110 kV輸電線路雷擊故障分析及防雷改造研究

張 滔，魯 岱，王紅斌，范偉男，欒 樂

（1.廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院，廣東 廣州 510080；2.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

高壓架空輸電線路是我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，相對(duì)于配電線路，輸電線路分布廣、縱橫交錯(cuò)，綿延數(shù)百乃至上千公里，往往處于突出暴露地形，極易遭受雷擊。當(dāng)前，雷擊已經(jīng)成為引發(fā)輸電線路跳閘停電的最主要原因。為了應(yīng)對(duì)雷擊對(duì)電力系統(tǒng)造成的危害，國內(nèi)學(xué)者對(duì)輸電線路防雷進(jìn)行了多方面研究[1-3]。彭向陽[4]等針對(duì)廣東電網(wǎng)220 kV輸電線路雷擊多回同跳問題提出了不平衡絕緣配置的差異化防雷措施；宣迪凱[5]等針對(duì)包頭地區(qū)某輸電線路，利用EMTP計(jì)算，研究雷擊同桿線路的反擊過程，通過仿真模擬復(fù)現(xiàn)事故，從而為后續(xù)的防雷改造提供理論支撐。

本文針對(duì)雷害活動(dòng)頻繁的某地區(qū)110 kV輸電線路，通過規(guī)程法、Atp仿真和電氣幾何模型，分別計(jì)算了故障線路的繞擊耐雷水平，并通過對(duì)歷史雷擊地閃及跳閘情況的統(tǒng)計(jì)，針對(duì)性地提出了防雷改造建議。

1 線路及故障基本信息

1.1 線路基本信息

該110 kV輸電線路全線17.63 km，共54基桿塔，線路設(shè)計(jì)風(fēng)速折算至10 m高為28.1 m/s。雷擊故障發(fā)生前，該110 kV線路供a變電站全站，并串供b線和c線。故障的#38塔塔型為ZM1-21，地線保護(hù)角為10°。設(shè)計(jì)工頻接地電阻30 Ω，實(shí)測(cè)工頻接地電阻18 Ω，#38塔無歷史雷擊跳閘記錄。

1.2 故障發(fā)生時(shí)的雷電活動(dòng)情況

2019年04月11日16時(shí)00分35秒，該110 kV線路發(fā)生B相接地故障。經(jīng)雷電定位數(shù)據(jù)[6]重算，該線路在故障時(shí)刻前后線路5 km半徑范圍內(nèi)有密集地閃，但幅值（不考慮極性）整體在22.6 kA以下。故障跳閘時(shí)刻，在#13～#14桿塔段約3 981 m位置有幅值為-9.4 kA的地閃，而該時(shí)刻在#38號(hào)桿塔處無地閃。統(tǒng)計(jì)該線路歷史落雷情況，線路走廊300 m半徑范圍內(nèi)的結(jié)果如圖1所示。該處地閃主要以負(fù)極性雷電為主，出現(xiàn)小幅值地閃較多，最大值地閃幅值-94.5 kA。

1.3 雷擊影響情況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)故障查線，發(fā)現(xiàn)該110 kV線路#38塔B相合成絕緣子沿面有放電痕跡，暫不影響線路正常運(yùn)行。經(jīng)查看，某變電站與該110 kV線路間隔避雷器動(dòng)作情況，發(fā)現(xiàn)A相和C相動(dòng)作次數(shù)為2次，B相動(dòng)作次數(shù)為1次，如圖2所示。

2 雷擊故障分析

2.1 規(guī)程法

規(guī)程上，繞擊耐雷水平計(jì)算方法為：

其中，U50%為絕緣子50%時(shí)的擊穿電壓，單位kV。110 kV絕緣子雷電50%擊穿電壓按600 kV考慮時(shí)，繞擊耐雷水平為6 kA，即大于等于6 kA雷電流繞擊時(shí)發(fā)生擊穿。

圖1 #38塔300 m半徑范圍歷史落雷情況統(tǒng)計(jì)

圖2 某變電站與該110 kV線路間隔避雷器動(dòng)作情況

2.2 EMTP仿真計(jì)算

絕緣子閃絡(luò)判據(jù)采用流行的先導(dǎo)法[7-9]，建立包含桿塔、沖擊接地電阻以及絕緣子閃絡(luò)等綜合模型。先導(dǎo)法相對(duì)于伏秒特性法更加精準(zhǔn)，模型見圖3。絕緣子干弧距離取0.9 m，繞擊B相，施加7 kA雷電流時(shí)，僅B相閃絡(luò)，此時(shí)三相絕緣子電流見圖4；施加4 kA雷電流時(shí)無閃絡(luò)發(fā)生，三相絕緣子電流見圖5。經(jīng)計(jì)算，繞擊耐雷水平為4.5 kA，略低于規(guī)程法。

圖3 根據(jù)本次雷擊故障建立的EMTP模型

圖4 4 kA雷電流幅值下的受雷擊桿塔的三相絕緣子電流

圖5 7 kA雷電流幅值下的受雷擊桿塔的三相絕緣子電流

對(duì)于反擊，從雷擊發(fā)生時(shí)刻到間隙擊穿需要時(shí)間，在時(shí)間段內(nèi)大部分雷電流沿桿塔經(jīng)接地電阻入地（即桿塔接地端負(fù)極性反射波會(huì)迅速到達(dá)塔頂，與原雷電波疊加），而繞擊不存在.在間隙擊穿前，桿塔、接地電阻等并不參與雷擊瞬態(tài)過程，因此絕緣子間隙擊穿與桿塔、接地電阻等無關(guān)，繞擊耐雷水平僅與絕緣子絕緣強(qiáng)度有關(guān)。絕緣子干弧距離取0.9 m、1.2 m、1.5 m時(shí)，繞擊耐雷水平分別為4.5 kA、6.5 kA、8 kA。

2.3 電氣幾何模型（EGM）

電氣幾何模型（Electrogeometric Model，EGM）法是用幾何模型分析地線對(duì)直擊雷的屏蔽作用的一種方法。它是以擊距rs的概念為基礎(chǔ)建立的一種屏蔽理論，雷電流與擊距的關(guān)系如表1所示。國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)防雷工作組（IEEE Working Group）在1985年給出的擊距公式為：

表1 雷電流與擊距關(guān)系

由上述計(jì)算可知，考慮ZM1-21型塔左右避雷線間距為5.55 m遠(yuǎn)小于表1擊距，可以對(duì)B相起到充分的屏蔽保護(hù)作用，即便是較小幅值的雷電流也難以從避雷線之間繞擊到B相。

2.4 故障跳閘原因分析

經(jīng)#38塔B相繞擊耐雷水平的仿真計(jì)算可知，正常絕緣條件下，該處不應(yīng)發(fā)生雷電繞擊B相導(dǎo)線的情況。由某變電站與該110 kV線路間隔避雷器的動(dòng)作情況可知，A相和C相避雷器相比B相避雷器動(dòng)作計(jì)數(shù)多1次，可能因線路雷擊過電壓傳播至站內(nèi)引起，而近110 kV線路#48塔裝有線路避雷器，可推測(cè)該過電壓幅值在站內(nèi)線路避雷器動(dòng)作值之上，在線路避雷器動(dòng)作值之下。在上述過電壓沿線路傳播過程中，在線路絕緣弱點(diǎn)處可能引起絕緣子的閃絡(luò)，而#38塔B相絕緣子的閃絡(luò)可能由此引起。建議考慮對(duì)#38塔相鄰桿塔B相絕緣子進(jìn)行紅外測(cè)溫，分析是否存在異常發(fā)熱現(xiàn)象，必要時(shí)可考慮停電拆換進(jìn)行雷電沖擊對(duì)比試驗(yàn)。

3 線路歷史地閃及跳閘情況分析及防雷改造建議

3.1 線路歷史雷電地閃統(tǒng)計(jì)分析

該110 kV線路自2010年至2019年3月的線路走廊300 m半徑范圍內(nèi)地閃空間分布如圖6所示。累計(jì)地閃次數(shù)1 149次，其中802次地閃集中于25 kA以下，占比69.7%；幅值在-5～-10 kA的地閃101次，占比8.8%。其中，60 kA及以上危險(xiǎn)雷電流[10]分布如圖7所示，共66次，占比4.7%。具體地，#48～#54塔段19次，#8～#10塔段10次，#15～#16塔段5次，#36～#38塔段4次。圖6中大氣泡表示相對(duì)雷電流幅值的大小，實(shí)心點(diǎn)表示沿線桿塔；圖7中氣泡分布表示負(fù)極性和正極性雷電流幅值的相對(duì)大小。

圖6 110 kV線路走廊300 m半徑范圍雷電地閃空間分布圖

圖7 60 kA以上危險(xiǎn)雷電流分布圖

該110 kV線路走廊300 m半徑范圍地閃密度及最大正負(fù)極性雷電流歷史統(tǒng)計(jì)，如圖8所示。其中，#1、#2、#7、#11、#12、#14、#22、#23、#27、#29、#31、#32、#34、#37、#39、#42、#44 以及 #46 塔附近歷史上未出現(xiàn)幅值超60 kA的地閃。

圖8 110 kV300 m線路走廊半徑內(nèi)雷電地閃歷史統(tǒng)計(jì)

從地閃次數(shù)上看，排序前十的桿塔如表2所示。

3.2 線路歷史跳閘統(tǒng)計(jì)分析

該110 kV自2005年至2019年3月歷史跳閘情況共計(jì)6次，主要為雷擊引起?？刹榈綄?duì)應(yīng)跳閘時(shí)刻的雷擊故障跳閘位置分別為#35塔C相（距#22塔172.683 m處有-24.4 kA地閃）、#28塔AB相（距#32塔1481.349 m處有-130.3 kA地閃）、#08塔B相、#15塔B相（距#16塔201.187 m處有-107.4 kA地閃）和#32塔A相。

表2 桿塔地閃次數(shù)排序

3.3 線路防雷方案

根據(jù)該線路歷史跳閘情況和地閃統(tǒng)計(jì)，線路采取防雷措施、雷擊跳閘及反擊跳閘危險(xiǎn)區(qū)段[11]的對(duì)比情況如圖9所示。線路防雷的主要薄弱區(qū)段集中于#8～#10和#28～#35塔段，應(yīng)考慮加裝線路避雷器防范雷電反擊。鑒于該線路為水平布置，線路走廊以平原與山地丘陵為主，所用塔型避雷線保護(hù)角較大，沿線小幅值雷擊電流占比高，繞擊風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)全線整體考慮進(jìn)行繞擊耐雷水平校核和絕緣配合，避免雷電繞擊后沿導(dǎo)線傳播，并在線路局部絕緣弱點(diǎn)處引起絕緣子閃絡(luò)致線路跳閘。

圖9 110 kV線路避雷器、歷史故障、危險(xiǎn)反擊塔段分布圖

4 結(jié) 論

（1）分析該110 kV故障線路的避雷器動(dòng)作信息，結(jié)合故障發(fā)生時(shí)#38塔周圍雷電活動(dòng)情況，初步確定了故障發(fā)生原因。

（2）通過規(guī)程法、ATP-EMTP仿真計(jì)算及電氣幾何模型3種方法，計(jì)算該線路的繞擊耐雷水平分別為6 kA、4.5 kA和遠(yuǎn)小于4.5 kA，從而得出正常絕緣下#38塔B相絕緣子不應(yīng)該發(fā)生閃絡(luò)的結(jié)論。究其原因，應(yīng)該是過電壓幅值在線路避雷器之下，但在傳播過程中發(fā)生折反射產(chǎn)生的疊加波超過了線路絕緣薄弱處的耐雷水平，從而引起了此次的B相絕緣閃絡(luò)。

（3）為了提出針對(duì)性的合理防雷措施，統(tǒng)計(jì)2010—2019年該線路300 m走廊范圍內(nèi)的地閃空間分布情況，結(jié)合線路歷史跳閘情況，篩選出需要重點(diǎn)防范的易擊塔段，并且考慮加裝線路避雷器防范雷電反擊。由于該線路走廊地形復(fù)雜，所用塔型避雷器保護(hù)角較大，繞擊風(fēng)險(xiǎn)很高，后面將對(duì)全線進(jìn)行繞擊耐雷水平校核和絕緣配合，避免出現(xiàn)繞擊后過電壓波疊加引起絕緣弱點(diǎn)閃絡(luò)導(dǎo)致線路跳閘。