架空绝缘导线并联裸导线电场分布仿真研究张玉荣

张玉荣

(国网重庆市电力公司江北供电分公司重庆401147)

摘要：随着配网建设标准的不断提升，城市配网线路绝缘化率不断提高，架空绝缘配网输电线路日益增多，由此带来的绝缘导线雷击断线事故和由此引发的停电风险日益增强。本文根据架空绝缘导线的特点，提出了在架空绝缘导线和绝缘子附近并联一段裸导线的防止雷击断线的措施，通过电场仿真分析了并联导线的长度和布置方式对电场分布的影响规律，可为防雷击断线装置的设计提供参考。

关键词：绝缘导线；雷击断线；仿真；电场分布

SimulationResearchonelectricfielddistributionofinsulatedconductorcombinedwithbareconductor

ZhangYurong

StateGridChongqingJiangbeiElectricPowerSupplyBranch,Chongqing,401147

Abstract:Withthecontinuousimprovementoftheconstructionstandardsofthedistributionnetwork,theinsulationrateoftheurbandistributionnetworkisincreasing,andtheinsulationoverheadtransmissionlinesareincreasingdaybyday.Thus,thelightningbreaklineaccidentandtheresultingblackoutriskareincreasing.Inthispaper,accordingtothecharacteristicsofinsulatedoverheadconductors,themethodwhichmaketheinsulatedconductorcombinedwithbareconductorareputforwardtopreventtheaccidentcausedbylighting.Theinfluenceofthelengthandarrangementoftheparallelconductorontheelectricfielddistributionisanalyzedthroughtheelectricfieldsimulation,whichcanprovidereferenceforthedesignofthelightningprotectiondevice.

Keywords:insulatedconductor;lightning-causedbreaking;simulation;electricfielddistribution

1引言

随着配网建设标准的不断提升，城市配网线路绝缘化率不断提高，架空绝缘配网输电线路日益增多，由此带来的绝缘导线雷击断线事故和由此引发的停电风险日益增强。随着社会的进步，人们对电力的依赖程度增强，对供电的可靠性要求越来越高，突然的停电事故将给社会带来巨大的经济损失[1-3]。与采用裸导线为导体的常规架空线路相比，架空绝缘导线输电线路可以减少树木、鸟类、积雪等外部原因引起的架空配电线路故障，因此具有较高的安全性、可靠性和建设维护方便等优势，在配电网中得到了广泛的应用[4-6]。

国外发达国家从20世纪60年代后期起己逐渐采用架空绝缘导线，我国从20世纪80年代起，开始对城市架空配电网实施绝缘化改造试点。随着我国经济建设的发展，城市10kV配电线路也逐渐向绝缘化、安全化、可靠化方向发展[7-9]。但是，近年来绝缘导线在运行中，绝缘导线遭受雷击的可能性不比裸导线少，且雷击断线的可能性增加。

为适应我国城市配网架空绝缘化的发展要求，必须探索和开展切实有效的防治架空绝缘导线雷击断线的方法和措施研究，以适应对配网可靠性和不间断供电的发展要求。本文根据架空绝缘导线的特点，提出了在架空绝缘导线和绝缘子附近并联一段裸导线的防止雷击断线的措施，通过电场仿真分析了并联到导线的长度和布置方式对电场分布的影响规律，可为防雷击断线装置的设计提供参考。

2绝缘导线雷击断线机理及防雷击断线措施

架空绝缘线路因雷击发生对地击穿放电后，导线绝缘层上的放电击穿点呈一细小针孔，针孔位置靠近线路绝缘子两侧随机分布。雷电冲击闪络过后，接续的工频短路电流会沿雷电放电通道起弧燃烧，高压端弧根始于针孔处，虽受电磁力作用但因绝缘层的阻碍，固定在针孔位置无法移动，高温弧根被固定在绝缘层的击穿点灼烧，产生局部过热；又由于绝缘层的隔热作用，电弧不易扩散，加剧了芯线的过热，直至烧熔，这样在极短的时间内导线极易被整齐地烧断，如图1所示。

图1架空绝缘导线断裂分析示意图

运行经验和研究结果表明：导致架空绝缘线路断线的根本因素是雷击闪络后的工频续流电弧；雷击断线故障一般发生在距离线路绝缘子附近约0-400mm的范围内的架空绝缘导线上。采用裸导线的架空线路明显不同，在直击雷或感应雷过电压作用于裸导线引起绝缘子闪络时，瞬时的雷电流很大，时间很短；接续的工频短路电流电弧在电动力的作用下沿着导线表面不断滑移，不会集中在某一点燃烧，因此不会严重烧伤导线。这样，裸导线通常在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前就会引起断路器动作，切断电弧，这也是裸导线的断线故障率明显低于架空绝缘电缆的原因。因此本文提出了在绝缘子附近并联裸导线防止绝缘导线雷击断线的技术措施，如图2所示。将电弧弧根转移至裸导线上，绝缘导线并不会发生击穿，避免了雷击断线事故的发生。

图2并联裸导线的防雷击断线方法示意图

3电场分布仿真及分析

3.1数值仿真模型

本文选用型号为R8ET125L的线路柱式绝缘子和型号为JKLGYJ-50/8的架空绝缘导线作为样品进行电场分布仿真计算，绝缘子参数如表4.1所示，其中H为结构高度，h为电弧距离，D1为大伞直径，D2为小伞直径，绝缘子结构如图3所示。架空绝缘导线技术参数如表2所示，并联裸导线半径和材质与绝缘导线的内导体半径一致。

仿真模型各部分涉及的相关仿真参数根据表3所示的材料性能参数进行设置。在静电场仿真中，材料的相对介电常数（εr）是必须设置的参数，我们一般认为金属导体的介电常数为无穷大，为计算的便利，本文取值为106，施加电压为200kV。

绝缘子附近电场沿着Y轴方向分布如图10所示。从图10中可知，在Y轴方向上，在接近于绝缘子表面处，绝缘子两端的电场强度高，不论是绝缘导线还是裸导线，电场分布呈现处中间高，两端低的特征，这也说明电场强度以绝缘子为中心，随着距离绝缘子的距离增加，电场强度逐渐降低，呈现出以绝缘子为中心对称分布的特征。在绝缘子中心处出现的电场强度下降的情况是由于绝缘子的陶瓷部分的介电常数大于空气的介电常数。在绝缘子的顶部位置，当距离绝缘子中心为400mm处的电场强度约为最大电场强度的25%。由于介质中的电场强度越强越容易发生击穿，因此在这一部分区域极易发生击穿现象，这与实际的雷击断线位置的统计结果是一致的。

4结论

本文通过仿真研究表明：并联裸导线对绝缘子和绝缘导线附近的电场分布具有显著的影响，尤其是当并联导线与绝缘子表面接触时，这种影响最为显著。当并联导线与绝缘子表面接触时，导线周围的电场强度均大于空气击穿的强度，因此裸导线附近的空气极易发生击穿。绝缘子附近的电场分布是以绝缘子为中心，呈现对称分布的特征，随着距离绝缘子距离的增加，电场强度逐渐减小，当距离达到400mm时，电场强度可能降低到绝缘子表面附近最高电场强度的25%左右，因此当绝缘导线并联裸导线时，极易在裸导线上距离绝缘子中心约0-400mm的范围内发生击穿，保护了绝缘导线不发生击穿，从而避免了断线事故的发生。

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