多重雷繞擊750 kV同塔雙回線的事故分析

韓彥華，鄧軍波，高 峰，齊衛(wèi)東，張 鵬，張冠軍

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安710054；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安710049）

多重雷繞擊750 kV同塔雙回線的事故分析

韓彥華1，鄧軍波2，高 峰1，齊衛(wèi)東1，張 鵬1，張冠軍2

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安710054；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安710049）

利用PSCAD/EMDTC電磁暫態(tài)仿真軟件對一起750 kV同塔雙回輸電線路跳閘的事故進行了仿真分析，結(jié)合現(xiàn)場的錄波圖確定了事故產(chǎn)生的原因為多重雷電繞擊輸電線路引起的繼電保護動作閉鎖了單相重合閘，后續(xù)雷擊引發(fā)的單相對地閃絡(luò)導(dǎo)致了線路跳閘。針對本次事故原因提出繼電保護動作之前對雷電過電壓的特征進行分析，以確定是否需要采取單相跳閘。

輸電線路；雷電繞擊；電磁暫態(tài)；單相自動重合閘

0 引言

雷電一直是影響輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要因素之一，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對此展開了廣泛而深入的研究[1-6]。在我國，雷擊引起的高壓線路跳閘次數(shù)占線路總跳閘次數(shù)的40%～70%[7-8]。隨著電壓等級的提高，線路的絕緣水平隨之提高，雷電直擊

塔頂或避雷線造成的危險程度不斷下降。但是桿塔的高度也隨之提高，繞擊的可能性也越來越大。一旦發(fā)生繞擊，線路上會出現(xiàn)非常高的過電壓，可能會造成絕緣子閃絡(luò)，或者沿線傳播至線路兩端，造成繼電保護的動作，進而導(dǎo)致線路跳閘，影響供電的可靠性[9]。

750 kV同塔雙回輸電線路，由于其桿塔非常高，很容易遭受雷擊。2014年7月13日，西北電網(wǎng)的750 kV同塔雙回輸電線路橫洛I線發(fā)生雷擊跳閘事故。該條線路在2013年7月14日也曾出現(xiàn)類似的跳閘事故。雷擊跳閘事故的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了供電的可靠性。

由于750 kV同塔雙回線路輸送的容量非常大，一旦發(fā)生跳閘，不僅會造成大面積停電和經(jīng)濟損失，還會對電網(wǎng)的安全運行造成巨大的沖擊，有可能造成系統(tǒng)解列的嚴(yán)重后果。例如北美大停電就發(fā)生在2003年8月的夏季負(fù)荷高峰時期，由于3條345 kV的輸電線路相繼因為各種不可預(yù)測的環(huán)境因素發(fā)生了跳閘事故，最后造成了整個電網(wǎng)的崩潰，據(jù)估算，該次停電造成的損失在500億美元左右。對于750 kV輸電線路來說，其輸送的容量甚至?xí)^3條345 kV輸電線路。一旦發(fā)生跳閘，對電網(wǎng)的巨大沖擊力不可輕視。另外，由于雷電活動范圍比較大，如果線路設(shè)計不合理，極有可能造成一條750 kV線路在雷電跳閘沒有恢復(fù)供電之前，發(fā)生另一條750 kV線路跳閘，或者發(fā)生同塔雙回線路的兩回路跳閘，這種概率雖然較低，但是也有可能發(fā)生。一旦發(fā)生這種情況，其巨大的損失無法彌補。因此通過電磁暫態(tài)仿真重現(xiàn)事故的真實過程，找到事故產(chǎn)生的根本原因，提出合理的解決策略顯得十分迫切。

1 事故發(fā)生過程簡介

洛橫線為750 kV同塔雙回線路，線路長度為269 km，每回線路兩端均裝有100 Mvar的電抗器，見圖1。2014年7月13日18時36分32秒，7117洛橫I線縱聯(lián)差動保護動作，故障相別為A相，36 ms后榆橫側(cè)A相開關(guān)跳閘，86 ms后橫洛I線電抗器保護零序比例差動啟動，120 ms后B、C相開關(guān)跳閘。故障時刻的錄波見圖2，在T1時刻，線路A相電壓和電流波形均出現(xiàn)了高幅值的沖擊震蕩波，B、C相同時也出現(xiàn)了較低幅值的沖擊震蕩波；A相電壓波形圖在T1～T9時刻均出現(xiàn)了幅值不等的高頻衰減震蕩波；三相電流分別在Ta、Tb、Tc時刻降為0。

圖1 750 kV同塔雙回洛橫線路示意圖Fig.1 750 kV double circuit Ruo-Heng transmission line

圖2 雷擊線路故障錄波圖Fig.2 Wave of the lightning fault of transmission line

以首次遭受雷擊的時刻T1為時間零點，通過檢查繼電保護設(shè)備的動作情況，畫出了開關(guān)的開關(guān)動作時序，如圖3所示，洛川變側(cè)的開關(guān)動作時刻均晚于榆橫變側(cè)，說明雷擊點在靠近榆橫變的地方。

圖3 開關(guān)的動作時序Fig.3 Time sequence of the switching

圖4為線路所經(jīng)過區(qū)域的地形圖，這是典型的黃土高原地形，線路所經(jīng)過區(qū)域溝壑縱橫，還有較多的坡地，常常會出現(xiàn)地面傾角較大的情況，由于地面的屏蔽作用減弱，可能會遭受較大雷電流繞擊線路的情況。在遭受繞擊之后，絕緣子可能因為過電壓較高而閃絡(luò)，但是由于750 kV絕緣子串本身的閃絡(luò)電壓高，也可能會出現(xiàn)絕緣子不閃絡(luò)，但是有較大的雷電流在線路中向兩側(cè)傳播的情況。

圖4 線路所在區(qū)域的地形圖Fig.4 Regional geography of the transmission line pass through

2 事故原因分析

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，本次事故是由多次雷擊造成的，所謂多次雷擊，是指我們看到的一次雷云放電都是由多次雷擊構(gòu)成的，每次雷擊相隔數(shù)十ms至數(shù)百ms。雷云放電的機理和發(fā)展過程在高電壓技術(shù)相關(guān)的教材上都有描述，如圖5所示[10-11]。

雷電的多次放電會走同一個通道，其原理可用圖5（a）來解釋：雷云中的電荷分布往往并不均勻，形成若干個電荷密集中心，每個電荷中心的電荷為0.1～10 C。通常負(fù)電荷中心離地面較近，正電荷中心離地面較高。一次對地雷擊時，雷電通道由于強烈的放電，產(chǎn)生了大量的正負(fù)電荷，電子移動速度快，迅速通過放電通道瀉入大地，而正電荷移動速度慢，在一次放電結(jié)束后的短時間內(nèi)，放電通道依然存在大量的正電荷。雷擊伴隨的閃光會觸發(fā)附近的負(fù)電荷中心對通道遺留的正電荷放電，使得負(fù)電荷和正電荷發(fā)生強烈的復(fù)合效應(yīng)，原來放電通道遺留的正電荷會誘導(dǎo)二次雷擊走同樣的通道。在每次雷云放電之后，地面上可以測到如圖5（b）所示的雷電流。

圖5 多次雷擊的發(fā)展示意圖Fig.5 The development of continuous lightning stroke

在圖2的故障錄波圖中，A相電壓波形在T1～T9時刻發(fā)生多次暫態(tài)過程，其中高頻震蕩來自于雷云放電注入到了輸電線路中，也就是發(fā)生了雷擊導(dǎo)線的情況。在這些雷擊中，有些對輸電線路的沖擊較大，甚至造成了跳閘、對地閃絡(luò)等后果，比如T1、T2、T7時刻的雷擊，為了便于后面的分析，分別被稱為第一、第二次和第三次雷擊；有些雷擊影響較小，沒有帶來大的后果，只表現(xiàn)為一次電壓或電流的高頻沖擊，在本文中被忽略不計。

多重雷擊輸電線路的事例在國內(nèi)文獻(xiàn)中也有記載，2008年7月30日，廣東省220 kV北石乙線A相發(fā)生了開關(guān)爆炸事故[12]。北石乙線A相遭第一次雷擊40 ms后線路A相兩端開關(guān)跳閘，隨后單相重合閘開始啟動，但是單相重合閘需要經(jīng)過800 ms才能出口。在340 ms時刻A相再次遭受雷擊并引發(fā)了對地閃絡(luò)，形成單相接地故障，并造成了線路開關(guān)A相發(fā)生爆炸。

3 仿真模型建立

為了模仿事故發(fā)生的經(jīng)過，筆者針對該輸電線路建立了PSCAD/EMTDC仿真模型。模型的具體建立過程如下。

3.1 線路參數(shù)

系統(tǒng)額定電壓750 kV，最高運行電壓800 kV；架空地線為6分裂鋼芯鋁絞線；導(dǎo)線橫截面積400 mm2；導(dǎo)線型號為6×LGJ-400/50，子導(dǎo)線分裂間距400 mm；絕緣子長度通常為6.29～9.73 m，分幾個類型，依據(jù)線路所處污穢等級、海拔高度不同而不同。年雷電日取40。桿塔段的等效示意圖見圖6。

圖6 桿塔段的等效示意圖Fig.6 Equivlent diagram of tower section

3.2 計算模型

國外一些學(xué)者在試驗基礎(chǔ)上提出了超高壓線路桿塔的多波阻抗模型，該模型雖然考慮了波在桿塔上的傳播過程，并根據(jù)這一特點，將桿塔分割成幾個部分來模擬，建立了更精確的模型，但仍未考慮桿塔不同部位波速的變化[13-15]。本文模型采用的是基于桿塔多波阻抗模型，桿塔不同位置采用不同視在波速的桿塔模型。750 kV直線型桿塔為多導(dǎo)體系統(tǒng)，按幾何結(jié)構(gòu)可分為多段，假定每一部分分布均勻，根據(jù)各部分幾何尺寸便可以計算出波阻抗。每段桿塔的等效阻抗可以采用IEEE和CIGRE推薦的方法計算得到[16-19]：

式中：H為桿塔高度；R為桿塔的等效半徑，可按R=（r1h2+r2H+r1h2）/H計算；r1為塔頂半徑；r2為塔中半徑；r3為塔基半徑；h1為塔基到中點的高度；h2為中點到塔頂?shù)母叨取?/p>

由于橫擔(dān)的存在，增加了桿塔的對地總電容，桿塔中的視在波速v＜c（光速）。國內(nèi)外實測到的桿塔v一般在（0.7～1.0）c，橫擔(dān)越長，v越低，據(jù)實測，v可估算為

式中：ht為桿塔高度；lh為避雷線橫擔(dān)長度。

3.3 閃絡(luò)判據(jù)

閃絡(luò)判據(jù)采用相交法，即通過比較絕緣子串上的過電壓波形U（t）和絕緣子串的50%沖擊放電伏秒特性U-t曲線是否相交來判斷絕緣子串是否了發(fā)生閃絡(luò)[16]，如圖7所示。

圖7 絕緣子上的雷電過電壓與閃絡(luò)伏秒特性比較Fig.7 The comparement of the lighning overvoltage and the U-t characteristic curve

4 仿真分析與結(jié)果討論

4.1 第一次雷擊

針對以上情況，對A相遭受一次雷擊的情況進行了仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿真得到的A相雷擊的波形圖Fig.8 Waveform when conductor A was stroken

仿真結(jié)果能夠很好地吻合現(xiàn)場錄波圖，證明該事故是由于雷擊線路A相引起的。根據(jù)縱聯(lián)差動保護的動作原理，線路兩端的不平衡電流超過某一個閾值時，就會啟動差動保護，如果一旦啟動差動保護，單相重合閘就會被閉鎖。單相跳閘后，由于零序電流過大，并聯(lián)電抗器的零序比例差動保護就啟動。

4.2 第二次雷擊造成A相對地閃絡(luò)

A相在T2時刻降為0，表明A相發(fā)生了對地短路。這個特征和四川電力試驗研究院在萬龍線單相瞬時人工接地試驗報告中描述的一致，圖9為川電東送系統(tǒng)調(diào)試時500 kV萬龍線C相瞬時人工接地試驗萬縣側(cè)C相故障波形圖[20]。故障點在萬縣側(cè)，故障發(fā)生時電壓接近過零點，直流分量最大，約為200 A。46 ms后萬縣側(cè)C相開關(guān)跳開，10 ms后龍王側(cè)C相跳開，高抗C相電流直流分量約在故障后184 ms衰減至0。184 ms后故障消失，能量在線路的儲能元件構(gòu)成的振蕩回路中振蕩，出現(xiàn)了震蕩波。

圖9 萬龍線C相瞬時人工接地試驗故障波形Fig.9 Experimental waveform when conductor C was artificically grounded

圖9的單相人工接地波形與本次事故T2時刻后的波形非常相似，可以懷疑本次是由于雷擊導(dǎo)致單相接地造成的，為了進一步驗證該猜想，對本線路遭受雷擊造成單相接地過程進行了仿真，仿真得到的波形如圖10所示，該波形事故錄波和四川電科院的試驗波形非常吻合，證明了此次雷擊造成了A相對地閃絡(luò)。第2次雷擊之所以會造成對地閃絡(luò)，是因為此時榆橫變側(cè)的線路斷路器處于打開狀態(tài)，雷電波傳播到開關(guān)斷口處會發(fā)生正的反射，抬高雷電過電壓幅值，從而引起絕緣對地閃絡(luò)。

4.3 第3次雷擊造成A相對地閃絡(luò)

從錄波圖中可以看出，第3次雷擊與第2次雷擊性質(zhì)相同，均為雷擊造成A相絕緣子閃絡(luò)，使A相發(fā)生單相接地故障。

4.4 討論

經(jīng)過仿真的雷擊和繼電保護動作的全過程，并參考了大量的相關(guān)研究文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)本次事故過程中的線路設(shè)計和繼電保護具有以下幾點需要考慮和改進的地方。

圖10 仿真A相遭受繞擊對地閃絡(luò)時的波形Fig.10 Waveform when conductor A was stroken and flashover to ground

第一次雷擊后線路單相跳閘，使得線路中出現(xiàn)較大的零序分量，繼電保護通過判斷零序分量，啟動了過電量保護，閉鎖了單相重合閘。以至于系統(tǒng)幾次嘗試單相重合閘都被拒絕。過電量保護啟動的過早，應(yīng)該留一定時間給單相重合閘，只有在單相重合閘不成功的時候才閉鎖。事實上仿真發(fā)現(xiàn)，此時如果使用單相重合閘能夠迅速結(jié)束系統(tǒng)的過渡過程，線路恢復(fù)正常。

由于線路斷路器打開，使得第二次雷擊時，雷電過電壓在開關(guān)斷口處發(fā)生正的全反射，抬升了雷擊點的過電壓，使得線路很容易發(fā)生單相接地閃絡(luò)。

雷電是短時性故障，如果開關(guān)不動作，過電壓和雷電流會逐漸衰減消失。仿真結(jié)果也證明在開關(guān)不動作的情況下，雷擊引起的暫態(tài)過程會在20 ms內(nèi)消失。這個時間小于開關(guān)得到啟動信號并完成跳閘的時間，也就是說，開關(guān)動作對雷電暫態(tài)過程來說是完全不起作用的。開關(guān)的動作總是在雷電暫態(tài)完成之后的。

對于雷電引起的過電壓來說，單相跳閘并不能起到保護線路和站內(nèi)設(shè)備的作用。因此針對本次事故產(chǎn)生的原因提出繼電保護動作之前對雷電過電壓的特征進行分析，以確定是否需要采取單相跳閘，類似的故障波特征分析方法在許多文獻(xiàn)里多有論述[21-22]，本文不再展開。

5 結(jié)論與建議

針對陜西電網(wǎng)750 kV同塔雙回線路洛橫線多次發(fā)生雷擊跳閘事故，仿真了其真實的物理過程，對于輸電線路防雷給出合理的過程分析，具體如下：

1）事故包括3次雷擊過程，雷擊點為同一點。

2）第一次沒有造成絕緣子串閃絡(luò)，但是引發(fā)了縱聯(lián)差動保護動作和電抗器過電量保護動作，并造成單相重合閘閉鎖。

3）由于開關(guān)處于打開狀態(tài)，因此第2次雷擊造成了絕緣子串閃絡(luò)。

4）第3次雷擊使絕緣子串再次閃絡(luò)。

針對前節(jié)的分析，給出以下建議：

1）合理設(shè)定三相閉鎖時間，給單相重合閘留出動作時間。

2）建議在繼電保護動作之前對雷電過電壓的特征進行分析，發(fā)現(xiàn)是雷擊引起的暫時性故障時，啟動單相重合閘。

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Fault Analysis on 750 kV Double-Circuit Transmission Line due to Multi Shielding Failure

HAN Yanhua1，DENG Junbo2，GAO Feng1，QI Weidong1，ZHANG Peng1，ZHANG Guanjun2
（1.Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi′an 710054，China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

By using electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMDTC，an accident of line tripping on double-circuit transmission line is analyzed.Combined with the scene recorded wave map，it is found that the multi shielding failure on the conductor causes the relay operation which blocked the single-phase auto-reclosing，and the subsequent lightning strike causes the higher overvolt?age and induced single conductor to ground flashover and tripping.To solute this problem，it is proposed to analysis the characteristics of lightning stroke and to evaluate the necessity of single phase tripping.

transmission line；shielding failure；electromagnetic transient；single-phase auto-re?closing

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.001

2016-08-31

韓彥華（1975—），男，博士，高級工程師，現(xiàn)從事氣體中沿面放電測量，雷電防護等研究工作。

國家自然科學(xué)基金（編號：51577150）。