional drawing

2.1 接地電阻

氣候的變化會(huì)影響土壤電阻率，輸電線路的接地電阻會(huì)季節(jié)性產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)[12，13]。在本文仿真中，接地電阻變化范圍將在0.1 Ω至30 Ω之間。

圖3 接地電阻的影響Fig.3 Influence by earth resistance

仿真結(jié)果如圖3所示，在大幅改變接地電阻的情況下，接地的電流保持在7A。這說明此時(shí)地線中是以容性電流作為主導(dǎo)，僅容性阻抗會(huì)對其造成影響，所以作為感性電阻的接地電阻影響很小。

2.2 線路電流和電壓波動(dòng)

對于一段固定的輸電線路，導(dǎo)線電流和線路電壓會(huì)隨著負(fù)荷的變化而發(fā)生一定改變。如圖4所示，改變線路電流，但地線電流維持在7A不變，所以線路電流的波動(dòng)對地線電流影響并不大。

圖4 線路電流的影響Fig.4 Influence by line current

圖5是地線電流隨線路電壓變化的曲線。

在±20%的范圍內(nèi)改變線路電壓[7，16]。地線電流會(huì)隨著線路電壓線性上升，可知線路電壓與地線電流的變化成正比，見圖6，由于地線與導(dǎo)線中電流的相位幾乎一致，所以在地線中，電磁效應(yīng)的影響相對較小，容性電流占主導(dǎo)地位，由I=2πFCU，f和C均沒有明顯改變，所以地線電流I與線路U與線性相關(guān)。因此，在正常的地線電流監(jiān)測的過程中不用考慮線路電流變化波動(dòng)的影響，但需要注意電壓的波動(dòng)。

圖5 線路電壓的影響Fig.5 Influence by line voltage

圖6 導(dǎo)線與地線電流相位比較Fig.6 Current phase comparison between line and ground line

3 地線絕緣子間隙擊穿

3.1 擊穿模型

地線絕緣間隙擊穿可以表征輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)，筆者在500 kV輸電系統(tǒng)模型中，詳細(xì)研究了擊穿時(shí)刻、擊穿持續(xù)時(shí)間以及擊穿時(shí)相位對地線電流的影響。

為了模擬地線與大地之間的間隙被擊穿的現(xiàn)象，需要建立地線-擊穿間隙-大地回路模型，將地線通過Breaker模塊與大地相連，當(dāng)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時(shí)，Break?er模塊便會(huì)導(dǎo)通，使地線與大地相連，擊穿間隔由PSCAD軟件中的斷路器模塊Switching times控制。

模擬地線絕緣子擊穿模型，見圖7。

圖7 地線絕緣子擊穿模型Fig.7 Model of ground insulator breakdown

3.2 單個(gè)絕緣子間隙擊穿

在單個(gè)絕緣子間隙擊穿的情況下，地線絕緣子位置、擊穿的持續(xù)時(shí)間、擊穿時(shí)地線電流的相位以及弧道電阻都會(huì)影響地線電流。本文仿真中，通過逐個(gè)改變上述四個(gè)量來研究他們的影響，如表1所示。正常工況中，弧道電阻為1 Ω，擊穿位置為7.5km，擊穿時(shí)間10-3s，擊穿時(shí)電流的相位0.5π。

表1 單個(gè)絕緣間隙擊穿的仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of single insulation gap breakdown

1）弧道電阻的影響：地線絕緣子間隙擊穿后在兩個(gè)電極之間會(huì)形成電弧，電弧弧道電阻對地線電流的影響如圖8。

圖8 弧道電阻值的影響Fig.8 Influence by arc resistance

當(dāng)弧道電阻減小時(shí)，電流也隨之減小，但減小幅度逐漸降低，至30 Ω時(shí)降低的幅度為僅為原幅值的3%。線路被擊穿時(shí)，弧道電阻越大，弧道電流就越小，與擊穿對應(yīng)導(dǎo)線形成并聯(lián)的回路，由于地線中的感應(yīng)電動(dòng)勢占主導(dǎo)地位且沒有發(fā)生改變，所以通過地線電流隨著弧道電阻的增大而減小。

2）擊穿位置的影響：由于實(shí)際運(yùn)行中放電地線絕緣子的位置有較大的隨機(jī)性，本文仿真中選取不同的點(diǎn)進(jìn)行測試，見圖9，在5 km以內(nèi)的范圍內(nèi)，地線電流的大小與擊穿地線絕緣子距離接地點(diǎn)的距離線性相關(guān)，距離5 km之后，電流的上升趨勢減緩。

圖9 距接地點(diǎn)距離的影響Fig.9 Influence of distance from ground point

擊穿位置不同時(shí)地線電流波形由圖10所示，擊穿點(diǎn)位置的變化僅對擊穿電流幅值有影響，但對地線電流波形的震蕩持續(xù)時(shí)間影響較小。

3）擊穿持續(xù)時(shí)間的影響：地線絕緣子間隙本生具有一定的滅弧功能，但間隙擊穿后放電會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

圖10 擊穿位置不同時(shí)地線電流波形Fig.10 Ground current curves of the different breakdown positions

圖11 擊穿持續(xù)時(shí)間與地線電流幅值的關(guān)系曲線Fig.11 The relation curve between the breakdown duration and the amplitude of ground current

如圖11，地線電流的峰值隨著放電持續(xù)時(shí)間的延長出現(xiàn)了類似于正弦曲線的變化。同圖12的對比可知，地線電流的幅值與振蕩的大小與振蕩開始時(shí)電流的瞬時(shí)大小正相關(guān)，由可知，接地峰值電流出現(xiàn)在開關(guān)閉合的瞬間，在開關(guān)動(dòng)作的瞬間電流越大，則地線電流的峰值越大。

圖12 擊穿持續(xù)時(shí)間的曲線Fig.12 Curves of breakdown duration

4）擊穿時(shí)電流相位的影響：擊穿時(shí)電流相位與地線電流的關(guān)系曲線見圖13，為一條與正弦類似的曲線，地線電流相位處于0.5π，即波峰時(shí)，擊穿電流也達(dá)到峰值。

圖13 擊穿電流相位與地線電流的關(guān)系Fig.13 Phase comparison between breakdown current and ground current

3.3 多個(gè)絕緣子間隙擊穿

在線路實(shí)際運(yùn)行中，架空地線在受到外部或內(nèi)部過電壓的情況下，全線可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)絕緣間隙擊穿[17-23]。筆者仿真中將設(shè)置不同的擊穿點(diǎn)數(shù)、擊穿點(diǎn)相互的間隔來研究多點(diǎn)擊穿對地線電流的影響，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 多點(diǎn)擊穿仿真中的參數(shù)Table 2 Parameters of multipoint breakdown simulation

當(dāng)擊穿點(diǎn)不止一個(gè)時(shí)，仿真結(jié)果如圖14所示，三點(diǎn)及多點(diǎn)擊穿與兩點(diǎn)擊穿的曲線幾乎重合，即幅值差別很小，且震蕩頻率和震蕩時(shí)間相同，可見擊穿點(diǎn)的個(gè)數(shù)對地線電流的沒有影響。

圖14 擊穿點(diǎn)個(gè)數(shù)的影響Fig.14 Influence by number of breakdown points

保持三點(diǎn)擊穿的情況下，改變擊穿點(diǎn)之的距離，仿真結(jié)果如圖15所示，不同間隔距離曲線一致，可見其對地線電流幾乎沒有影響。

圖15 擊穿點(diǎn)距離間隔的影響Fig.15 Influence by distance of breakdown point

如圖16，將地線首末兩端接地，其余工況不變。曲線顯示在0.04 s的時(shí)候出現(xiàn)了幅值約為5 A的振蕩，可見擊穿的影響非常小。由此可以認(rèn)為在首端接地的基礎(chǔ)上，末端接地和長時(shí)間擊穿穩(wěn)定后所造成的影響等價(jià)。

圖16 首末端接地時(shí)地線電流曲線Fig.16 Curve of ground current when the terminals of the first and the end are grounded

4 結(jié)論

1）在首端接地的工況下，地線中以容性電流主導(dǎo)，電壓的波動(dòng)會(huì)線性影響地線電流。

2）間隙擊穿的地線絕緣子距離接地點(diǎn)較近時(shí)，距離的遠(yuǎn)近會(huì)影響擊穿后地線電流的大小，但不會(huì)顯著的影響擊穿后的震蕩頻率和持續(xù)時(shí)間。

3）地線絕緣子間隙在t0時(shí)刻被擊穿時(shí)，地線中的瞬時(shí)電流值大小I0-與擊穿后振蕩的幅度大小成正比。

4）地線絕緣子間隙多點(diǎn)擊穿相比單點(diǎn)擊穿時(shí)電流幅值會(huì)稍有增大，但增加的幅度有限。

[1]吳伯華，陳繼動(dòng)，朱克.架空地線間隙放電對線路零序阻抗的影響[J]高電壓技術(shù)，2006，32（10）:8-10.WU Bohua，CHEN Jidong，ZHU Ke.Study on Influence of Ground Wire involved Gap Flashover on Line Equiva?lent Zero-sequence Impedance[J]High Voltage Engineer?ing，2006，32（10）：8-10．

[2]李本良，袁兆祥，惠旭，等.降低高壓交流輸電線路地線損耗的運(yùn)行方式[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（3）:98-102.LI Benliang，YUAN Zhaoxiang，HUI Xu，etc.Operation Mode of Ground Wire to Reduce Ground Wire Loss of HV AC Transmission Lines.[J]High Voltage Engineering，2011，32（10）：8-10．

[3]王學(xué)峰，呂艷萍.減小避雷線中電能損失的方法研究[J].高電壓技術(shù)，2005，31（9）:28-30.WANG Xuefeng，LV Yanping.Research on reducing the power losing lightning shield line.[J]High Voltage Engi?neering，2005，31（9）:28-30．

[4]周欣佳.架空地線連接金具發(fā)熱的原因分析及處理辦法[J].上海電力，2011（3）:278-281.

[5]楊挺.500kV輸電線路架空絕緣地線掉線原因分析及對策[J].南方電網(wǎng)技術(shù)研究，2006，2（1）:57-60.YANG Ting，Reason Analysis and Countermeasures of Overhead Insulation Grounding Line Drop Accident of 500kV Transmission Line.[J]，Technology research of Southern Power Grid，2006，2（1）:57-60.

[6]宋立軍，蔣陶寧，鄒軍，等.特高壓交流輸電線路地線絕緣間隙電壓的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（3）:686-691.SONG Lijun ，JANG Taoning，ZOU Jun，etc.Research on Voltages Across Both Terminals of Ground Wire Insula?tion Gap for UHVAC Transmission Line.Power system technology，2013，37（3）:686-691.

[7]董紹春，方家智.對超高壓架空送電線路避雷線絕緣間隙的選擇的探討[J].北京電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012（5）:91.DONG Shaochun，WAN Jiazhi.Discussion on the selec?tion of the insulation gap of the lightning protection line for the extra high voltage overhead transmission line.[J]Journal of Beijing Electric Power College，2012（5）:91.

[8]吳康平.500 kV線路絕緣地線的設(shè)計(jì)[J].電力建設(shè)，2001，22（11）:11-13.

[9]URASAWA K ，KANEMARU K ，TOYOTA S ，et al.New fault location system for power transmission lines using composite fiber-optic overhead ground wire（OPGW）[J].IEEE Transactions on Power Delivery，Nov.1986，1（3）:2005-2011.

[10]RYUZO Kimata.Development of an Application Program to Calculate Short-Circuit Temperature Rise in OPGW.Furukawa Review，1999（18）:45-50.

[11]OOURA K，KANEMARU K，MATSUBARA R，IBUKI S.Application of a power line maintenance information sys?tem using OPGW to the Nishi-Gunma UHV line[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（1）:511-517.

[12]NISHIMURA F，SOARES M R，LACERDA L，et al.Tech?nology and construction works for OPGW installation in al?ive-line transmission line[J].Transmission and Distribu?tion Conference and Exposition，2003，10（2）:579-583.

[13]SAOTOME H ，YOSHIOKAM ，OKADA K ，et al.Technol?ogy for replacing existing ground wires with multi-core OP?GW[J]Overhead Line Design and Construction:Theory and Practice，1988:161-165.

[14]繆晶晶，徐志磊，冒新國，等.OPGW接地方式研究及分段絕緣方案設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)通信，2012，33（231）:47-51.MIAO Jingjing，XU zhilei，MAO xinguo，etal.Research on grounding mode of OPGW and design of subsection insula?tion.[J].Power system communication，2012，33（231）:47-51.

[15]焦曉波，周雅，李宏君.OPGW在電力光傳輸網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].光通信研究，2010（4）:49-51.JIAO Xiaobo，ZHOU Ya，LI Hongjun.Application and de?velopment of OPGW in power optical transmission network[J].Optical communication research，2010，（4）:47-51.

[16]黃偉中.大跨越工程中使用光纖復(fù)合地線（OPGW）的研究[J].華東電力，2004，32（10）:19-21.HUANG Weizhong.Research on the use of optical fiber composite ground wire（OPGW）in large span project[J].East China electric power，2004，32（10）:19-21.

[17]彭向陽，劉毅剛，張穗強(qiáng).OPGW光纖復(fù)合架空地線異常發(fā)熱現(xiàn)場測量分析及仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（2）:206-211.PENG Xiangyang，LIU Yigang，ZHANG Shuiqiang.Onsite measurement based analysis and simulation of abnor?mal heating of optical fiber composite overhead ground Wires[J].Power System Technology，2012，36（2）:206-211.

[18]NAIAD K，YOKCTA T，YOKOYAMA S，ASAKAWA A，et al.Energy absorption of surge arresters on power distri?bution lines due to direct lightning strokes-effects of an overhead ground wire and installation position of surge ar?resters[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（4）:1779-1785.

[19]朱澤偉，周岐斌，陳貽亮，基于EMTP模擬雷電流入侵低壓配電線路仿真與防護(hù)研究[J]．電瓷避雷器，206（05）:60-66.ZHU Zewei，ZHOU Qibin，CHEN Yiliang.Simulation and Protection Research on Simulating Current Impinging into the Low Voltage Distribution Circuit Based on EMTP[J].In?sulaors and Surge Arresters，2016（05）:60-66.

[20]陸俊杰，徐秀峰，梁聰.基于正態(tài)分布雷電參數(shù)的220 kV線路雷擊跳閘模擬[J].電瓷避雷器，2015，138（05）:106-110.LU Junjie，CHEN Xiufeng，LIANG Cong.Simulation of Lightning Trip-Out of 220 kV Transmission Lines Based on Normal Distribution of Lightning Parameters[J].Insu?laors and Surge Arresters，2015，138（05）:106-110.

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，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。