220 kV同塔線路雷擊同跳故障分析及防治措施

彭向陽(yáng)，金 亮，王 銳，黃 振，周 原， 郭泉輝

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)公司研究生工作站，廣州 510080；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司，南昌 330077）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，用電需求不斷增大，對(duì)供電安全和質(zhì)量要求不斷提高[1]。超特高壓輸電技術(shù)解決了經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電力供應(yīng)的要求，我國(guó)也建成超特高壓輸電網(wǎng)，這些主干網(wǎng)絡(luò)源源不斷為我國(guó)工業(yè)化發(fā)展提供能源，保證其安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

雷擊是引發(fā)架空輸電線路跳閘停電的最主要的原因[2-6]，架空線路暴露在大氣中，往往處于突出暴露地形，遭受雷擊的概率較大。同時(shí)，為節(jié)約線路走廊占地，110 kV及以上線路往往采用同塔雙回或多回架設(shè)，相互間有較強(qiáng)耦合作用，其中一回發(fā)生雷擊跳閘，往往導(dǎo)致多回同跳[7-9]。同塔線路跳閘可能造成單供變電站、鐵路牽引站或重要用戶失壓，對(duì)電網(wǎng)供電可靠性造成較大危害。

廣東電網(wǎng)地處我國(guó)東南部，屬于雷暴多發(fā)區(qū)，對(duì)于同塔多回線路防雷的要求更加迫切[10]。廣東電網(wǎng)在2010—2015年期間，110 kV、220 kV同塔線路遭雷擊發(fā)生同時(shí)跳閘事件占雷擊跳閘總數(shù)的15%～30%，更發(fā)生多起220 kV同塔線路雷擊同跳且重合閘失敗的“N-2”事件，對(duì)供電安全具有極大影響，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，廣東電網(wǎng)公司為解決同塔線路雷擊同跳事件，大力推行差異化防雷措施[11]，同塔線路同跳事件逐年減少。500 kV及以上同塔多回線路由于線路耐雷水平較高，很少發(fā)生雷擊同跳情況。

筆者研究220 kV同塔多回線路雷擊同跳故障及防護(hù)措施，總結(jié)和對(duì)比分析廣東電網(wǎng)近年來(lái)同塔線路雷擊同跳情況，采用差異化防雷改造措施前、后線路雷擊跳閘情況，分析各種差異化防雷措施對(duì)防治雷擊同時(shí)跳閘的效果，為多雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)同塔多回線路防雷保護(hù)提供參考。

1 220 kV線路雷擊跳閘分析

1.1 雷擊跳閘總體情況

2013年以來(lái)，廣東電網(wǎng)220 kV架空線路雷擊跳閘情況見(jiàn)表1，其中同塔線路發(fā)生雷擊同跳76次，重合閘成功54次，重合成功率71.1%，重合成功率較低原因主要是220 kV及以上線路重合閘配置一般為單相重合閘方式，當(dāng)線路出現(xiàn)兩相或三相故障時(shí)，重合閘為閉鎖狀態(tài)。

表1 220 kV同塔線路雷擊跳閘情況Table 1 Lightning trip of 220 kV multi-circuit line

1.2 雷擊同時(shí)跳閘情況

2016年6—7月，220 kV同塔線路發(fā)生雷擊同時(shí)跳閘14次，重合閘成功9次，重合閘閉鎖5次，跳閘情況見(jiàn)表2，雷電定位系統(tǒng)顯示，故障雷電流幅值均大于130 kA，故障原因?yàn)槔纂姺磽魧?dǎo)致同塔雙回線路絕緣同時(shí)閃絡(luò)。

表2 220 kV線路2016年6-7月雷擊同時(shí)跳閘情況Table 2 Simultaneous lightning trip-out of 220 kV lines from June 2016 to July

1.3 雷擊跳閘與雷電活動(dòng)相關(guān)性分析

2016年6月廣東省地閃219266次，正負(fù)極性雷電流平均值分別為23.48 kA、-34.26 kA。2015年同期地閃279800次，正負(fù)極性雷電流平均值分別為17.65 kA、-26.54 kA。2016年6月地閃次數(shù)與2015年同期基本處于同等水平，但雷電流幅值水平明顯高于2015年，正極性雷電流均值比2015年高33%，負(fù)極性雷電流均值比2015年高30%。此外，2016年100 kA及以上雷電流幅值累積概率為3.14%，為2015年1.35%的2倍以上。

線路雷擊跳閘次數(shù)與地閃密度相關(guān)性見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)每年線路雷擊跳閘次數(shù)與地閃密度存在較為一致的變化規(guī)律，即雷擊跳閘次數(shù)與雷電強(qiáng)度存在較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖1 線路雷擊跳閘與地閃密度關(guān)系Fig.1 Relationship between lightning stroke trip and ground lightning density

雷擊跳閘率與高幅值雷電流（大于100 kA）的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)二者變化規(guī)律基本一致，個(gè)別年份變化趨勢(shì)不一致，原因?yàn)槔讚籼l率除與雷電流幅值水平有關(guān)外，還與線路防雷措施實(shí)施情況以及不同投運(yùn)年限線路絕緣配置存在差異等因素有關(guān)。

圖2 雷擊跳閘率與大于100 kA雷電流概率關(guān)系Fig.2 Relationship between lightning trip probability and lightning current probability greater than 100 kA

2 220 kV同塔線路典型雷擊同跳故障分析

2.1 雷擊跳閘情況

220kV康睦線由220kV康州站至220kV睦崗站，220 kV都睦線由220 kV都楊站至220 kV睦崗站，康睦線44—136號(hào)與都睦線27—119號(hào)為同塔雙回架設(shè)。

2016年7月5日16時(shí)00分28秒，都睦線A、C相接地故障，三相跳閘，重合閘閉鎖；同時(shí)，康睦線A、C相接地故障，三相跳閘，重合閘閉鎖。

查線發(fā)現(xiàn)都睦線69號(hào)塔A、C相復(fù)合絕緣子均壓環(huán)有閃絡(luò)痕跡；康睦線86號(hào)塔A、C相復(fù)合絕緣子均壓環(huán)有閃絡(luò)痕跡（都睦線69號(hào)塔與康睦線86號(hào)塔為同塔），見(jiàn)圖3。故障桿塔接地電阻實(shí)測(cè)值為12.3 Ω（設(shè)計(jì)值30 Ω）；都睦線和康睦線三相異相序垂直排列，都睦線上中下相分別為B、A、C相，康睦線上中下相分別為B、C、A相。

圖3 故障桿塔雷擊放電情況Fig.3 Lightning discharge of fault tower

兩條線路近3年雷擊跳閘情況見(jiàn)表3，共發(fā)生7次雷擊跳閘，線路雷擊跳閘率高于廣東電網(wǎng)220 kV線路平均值。

表3 都睦線和康睦線近3年雷擊跳閘情況Table 3 Lightning trip of Doumu line and Kangmu line in the last three years

2.2 雷擊同跳故障分析

2.2.1 線路雷擊情況

雷電定位系統(tǒng)顯示，故障時(shí)刻故障桿塔附近（都睦線68—69號(hào)塔、康睦線85號(hào)—86號(hào)塔）發(fā)生一次地閃，雷電流幅值-132.1 kA，高于一般220 kV同塔線路雙回閃絡(luò)耐雷水平。

康睦線故障桿塔為87號(hào)塔，故障相為A、C相。都睦線故障桿塔為70號(hào)塔，故障相為A、C相。因此，可確認(rèn)雷擊故障性質(zhì)為雷電反擊。

2.2.2 故障錄波分析

故障錄波見(jiàn)圖4，為睦崗站220 kV都睦線、康睦線故障錄波，兩條線路為同一時(shí)刻發(fā)生雷擊跳閘（短路電流起始時(shí)刻一致），故障相均為A、C相，故障時(shí)刻A、C相電壓在0.5倍的相電壓正峰值附近，B相在相電壓負(fù)峰值附近。

圖4 線路故障錄波情況Fig.4 Line fault waveform recording

2.2.3 故障原因分析

220 kV都睦線69號(hào)（康睦線86號(hào)）桿塔遭受較強(qiáng)雷電流（-132.1 kA）直擊，造成都睦線和康睦線雷電反擊跳閘。都睦線和康睦線均為A、C相（均處于中相和下相）閃絡(luò)原因，與都睦線和康睦線三相導(dǎo)線的排列方式、故障時(shí)刻的導(dǎo)線電位有關(guān)，即A、C相絕緣子兩端的電位差比B相大，A、C相先發(fā)生閃絡(luò)，引起故障跳閘。

220 kV都睦線和康睦線部分桿塔進(jìn)行了差異化防雷改造，其中在康睦線84—136號(hào)（都睦線67—119號(hào)）選擇9基桿塔安裝了線路避雷器（采取回路間差絕緣方式），而故障桿塔康睦線69號(hào)塔（都睦線86號(hào)塔）未安裝線路避雷器。

2.4 雷擊故障仿真分析

2.4.1 計(jì)算模型

為評(píng)估故障桿塔實(shí)際耐雷水平，重現(xiàn)故障過(guò)程，考慮故障時(shí)刻運(yùn)行條件，利用ATP-EMTP軟件進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真[12-13]。故障桿塔呼稱高度31 m，采用多波阻抗模型等效，復(fù)合絕緣子電弧距離2200 mm，絕緣子模型采用先導(dǎo)傳播模型作為閃絡(luò)判據(jù)，雷擊點(diǎn)桿塔前后檔距取400 m，線路用LCC傳輸線模型，仿真模型見(jiàn)圖5。

圖5 ATP仿真模型Fig.5 Simulation model of ATP

根據(jù)故障時(shí)刻三相電壓波形，設(shè)置三相導(dǎo)線電壓相位，B相處于負(fù)峰值，導(dǎo)線排列順序?yàn)槎寄谰€（甲線）上、中、下相分別為B、A、C相，康睦線（乙線）上、中、下相分別為B、C、A相，同塔線路導(dǎo)線排列相序見(jiàn)圖6。

圖6 同塔線路導(dǎo)線排列相序Fig.6 The phase conductor arrangement of multi-circuit line

2.4.2 計(jì)算結(jié)果

研究中選取1.2/50 μs和2.6/50 μs兩種雷電流波形，計(jì)算接地電阻為8 Ω、12.3 Ω（實(shí)測(cè)值）、16 Ω、20 Ω和24 Ω時(shí)，220 kV雙回線路四相閃絡(luò)耐雷水平和閃絡(luò)相別見(jiàn)表4和表5。

表4 雷電流波頭1.2 ms的計(jì)算結(jié)果Table 4 Result of lightning current wavefront of 1.2 ms

表5 雷電流波頭2.6 ms的計(jì)算結(jié)果Table 5 Result of lightning current wavefront of 2.6 ms

計(jì)算表明，雷電反擊導(dǎo)致同塔線路雙回四相閃絡(luò)時(shí)，都睦線（甲線）A、C相及康睦線（乙線）A、C相首先發(fā)生閃絡(luò)，這與實(shí)際雷擊故障閃絡(luò)相別一致，說(shuō)明仿真結(jié)果可信度較高。

本次線路雷擊雙回四相閃絡(luò)時(shí)，實(shí)測(cè)桿塔工頻接地電阻12.3 Ω、雷電流-132.1 kA，計(jì)算表明，雷電流波頭1.2 μs時(shí)，耐雷水平為-93 kA，雷電流波頭2.6 μs時(shí)，耐雷水平為-109 kA，均低于本次線路實(shí)際雷擊電流幅值。因此，220 kV都睦線和康睦線雷電反擊同時(shí)跳閘不可避免[14-15]。

3 同塔線路防雷措施及防雷有效性

3.1 同塔線路防雷策略

為防治同塔多回線路雷擊同跳事件，編寫(xiě)了110～500 kV交流架空同塔多回輸電線路防雷技術(shù)導(dǎo)則，對(duì)同塔線路防雷工作進(jìn)行規(guī)范，根據(jù)地形地貌差異、桿塔結(jié)構(gòu)、雷電活動(dòng)情況、電壓等級(jí)、運(yùn)行條件等差異，采取差異化防雷措施。

主要防雷策略：在繼續(xù)重視降低接地電阻、加強(qiáng)線路絕緣、減小地線保護(hù)角等基礎(chǔ)防雷措施基礎(chǔ)上，重點(diǎn)采取回路間不平衡絕緣方案。110 kV、220 kV同塔線路規(guī)模較大、反擊耐雷水平較低，雷擊同跳現(xiàn)象嚴(yán)重，宜采用不平衡絕緣配置降低雷擊同跳率；500 kV同塔線路反擊耐雷水平較高，雷擊同跳很少，宜采用平衡高絕緣配置[16]。

3.2 同塔線路防雷改造

截至2016年，廣東電網(wǎng)共完成110 kV及以上14053基同塔線路桿塔的防雷改造，其中220 kV線路5330基，110 kV線路8043基。計(jì)劃2017年完成23068基同塔線路桿塔防雷改造。

主要防雷措施及改造規(guī)模：1）加裝線路避雷器，改造220 kV桿塔4368基、110 kV桿塔5199基；2）增加絕緣子片數(shù)或采用較長(zhǎng)干弧距離復(fù)合絕緣子，改造220 kV桿塔867基、110 kV桿塔2744基；3）加裝絕緣子并聯(lián)間隙，改造220 kV桿塔95基，110 kV桿塔100基。

3.3 同塔線路防雷措施有效性

3.3.1 防雷改造整體效果

目前線路差異化防雷改造，大多數(shù)采取選點(diǎn)（個(gè)別桿塔）或區(qū)段進(jìn)行改造，針對(duì)全線逐基桿塔進(jìn)行改造的情況較少。故選取較為集中實(shí)施了差異化防雷改造的109條110 kV及以上同塔線路進(jìn)行防雷改造成效分析。其中包括采取加裝線路避雷器改造線路69條，采取增加絕緣子不平衡絕緣改造線路30條，同時(shí)采取增加絕緣子及線路避雷器改造線路10條。

針對(duì)上述109條同塔線路改造前3年（2011—2013）及改造后3年（2014—2016）雷擊跳閘數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表6。改造前3年，雷擊跳閘293條次，雷擊同跳128條次，雷擊同跳占比43.7%；改造后3年，雷擊跳閘57條次，雷擊同跳20條次，雷擊同跳占比35.1%?？梢?jiàn)，改造后雷擊跳閘總數(shù)以及同塔線路同跳次數(shù)明顯減少，絕大部分雷擊同跳發(fā)生在未改造區(qū)段，安裝了線路避雷器的桿塔未發(fā)生同跳事件。

表6 不同防雷措施防治雷擊同跳效果Table 6 Effect of different lightning protection measures

不同電壓等級(jí)線路進(jìn)行防雷改造后防雷效果見(jiàn)表7?？梢?jiàn)，220 kV線路采取差異化防雷措施后雷擊同跳比例下降52.7%，110 kV線路雷擊同跳比例下降18.3%；220 kV線路比110 kV線路雷擊同跳比例下降更明顯，原因?yàn)?20 kV線路防雷改造區(qū)段長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)度比例更大。

表7 不同電壓等級(jí)線路防治雷擊同跳效果Table 7 Effect of different voltage lines

因此，上述同塔線路改造前后雷擊跳閘及雷擊同跳數(shù)據(jù)能夠說(shuō)明防雷改造對(duì)線路整體防雷效果十分顯著。由于缺少具體到桿塔的更詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，尚不能具體到桿塔對(duì)防治雷擊同跳效果進(jìn)行更加客觀說(shuō)明；如果按實(shí)施防雷改造的桿塔統(tǒng)計(jì)，防雷及防同跳效果會(huì)更好及更客觀。

3.3.2 防雷改造典型案例

220 kV海河甲乙線于2013年11月21日投產(chǎn)，全線同塔架設(shè)，甲線相序上中下分別為C、B、A相，乙線為A、B、C相。為單獨(dú)供廈深高鐵牽引站的同塔雙回架空線路，牽引站利用A、C取電，為高鐵接觸網(wǎng)供電，而B(niǎo)相不帶電，處于懸浮狀態(tài)。地線采用負(fù)的保護(hù)角。線路靠電源側(cè)為丘陵、山地，且附近曾經(jīng)有錫礦開(kāi)采，雷電活動(dòng)強(qiáng)烈。

主要采取了以下防雷改造措施：1）閑置B相導(dǎo)線置于上相作為耦合地線使用；2）全線普查，采取降低接地電阻措施；3）優(yōu)化線路避雷器的配置，重點(diǎn)在其中一回安裝；4）調(diào)整耐張塔跳線，增加跳線串絕緣子或加裝防風(fēng)偏絕緣子。

2014年9月底完成改造至今，共發(fā)生雷擊跳閘2次，無(wú)同跳發(fā)生，相比2014年跳閘次數(shù)顯著減少，且均為雷電繞擊乙線，因故障桿塔甲線安裝了線路避雷器，確保甲線未跳閘。改造前后線路雷擊跳閘情況見(jiàn)表8。

表8 防雷改造前后雷擊跳閘對(duì)比Table 8 Lightning trip comparison of before and after lightning protection

4 結(jié)論

對(duì)廣東電網(wǎng)220 kV同塔多回線路雷擊閃絡(luò)及雷擊同時(shí)跳閘事件進(jìn)行研究分析，線路雷擊跳閘次數(shù)與雷電地閃及高幅值雷電流頻次密切相關(guān)，連續(xù)強(qiáng)雷暴過(guò)程中，高幅值雷電流超過(guò)同塔線路雙回閃絡(luò)耐雷水平，產(chǎn)生雷電反擊，是導(dǎo)致雷擊同跳故障的直接原因，具體閃絡(luò)相別決定于雷擊時(shí)刻同塔線路各相的工頻電壓相位。

采取加裝線路避雷器、增加絕緣子片數(shù)等基于不平衡絕緣配置的防雷措施，對(duì)廣東電網(wǎng)110 kV、220 kV同塔多回線路進(jìn)行防雷改造，改造前、后各3年線路雷擊跳閘及雷擊同跳數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，采取差異化防雷措施可有效降低同塔線路雷擊跳閘和雷擊同跳故障，為我國(guó)多雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)同塔線路防雷保護(hù)提供了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。