兩起220 kV同塔雙回線(xiàn)路雷擊跳閘故障分析及防雷措施

孔令雪，費(fèi)藤答

(1.國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130021; 2. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021)

電力作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要能源，供電的可靠性關(guān)系到國(guó)家的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和民生等方面。隨著社會(huì)文明化程度的不斷提高，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和電能質(zhì)量要求日趨提高[1]。依據(jù)國(guó)內(nèi)外多年對(duì)雷電活動(dòng)的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，高壓輸電線(xiàn)路跳閘事故中40%～70%是由雷擊引起的，日本的雷擊故障跳閘率占到了50%[2]。國(guó)家電網(wǎng)公司220 kV線(xiàn)路由于雷擊造成的跳閘故障占故障總數(shù)的近40%，成為影響輸電線(xiàn)路安全穩(wěn)定運(yùn)行的最大因素[3]。

本文基于ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，對(duì)兩起220 kV同塔雙回輸電線(xiàn)路雷擊跳閘故障進(jìn)行仿真計(jì)算(以下使用線(xiàn)路1和線(xiàn)路2代指)，研究分析雷擊跳閘原因和過(guò)程，提出改進(jìn)意見(jiàn)，為今后同塔雙回輸電線(xiàn)路差異化防雷提供依據(jù)。

1 同塔雙回線(xiàn)路雷電繞擊故障分析

1.1 故障基本情況

20190619T16：41：00，220 kV線(xiàn)路1乙線(xiàn)雙套縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘，重合成功，故障相為A相，故障測(cè)距在170號(hào)桿塔附近，故障區(qū)段為雷雨天氣。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，在位于山頂?shù)?70號(hào)桿塔發(fā)現(xiàn)中線(xiàn)A相玻璃絕緣子有明顯雷擊閃絡(luò)痕跡。 2019年6月20日測(cè)量故障桿塔接地電阻結(jié)果為19.6 Ω，而2018年6月測(cè)量該桿塔接地電阻值為7.2 Ω。

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢(xún)，故障時(shí)間點(diǎn)前后1 min內(nèi)故障線(xiàn)路周邊范圍1 km內(nèi)有3處雷電活動(dòng)記錄，其中雷電流為-9.4 kA，與故障時(shí)間重合，落雷點(diǎn)距故障桿塔170號(hào)為39 m，并結(jié)合保護(hù)測(cè)距和現(xiàn)場(chǎng)巡視情況，確定本次造成線(xiàn)路1乙線(xiàn)故障區(qū)段為170號(hào)，雷電流為-9.4 kA。

1.2 繞擊仿真計(jì)算

故障區(qū)段基本情況：線(xiàn)路全長(zhǎng)69.109 km，故障桿塔號(hào)170，故障桿塔型號(hào)SZ2-24，地面傾角40°，邊相導(dǎo)線(xiàn)保護(hù)角21.4°，接地電實(shí)測(cè)值19.6 Ω，導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)LGJQ-400/50，地線(xiàn)型號(hào)GJ-50、光纖復(fù)合架空地線(xiàn)(OPGW)，絕緣子型號(hào)U70BP/146D，絕緣子片數(shù)13片，絕緣子串長(zhǎng)1 898 mm。 根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢(xún)到的落雷記錄，-9.4 kA的雷電流和故障發(fā)生時(shí)刻較吻合，結(jié)合實(shí)際故障情況，基本排除雷電反擊，建立繞擊模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

在雷電過(guò)電壓計(jì)算過(guò)程中，DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》推薦采用2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流進(jìn)行模擬。在雷電模擬時(shí)，還要考慮雷電通道波阻抗的影響。通過(guò)觀測(cè)和計(jì)算得出雷電通道波阻抗Z0在300～3 000 Ω：雷電流I<10 kA時(shí)，Z0約為幾千歐；I在10～30 kA時(shí)，Z0為2 100～700 Ω；I在30～100 kA時(shí)，Z0為700～300 Ω；I>100 kA時(shí)，Z0穩(wěn)定在300 Ω左右[4]。本文雷電繞擊電流為-9.4 kA，雷電通道波阻抗Z0取3 000 Ω。利用電氣幾何模型分析方法進(jìn)行仿真計(jì)算，170號(hào)桿塔繞擊耐雷水平為8.6 kA，最大繞擊雷電流為12.1 kA。當(dāng)-9.4 kA的雷電流繞擊170號(hào)桿塔B相(中線(xiàn))時(shí)，雷電流抬升該相導(dǎo)線(xiàn)電壓，各相絕緣子兩端電壓差值曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。雷擊瞬間乙線(xiàn)B相絕緣子兩端電壓明顯升高，最終造成絕緣子沿面閃絡(luò)，乙線(xiàn)B相雷擊跳閘。

圖1 -9.4 kA雷電流繞擊桿塔時(shí)各相電壓幅值

綜合分析，本次故障為雷電繞擊故障，就故障桿塔而言，接地電阻值偏大，可以考慮采用降阻措施來(lái)提高桿塔繞擊耐雷水平。

2 同塔雙回線(xiàn)路雷電反擊故障分析

2.1 故障基本情況

20190830T15：30：00，220 kV線(xiàn)路2甲乙線(xiàn)均分相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘，重合成功，甲、乙線(xiàn)故障相別均為A相(中相)，故障區(qū)段為雷雨天氣。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，在位于山頂?shù)?3號(hào)桿塔發(fā)現(xiàn)甲、乙線(xiàn)的中線(xiàn)A相玻璃絕緣子有明顯雷擊閃絡(luò)痕跡并在導(dǎo)線(xiàn)處有明顯雷擊放電痕跡。2019年8月31日測(cè)量故障桿塔接地阻抗結(jié)果為3.0 Ω。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢(xún)，故障時(shí)間點(diǎn)前后1 min內(nèi)，故障線(xiàn)路周邊范圍1 km內(nèi)有4處雷電活動(dòng)記錄，其中與故障時(shí)間吻合的落雷點(diǎn)距23號(hào)故障桿塔1.632 km，雷電流為-192.1 kA，結(jié)合保護(hù)測(cè)距和現(xiàn)場(chǎng)巡視情況，確定本次造成220 kV線(xiàn)路2甲乙線(xiàn)故障區(qū)段為23號(hào)，雷電流為-192.1 kA。

2.2 反擊仿真計(jì)算

故障區(qū)段基本情況：線(xiàn)路全長(zhǎng)63.84 km，故障桿塔號(hào)23，故障桿塔型號(hào)SZ2-21，接地電實(shí)測(cè)值3.0 Ω，地面傾角30°，邊相導(dǎo)線(xiàn)保護(hù)角18.1°，導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)LGJQ-400/50，地線(xiàn)型號(hào)GJ-50，甲線(xiàn)絕緣子型號(hào)U70BP/146-1，乙線(xiàn)絕緣子型號(hào)XP-70，絕緣子串長(zhǎng)1 898 mm。 根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢(xún)到的落雷記錄，-192.1 kA的雷電流和故障發(fā)生時(shí)刻較吻合，結(jié)合實(shí)際故障情況，基本排除雷電繞擊，故建立反擊模型進(jìn)行仿真計(jì)算，且采用DL/T 620—1997中推薦的2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流進(jìn)行模擬，雷電通道波阻抗取300 Ω。

經(jīng)計(jì)算，23號(hào)桿塔反擊耐雷水平為91 kA，當(dāng)-192.1 kA的雷電流反擊23號(hào)桿塔時(shí)，各相絕緣子兩端電壓差值曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。雷擊桿塔或地線(xiàn)瞬間，大幅抬升桿塔電壓，導(dǎo)致甲、乙線(xiàn)A相絕緣子兩端電壓明顯升高，最終造成絕緣子沿面閃絡(luò)，甲、乙線(xiàn)A相雷擊跳閘。

圖2 -192.1 kA雷電流反擊桿塔時(shí)各相電壓幅值

綜合分析，本次故障為雷電反擊故障，雖然桿塔接地電阻僅為3.0 Ω，但因雷電流幅值遠(yuǎn)高于桿塔反擊耐雷水平，最終造成線(xiàn)路2甲乙線(xiàn)A相同時(shí)跳閘，可以考慮差異化防雷手段，提升同塔雙回線(xiàn)路防雷水平。

3 同塔雙回線(xiàn)路差異化防雷仿真

以“差異化防雷”的思想指導(dǎo)線(xiàn)路防雷，找出線(xiàn)路中防雷性能薄弱的桿塔，對(duì)這些桿塔進(jìn)行有針對(duì)性的防雷設(shè)計(jì)、改造，提高輸電線(xiàn)路的防雷工程的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性[4-6]。

線(xiàn)路1乙線(xiàn)發(fā)生雷電繞擊跳閘故障，主要原因?yàn)榻拥仉娮柚灯?，因此，可以考慮采用降阻措施來(lái)提高桿塔反擊耐雷水平。當(dāng)故障桿塔接地電阻值降至7 Ω時(shí)，170號(hào)桿塔繞擊耐雷水平可提高至11.3 kA。模擬-9.4 kA雷電流繞擊170號(hào)桿塔A相(中線(xiàn))時(shí)，各相電壓幅值曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，線(xiàn)路未發(fā)生跳閘故障。此外，采用安裝線(xiàn)路避雷器方式，在線(xiàn)路1乙線(xiàn)170號(hào)桿塔安裝一組線(xiàn)路避雷器。模擬-9.4 kA雷電流繞擊170號(hào)桿塔A相(中線(xiàn))時(shí)，各相電壓幅值曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，線(xiàn)路未發(fā)生跳閘故障。

圖3 降低接地電阻時(shí)各相電壓幅值

圖4 設(shè)置不平衡絕緣時(shí)各相電壓幅值

4 同塔雙回線(xiàn)路差異化防雷措施

對(duì)于易擊雷區(qū)在運(yùn)同塔雙回線(xiàn)路的差異化防雷改造，建議從降低接地電阻、提升絕緣子絕緣強(qiáng)度和加裝線(xiàn)路避雷器等幾個(gè)方面著手。

a.當(dāng)桿塔接地裝置不符合規(guī)定電阻值時(shí)，針對(duì)周?chē)沫h(huán)境條件、土壤和地質(zhì)條件，因地制宜，結(jié)合局部換土、電解離子接地系統(tǒng)、擴(kuò)網(wǎng)、引外、利用自然接地體、增加接地網(wǎng)埋深、垂直接地極等降阻方法的機(jī)理和特點(diǎn)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選用合適的降阻措施，甚至組合降阻措施，以降低接地電阻。

b.220 kV及以下同塔多回線(xiàn)路宜采用不平衡高絕緣措施降低線(xiàn)路的多回路同時(shí)跳閘率，較高絕緣水平的一回線(xiàn)路宜比另一回線(xiàn)路高出15%。

c.優(yōu)先選擇雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高或雷區(qū)等級(jí)最高的桿塔安裝線(xiàn)路避雷器，220 kV及以下同塔雙回線(xiàn)路宜在一回線(xiàn)路三相絕緣子串旁安裝。

5 結(jié)論

a.220 kV線(xiàn)路1乙線(xiàn)跳閘故障為雷電繞擊故障，可以考慮采用降阻或加裝線(xiàn)路避雷器措施提高雷電繞擊耐雷水平。

b.220 kV線(xiàn)路2甲乙線(xiàn)跳閘故障為雷電反擊故障，雖然桿塔接地電阻僅為3.0 Ω，但因雷電流幅值遠(yuǎn)高于桿塔反擊耐雷水平，最終造成甲乙線(xiàn)同時(shí)跳閘，宜采用不平衡絕緣措施，降低該線(xiàn)路多回路同時(shí)跳閘率。

c.對(duì)于易擊雷區(qū)在運(yùn)同塔雙回線(xiàn)路的差異化防雷改造，宜綜合采取降低接地電阻、提升絕緣子絕緣強(qiáng)度和加裝線(xiàn)路避雷器等措施提高架空輸電線(xiàn)路耐雷水平，降低多回線(xiàn)路同時(shí)跳閘率。