10 kV绝缘架空线路雷击断线仿真分析.pdf

第 38 卷第 2 期电 力 科 学 与 技 术 学 报Vol.38 No.22023 年 3 月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYMar.202310 kV绝缘架空线路雷击断线仿真分析胡新宇1，汪新秀2，杨廷方1，宋华伟3，石发科1（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410004；3.国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙 410004）摘要：为研究 10 kV 架空绝缘线路雷击断线机理，基于 COMSOL 建立绝缘导线烧蚀模型，对导线受到雷电流和工频短路电流时的烧蚀状况进行仿真，然后建立导线受力模型，分析导线被烧蚀时的受力情况。根据仿真结果，雷电流仅在导线绝缘层留下一击穿孔；若不考虑外力影响，工频电弧能在 1.3 s内将绝缘导线烧蚀熔断。绝缘导线的力学仿真结果显示，导线在烧蚀处的张力发生突变，并且受到线间电动力及电弧电磁推力的作用。结合理论分析得出雷击断线的主要原因是导线在热学及力学共同作用下发生塑性形变及脆性断裂，造成断线，断口介于塑性断裂和脆性断裂之间。该仿真研究可为 10 kV架空绝缘导线的防雷提供参考。关键词：雷击断线；绝缘导线；有限元分析；电弧烧蚀；受力分析DOI：10.19781/j.issn.16739140.2023.02.018中图分类号：TM86文章编号：16739140（2023）02016107Simulation analysis of lightning stroke breaking of 10 kV insulatedoverhead transmission lineHU Xinyu1，WAN Xinxiu2，YANG Tingfang1，SONG Huawei3，SHI Fake1（1.School of Electrical&Information Engineering，Changsha University of Science&Technology，Changsha 410114，China；2.Electric PowerScience Research Institute，State Grid Hunan Electric Power Co.，Ltd.，Changsha 410007，China；3.Maintenance Company，State Grid Hunan Electric Power Co.，Ltd.，Changsha 410004，China）Abstract：In order to study the breaking mechanism of 10 kV overhead insulated lines by lightning，an ablation model ofinsulated conductors is established based on COMSOL，and the ablation status of the conductors when suffering lightningcurrent and power frequency shortcircuit current is simulated respectively.Then the force model of the conductor isestablished to analyze the conductor force when ablating.Simulation results indicate that，the lightning current only leadsto one perforation on the conductor insulation layer.The power frequency arc can ablate and fuse the insulated wire in 1.3 swithout considering the effect of external forces.The mechanical simulation results of the insulated conductor show that thetension of the conductor suffers abrupt changes at the ablation site，and the electromotive force between the wires and theelectromagnetic thrust of the arc act on this site.Combined with theoretical analysis，it is concluded that the main reasonfor the line breakage caused by lightning is the combined action of heat and mechanics，which results in plasticdeformation and brittle fracture.The simulation research provides a reference for lightning protection of 10 kV overheadinsulated conductors.Keywords：lightning strike broken line；insulated conductor；finite element analysis；arc ablation；force analysis收稿日期：20210508；修回日期：20210625基金项目：国家自然科学基金（51777015）通讯作者：杨廷方（1975），男，博士，副教授，主要从事电力系统绝缘的研究；Email：电力科学与技术学报2023 年 3 月为了提高配电线路的供电可靠性，中国于 20世纪 90 年代初开始将架空裸导线换成绝缘强度高的架空绝缘导线1。此举虽能大幅减少因短路故障而产生的线路跳闸事故，但也导致雷击断线事故数上升24。根据资料显示，中国城市配电网雷击跳闸次数占故障跳闸比率的 8%左右，而其中导线断线约占 49%56。为解决架空绝缘导线雷击断线的问题，对雷击断线过程的机理分析成为了研究热点。近年来，国内研究专家对雷击断线的机理分析开展了大量的研究工作。文献 7 通过进行雷击 10 kV 架空线路发生故障的模拟实验，得出结论：雷击放电只在导线绝缘层留下针孔状的凹坑，相间短路引起的工频电弧在针孔处稳定燃烧，造成绝缘导线烧伤断线。但作者并未考虑力对导线断线的影响。文献 8 通过建立链式电弧模型对工频电弧的运动演变进行仿真。但结果仅能表明电弧弧根固定在很小一段位置燃烧，无法反映电弧对导线的烧蚀程度。文献9 通过分析表明，导线在工频电弧所产生的交变电磁力及重力的共同影响下，发生整齐断线，断口特征介于韧性断裂与脆性断裂之间。但并未通过实验或仿真进一步论证该观点。本文通过 COMSOL 仿真平台建立绝缘导线烧蚀模型以及发生线路短路故障时绝缘导线受力分析模型，仿真研究雷电流和工频短路电流对绝缘导线的烧蚀过程，以及线路发生故障短路时导线的受力情况。从热学及力学 2个方向来分析雷击断线机理，为 10 kV 架空绝缘线路雷击断线的研究及防护措施提供参考。1绝缘导线试样及仿真模型本文以标称截面为185 mm2的 10 kV 架空绝缘导线作为仿真对象，其型号为 JKLGYJ-185/25。导线结构及对应的仿真模型如图 1 所示，导线规格参数如表 1所示。导线在制作过程中，铝线被压制变形，因此仿真模型中铝线由圆形简化成等分扇形，这样与实际情况更贴切。若采用圆形，则铝线之间留有一定空隙，不利于仿真计算中电流及热的传导，影响计算的收敛性。由于工频短路电流易在雷电击穿点处固定燃烧，因此，只仿真雷击击穿点左右各 25 mm长的部分。铝线钢芯线XLPE（a）绝缘导线实际截面（b）仿真模型截面（c）导线三维整体（单位：mm）20001010010图 1导线内部结构及仿真模型Figure 1Structure and simulation model of the conductor表 1导线规格参数Table 1Specification parameters of conductor项目最外层中间层中心层导线直径导线外径规格XLPEa无氧铝钢芯18.9 mm25.7 mm数量1层24（10+14）b7（1+6）备注厚度 3.40 mm单线直径 3.15 mm单线直径 2.10 mm注：a.XLPE代表交联聚乙烯；b.括号中表示各层中铝或钢的数量，如10+14表示铝线分 2层，内层为 10根，外层为 14根2绝缘导线的电弧烧蚀模型2.1绝缘导线的电弧烧蚀原理导线被烧蚀的主要原因是电弧弧根在雷电击穿点的固定燃烧，其热源来自于弧根在燃烧过程中对导线表面的对流散热及辐射散热。由于绝缘层的存在，导线与空气换热的效率较差，导线被电弧烧蚀的时间短，因此，导线内部的传热方式以热传导为主。在整个烧蚀过程中，导线材料的热变化可分为 2个过程，即以热传导方程描述的升温过程：cTt=2T+Q（1）162胡新宇，等：10 kV绝缘架空线路雷击断线仿真分析第 38 卷第 2 期式中，为材料密度，kg/m3；c为比热容，J/(kg K)；T 为材料的温度，K；为材料的导热系数，W/(m K)；Q为热源。在该过程中，导线在热流密度的作用下出现局部温升的现象，但此时导线形态并不会发生改变。当温度逐渐升高，材料的温度达到其熔点时，材料开始发生相变，由固体转化为液态。一旦材料转化为液态，其抗拉强度大幅降低，导线极易被拉断。因此，认为导线发生融化的部分进入到热变化的第2 个过程，即烧蚀过程。并将转为液态的部分从模型中剔除，该过程可用材料的烧蚀方程所描述：v=-Q(r)Hq（2）式中，v为材料的烧蚀速度，m/s，由于融化总优先发生在导线表面，因此导线材料的烧蚀方向由外到内；Q(r)为导线表面的热流密度；Hq为材料由固态转为液态时所吸收的热量，即融化潜热，kJ/kg。导线被烧蚀的状态如图 2所示。由于热流密度多集中于热源中心处，故此处的烧蚀速度远大于热流边缘，这使得导线外表出现一个凹坑。绝缘导线烧蚀面烧蚀口热流密度 Q图 2导线烧蚀状态Figure 2Schematic diagram of wire ablation state2.2热流密度分布的确定电弧弧心温度远高于电弧外围温度，弧根在导线表面产生的热流密度大部分集中在中心，因此，采用高斯函数近似描述热流密度的分布10，即Q(r)=Qmexp()-3r2r2h=UIexp()-3r2r2h（3）式中，Q(r)为距离中心热源 r处的热流密度，W m2；Qm为热流密度幅值，W m2；rh为中心热源半径，m；U 为电弧的压降，V；I为电弧电流，A。雷电流及工频短路电流对导线的放电过程可通过构建二维针板放电模型近似代替，基于磁流体动力学（magneto hydro dynamic，MHD）原理构建有限元模型，如图 3所示。针电极电弧板电极T、P的分布图 3针板放电模型Figure 3Needleplate discharge model通过在针电极处加载雷电流（或工频短路电流）产生电弧，在板电极上可得到随时间变化的温度分布以及电弧对板电极的压力分布变化情况。电弧电流即为加载在针电极处的电流，电压 U 可由针板间的电势差所求出，而 rh可由板电极的温度分布所确定，因此热流密度的分布也可被确定。2.3边界条件的设定文献 11 中指出在距变电站 12 km 后，三相短路电流可降至母线短路额定容量的一半以上。因此，本文采用 5 kA 的相间工频短路电流及幅值为20 kA 的1.2/50 s标准雷电流进行仿真