1000kV特高壓同塔雙回架空輸電線路雷擊跳閘故障及防雷分析

謝 輝，劉 靜

國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥，230022

1000kV特高壓同塔雙回架空輸電線路雷擊跳閘故障及防雷分析

謝 輝，劉 靜

國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥，230022

為解決交流特高壓架空輸電線路因線路走廊環(huán)境多樣,網(wǎng)絡(luò)參數(shù)復(fù)雜，輸送距離遠(yuǎn)，桿塔高，引雷面積大而造成的易遭受雷擊的危險(xiǎn)，利用ATP-EMTP進(jìn)行特高壓線路耐雷水平計(jì)算，同時(shí)采用改進(jìn)的EGM電氣幾何模型，進(jìn)行反擊、繞擊跳閘率分析，提出特高壓同塔雙回線路繞擊風(fēng)險(xiǎn)最高相不同于超高壓同塔雙回線路，特高壓同塔雙回線路的中相導(dǎo)線在地線、上相導(dǎo)線、下相導(dǎo)線的屏蔽下，繞擊風(fēng)險(xiǎn)降低；而下相導(dǎo)線遠(yuǎn)離地面，地面對它的保護(hù)屏蔽作用減弱，造成下相導(dǎo)線的繞擊率提高，特別是在具有較大的傾斜角下，下山側(cè)的下導(dǎo)線暴露弧面加大，繞擊率顯著提高，因此應(yīng)采用不同于超高壓線路的防雷重點(diǎn)，兼顧考慮同塔雙回中、下相導(dǎo)線特別是上山坡側(cè)的下相導(dǎo)線為重點(diǎn)，采取防雷措施，以保證特高壓交流輸電線路安全運(yùn)行。

1 000 kV特高壓輸電線路；雷擊跳閘;EGM電氣幾何模型

1 000 kV特高壓交流輸線路廊大多穿過復(fù)雜的環(huán)境地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)復(fù)雜，輸送距離遠(yuǎn)，桿塔高，引雷面積大，易遭受雷擊的危險(xiǎn)[1-2]。在防雷保護(hù)設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)等方面，是否能夠?qū)?500 kV輸電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)直接推至1 000 kV輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及在運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少的情況下，如何針對雷害特點(diǎn)做好防雷工作，提出防雷策略，提高線路安全的可靠性是業(yè)界需要解決的問題。

本文分析了安徽省交流特高壓同塔雙回輸電線路一起雷擊跳閘故障，運(yùn)用ATP-EMTP進(jìn)行特高壓線路的耐雷水平計(jì)算，同時(shí)研究并改進(jìn)了EGM電氣幾何模型，進(jìn)行典型桿塔反擊、繞擊跳閘率分析，計(jì)算線路的防雷性能，確定防雷工作的重點(diǎn)，以保證特高壓交流輸電線路的安全運(yùn)行。

1 特高壓同塔雙回線防雷研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者對超、特高壓輸電線路的反擊與繞擊耐雷性能進(jìn)行了大量的理論與應(yīng)用研究，指出特高壓輸電線路雷擊有兩個(gè)特點(diǎn)[3-4]：(1)線路的絕緣水平很高，雷擊避雷線或者塔頂發(fā)生反擊閃絡(luò)的可能性較低；(2)線路桿塔較高，山區(qū)線路多，較易發(fā)生繞擊。因此，對于具有新特點(diǎn)的特高壓輸電線路防雷，不能完全照搬以往低電壓等級(jí)的研究成果。線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，500 kV及以上架空輸電線路雷擊跳閘的主要原因?yàn)槔@擊，桿塔的高度、地線保護(hù)角、桿塔所在地區(qū)的地形、地貌等地質(zhì)條件等均對雷電繞擊導(dǎo)線的概率產(chǎn)生影響[2]。

交流特高壓桿塔由于在設(shè)計(jì)時(shí)選擇較高的耐雷水平設(shè)計(jì)方案，因此在防雷保護(hù)方面沒有采取其他防雷措施，安徽省交流特高壓線路僅試點(diǎn)安裝一只線路避雷器。但在2016年發(fā)生一起雷擊跳閘故障，說明特高壓線路依然存在較大的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，需開展進(jìn)一步的研究。

2 跳閘概況

2016年，安徽省特高壓湖安線發(fā)生一起雷擊跳閘故障。1 000 kV湖安線途經(jīng)安徽、浙江兩省，線路在安徽境內(nèi)長度為114.163 km，桿塔228基(1#～228#)，2013年9月25日投入運(yùn)行，這是首次發(fā)生雷擊跳閘故障。2016年6月20日9時(shí)25分50秒，1 000 kV湖安Ⅱ線B相(同塔雙回左中相)故障跳閘，重合成功，故障相B相為中相，根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢，與跳閘時(shí)間同時(shí)有1次落雷位于142#桿塔前后，雷電流幅值為-56.0 kA。經(jīng)巡查，142#B相絕緣子、導(dǎo)線端均壓環(huán)上有明顯放電痕跡。

142#桿塔型號(hào)為SZC306，79.5 m，全高124.8 m；導(dǎo)線型號(hào)為8×LGJ-630/45鋼芯鋁絞線，右側(cè)地線采用JLB20A-240鋁包鋼絞線，左側(cè)光纜采用OPGW-240復(fù)合光纜。絕緣配置為雙聯(lián)I串復(fù)合絕緣子，型號(hào)為FXBW-1000/420，結(jié)構(gòu)高度9 000 mm，爬距32 000 mm。故障桿塔與前后5個(gè)基桿塔設(shè)計(jì)電阻值為30 Ω，雷害等級(jí)為C2級(jí)。故障區(qū)段平均海拔高度為105 m，主要地形為丘陵，B相導(dǎo)線的地線保護(hù)角為-10.85°。

根據(jù)現(xiàn)場絕緣子、導(dǎo)線均壓環(huán)上的放電痕跡，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)記錄，判斷此次故障原因?yàn)槔讚簟＿@是安徽省自特高壓交流線路投入運(yùn)行以來第一次出現(xiàn)雷擊跳閘故障，說明特高壓線路即使防雷設(shè)計(jì)水平高，依然存在雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)，有必要進(jìn)行相關(guān)的分析研究。

3 特高壓同塔雙回線防雷特性分析

本文采用ATP-EMTP進(jìn)行特高壓線路的耐雷水平計(jì)算，同時(shí)采用規(guī)程法、EGM電氣幾何模型進(jìn)行反擊、繞擊跳閘率分析[3]。

絕緣閃絡(luò)主要采用絕緣子串兩端出現(xiàn)的過電壓超過絕緣子串或空氣間隙的50%沖擊放電電壓方法作為判斷，當(dāng)雷電流滿足Imin>U50%/100，才可能出現(xiàn)閃絡(luò)，而根據(jù)安徽省輸電線路的實(shí)際運(yùn)行情況，由于受到污區(qū)、風(fēng)速、溫度等自然環(huán)境的影響，絕緣子串絕緣水平下降，在雷電流小于該Imin的情況下，也有可能發(fā)生雷擊跳閘故障。

3.1 反擊性能

采用典型直線塔SZC306進(jìn)行反擊耐雷水平和反擊跳閘率的計(jì)算。

典型桿塔的結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)線絕緣子串的干弧距離為9.8 m，桿塔呼高取63 m，導(dǎo)線弧垂取20 m，避雷線弧垂取18 m。

圖1 1000kV同塔雙回線路典型桿塔

運(yùn)用不同的計(jì)算方法，典型桿塔在不同桿塔接地電阻下的反擊跳閘率計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 1 000 kV特高壓同塔雙回桿塔的反擊耐雷性能

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，特高壓桿塔的反擊耐雷水平很高，同時(shí)降低接地電阻可有效提高桿塔反擊耐雷水平和反擊跳閘率。根據(jù)歷年雷電定位系統(tǒng)對落雷的統(tǒng)計(jì)，雷電流超過最小值的可能性非常低，近5年安徽省僅發(fā)生一起線路雷擊跳閘的雷電流超過135 kA。根據(jù)運(yùn)維單位記錄，安徽省特高壓線路桿塔的接地電阻一般在10 Ω以下，因此特高壓桿塔反擊風(fēng)險(xiǎn)低，不是防雷工作的重點(diǎn)。

3.2 繞擊性能

(1)規(guī)程法：根據(jù)DL/T620-1997 《交流電氣裝置的過電壓與絕緣配合》，線路繞擊耐雷水平為絕緣子50%放電電壓U50%/100，根據(jù)特高壓線路的絕緣配置可知，該線路繞擊耐雷水平約為47 kA。

(2)ATP-EMTP仿真計(jì)算：采用ATP-EMTP進(jìn)行電磁仿真計(jì)算，其中雷電流使用軟件自帶的雷電流源，為2.6/50 μs雷電流波，雷電通道波阻抗取300 Ω；桿塔模型采用多波阻抗模型，不僅考慮波在桿塔中的行進(jìn)過程，還考慮桿塔自身的結(jié)構(gòu)以及高度對地電容的變化；線路桿塔采用LCC建立Jmarti模型，考慮地線和導(dǎo)線間的耦合以及大地回路的集膚效應(yīng)，以提高計(jì)算精度。

采用電磁暫態(tài)仿真程序，結(jié)合桿塔、導(dǎo)線等具體參數(shù)，計(jì)算該基桿塔的繞擊耐雷水平為36～42 kA，低于規(guī)程法計(jì)算值。

(3)繞擊風(fēng)險(xiǎn)分析：電氣幾何模型是將雷電的放電特性與線路結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系而建立的一種幾何分析計(jì)算模型，雷電先導(dǎo)在達(dá)到被擊物體臨界擊距前擊中點(diǎn)是不確定的，先達(dá)到哪個(gè)物體的擊距之內(nèi)，就向該物體放電，雷電流對應(yīng)擊距可根據(jù)以下公式確定：

由電氣幾何模型獲得Imax后，線路繞擊率可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)電氣幾何模型的原理，112#號(hào)桿塔避雷線，上、中、下相導(dǎo)線掛點(diǎn)位置O0、O1、O2、O3如圖2所示。假設(shè)雷電流Is的擊距為rs，以rs為半徑，分別以避雷線和上、中、下相導(dǎo)線掛點(diǎn)位置為圓心作圓弧，當(dāng)雷電流較小時(shí)，對應(yīng)的擊距r較小(如如擊距為rs1)，此時(shí)避雷線僅對上導(dǎo)線有一定的屏蔽作用，中相導(dǎo)線和下相導(dǎo)線完全暴露在繞擊弧面上。隨著雷電流的增大，擊距r增加(如如擊距為rs2)，此時(shí)避雷線對上、中相導(dǎo)線均有屏蔽作用，上相導(dǎo)線對中相導(dǎo)線也有一定的屏蔽作用，中相導(dǎo)線對下相導(dǎo)線也具有一定的屏蔽作用[4]，擊中弧AskCsk，即擊中中相導(dǎo)線發(fā)生繞擊，擊中弧C0Csk，即下相導(dǎo)線發(fā)生繞擊，擊中A0Csk，則避雷線發(fā)生繞擊。

隨著雷電流的進(jìn)一步增加，以避雷線和下導(dǎo)線為圓心圓弧交于Am，以中導(dǎo)線和下導(dǎo)線為圓心圓弧交于Cm，當(dāng)雷電流再增加時(shí)，不會(huì)再發(fā)生繞擊。

根據(jù)上述分析可知，對于本基桿塔，上相導(dǎo)線基本處于避雷線和中相導(dǎo)線的保護(hù)范圍內(nèi)，繞擊概率極低，即便發(fā)生繞擊，繞擊雷電流低，不會(huì)對線路絕緣和機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)造成影響而跳閘。

中相導(dǎo)線處于上相、避雷線和下相導(dǎo)線的保護(hù)中，由圖2可以看出，中相導(dǎo)線的曝露繞擊弧面較小，即繞擊率較低。

由于特高壓桿塔呼高為84 m，去掉絕緣子結(jié)構(gòu)高度9 m，導(dǎo)線掛點(diǎn)距地面仍然有75 m，特別是本基桿塔處于山頂位置，地面傾斜角較大，由圖2可以看出，在可發(fā)生繞擊的雷電流內(nèi)，地面對下相導(dǎo)線的屏蔽作用可以忽略不計(jì)，因此，對本基桿塔來說，下相導(dǎo)線的繞擊風(fēng)險(xiǎn)最高。

圖2 特高壓桿塔改進(jìn)電氣幾何模型

采用EGM計(jì)算特高壓同塔雙回輸電線路的雷電繞擊性能[7]，線路繞擊跳閘率結(jié)果如表2所示。

表2 典型號(hào)桿塔在不同地面傾角下的繞擊跳閘率(地線保護(hù)角-17°)

由改進(jìn)后的電氣幾何模型發(fā)現(xiàn)，特高壓同塔雙回線路由于桿塔結(jié)構(gòu)高，繞擊風(fēng)險(xiǎn)最高相已不同于超高壓同塔雙回線路，此時(shí)中相在地線、上相導(dǎo)線、下相導(dǎo)線的屏蔽下，繞擊風(fēng)險(xiǎn)降低；而下相導(dǎo)線遠(yuǎn)離地面，地面對它的保護(hù)屏蔽作用減弱，造成下相導(dǎo)線的繞擊率提高，特別是在具有較大的傾斜角下，下山側(cè)的下相導(dǎo)線暴露弧面加大，繞擊率顯著提高。

4 結(jié)束語

特高壓架空輸電線路具有較高的耐雷水平，但安徽省運(yùn)維線路發(fā)生一起雷電繞擊跳閘故障，運(yùn)用ATP-EMTP進(jìn)行特高壓線路耐雷水平的計(jì)算，并經(jīng)過研究改進(jìn)了EGM電氣幾何模型，進(jìn)行反擊、繞擊跳閘率分析得出以下結(jié)論：

(1)交流特高壓架空線路具有較高的防雷水平，卻依然存在雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)；

(2)通過仿真分析，安徽省特高壓同塔雙回架空輸電線路具有較高的反擊耐雷水平，同塔降低接地電阻可有效提高桿塔反擊耐雷水平和反擊跳閘率，因此特高壓桿塔反擊風(fēng)險(xiǎn)低，不是防雷工作的重點(diǎn)；

(3)運(yùn)用改進(jìn)的電氣幾何模型對特高壓線路桿塔展開繞擊分析，得出特高壓同塔雙回線路桿塔因受塔形、結(jié)構(gòu)尺寸、導(dǎo)線掛點(diǎn)位置、地面傾斜角等的影響，不同于超高壓同塔雙回線路中相易遭受繞擊的特點(diǎn)，其下相導(dǎo)線也可能遭受雷擊，繞擊防雷需要兼顧中相和下相，特別是上山坡側(cè)的中、下相導(dǎo)線。

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(責(zé)任編輯：劉小陽)

TM862

：A

：1673-2006(2017)07-0111-04

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.07.029

2017-03-06

謝輝(1969-)，安徽靈璧人，高級(jí)工程師，研究方向：企業(yè)管理。