220 kV同塔雙回線路雷電反擊四相同跳故障分析

曾凡濤，李籽劍，馮志強(qiáng)，楊偉三，岳海波，李 愿

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施州 445000；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430000；

3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

輸電線路輸送容量大，可靠性要求高，輸電線路運行環(huán)境惡劣，桿塔架設(shè)位置相對較高，極易遭受雷擊。隨著運維水平的提高，線路本體原因造成的故障事件逐漸減少，雷擊成了架空輸電線路跳閘的主要危害，只有做好輸電線路防雷工作，才能使電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定運行［1-7］。

為了高效利用線路走廊，節(jié)省建設(shè)成本，提高單位面積內(nèi)的傳輸容量，目前線路建設(shè)趨于采用同塔雙回或多回的架線模式［8-12］。同塔雙回的輸電線路導(dǎo)線大多采用垂直排列，且塔桿相對較高，大地對導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)減弱，且橫擔(dān)較寬，保護(hù)角大，防雷性能較差，使得線路遭受雷擊概率增大［6］。雷擊時，可能導(dǎo)致單回或多回線路同時跳閘，從而可能引起重要斷面停電風(fēng)險，導(dǎo)致大范圍停電，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對同塔雙回線路雷擊塔頂?shù)那闆r開展研究，少有分析各相導(dǎo)線的不同運行狀態(tài)下對其他導(dǎo)線耦合情況，以及該情形下各相導(dǎo)線耐雷水平的分析［13-27］。本文分析了雷擊塔頂時的電位分布情況以及考慮運行電壓情況下各相導(dǎo)線的反擊耐雷水平。以某220 kV 同塔雙回線路雷電反擊四相同跳故障為例進(jìn)行了分析，計算了雙回線路各相導(dǎo)線在不同運行狀態(tài)下的幾何耦合系數(shù)，校核了各相導(dǎo)線的反擊耐雷水平，針對同塔架設(shè)多回輸電線路提出了有效的防雷措施。

1 同塔雙回線路耐雷水平及耦合情況分析

雷電反擊是導(dǎo)致10 kV及以上電壓等級的架空輸電線路故障的主要原因之一，當(dāng)雷擊塔頂時，塔頂?shù)碾娢慌c導(dǎo)線電位相差很大，可能引起絕緣子串閃絡(luò)，從而導(dǎo)致線路故障跳閘。

1.1 絕緣子串兩端電壓計算

1.1.1 塔頂電位

雷擊塔頂后，避雷線起到了分流作用，只有部分雷電流流過桿塔，近似計算用集中電感Lb表示地線電感，忽略地線分布電容［28-31］。雷擊桿塔等值電路圖，如圖1。

圖1 雷擊塔頂?shù)牡戎惦娐穲DFig.1 Equivalent circuit at the top of lightning-struck tower

塔頂?shù)碾娢粸?/p>

式（1）中，IL為雷電流幅值（kA）；β為桿塔分流系數(shù)。

1.1.2 導(dǎo)線上電位

地線與塔頂?shù)碾娢欢紴閁td，由于地線與導(dǎo)線間具有耦合作用，導(dǎo)線也具有耦合電位kUtd。耦合電位的極性與雷電流相同。此外，由于空間電磁場的突然變化，在導(dǎo)線上還會出現(xiàn)感應(yīng)過電壓，感應(yīng)過電壓的極性與雷電流相反。導(dǎo)線上的電壓可表示為

式（2）中，Uic為雷擊塔頂時在導(dǎo)線上形成的感應(yīng)過電壓分量，kV；Uline為導(dǎo)線上的工作電壓，kV；k為考慮地線電暈的耦合系數(shù)。

1.1.3 絕緣子串兩端電壓

絕緣子兩端的電壓為橫擔(dān)高度處桿塔電位和導(dǎo)線電位之差，可表示為

1.2 反擊耐雷水平

當(dāng)UI大于等于絕緣子串的50%沖擊放電電壓時發(fā)生閃絡(luò)，可令UI=U50%，則可得雷擊塔頂?shù)哪屠姿綖椋?3］

根據(jù)過電壓保護(hù)和絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)，絕緣子串的雷電沖擊放電電壓按照式（5）計算。

式（5）中，L為絕緣子干弧距離（m）。

1.3 耦合系數(shù)計算及耦合情況分析

當(dāng)雷擊塔頂時，地線上出現(xiàn)電暈，使地線經(jīng)向尺寸增大，導(dǎo)致地線與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)增大?？紤]地線電暈的耦合系數(shù)k可表示為：

式（6）中，k1為電暈校正系數(shù)，其值可根據(jù)地線及耦合線架設(shè)情況，結(jié)合電壓等級選值；K0為導(dǎo)地線的幾何耦合系數(shù)［19］計算公式如下：

同塔雙回線路正常運行情況下，雙避雷線與雙回各相導(dǎo)線之間的耦合情況可由公式（6）進(jìn)行計算。當(dāng)桿塔遭受雷電直擊時，根據(jù)雷電流大小，將會最先將耐雷水平較低的單相或多相擊穿，當(dāng)一相或多相擊穿后，該故障擊穿相導(dǎo)線可視為新增地線，對其他非故障相進(jìn)行屏蔽，此時，非故障相的耦合系數(shù)增大，耐雷水平提高。同塔多回線路宜采用不平衡高絕緣措施，即通過差異化絕緣配置，在一定雷電流范圍內(nèi)引導(dǎo)雷電擊穿次序，降低線路的多回同時跳閘率。

2 案例分析

2.1 故障基本情況

2021 年07 月22 日19：42，220 kV 某一、二回線A、B 相接地故障跳閘，重合閘未動作。該線路一二回線路同塔雙回架設(shè)，故障時刻為雷暴雨天氣。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢情況如表1所示，最大雷電流值-107.7 kA。

2.1.1 故障區(qū)段運行情況

故障點位于22 號塔，干弧距離為2 190 mm，導(dǎo)線垂直排列，邊相導(dǎo)線保護(hù)角為0°，小號側(cè)檔距959 m，大號側(cè)檔距405 m，桿塔運行通道如圖2、圖3所示?，F(xiàn)場接地電阻測量均滿足運行要求，主要地形為山地。

圖2 故障塔22號塔大、小號側(cè)通道Fig.2 Large and small side channels of tower No.22

圖3 故障塔22號塔全景圖Fig.3 Panorama of tower No.22

2.1.2 故障桿塔閃絡(luò)痕跡

故障查找22 號塔的一回A 相聯(lián)板處、B 相絕緣子有明顯放電痕跡如圖4 所示；二回A 相絕緣子、B 相絕緣子有明顯的閃絡(luò)痕跡如圖5 所示，初步判定該塔為故障位置。

圖4 一回線故障塔放電痕跡Fig.4 Discharge trace of the first tower

圖5 二回線故障塔放電痕跡Fig.5 Discharge trace of the second tower

2.2 故障原因分析

2.2.1 故障錄波分析

2021 年7 月22 日19：42：52，220 kV 一二回線AB相電壓同時發(fā)生畸變，且均出現(xiàn)零序電壓和零序電流，故障錄波圖如圖6所示。

圖6 220 kV一回、二回線故障錄波Fig.6 Fault recording of 220 kV transmission line

根據(jù)錄波圖可得，線路故障時刻的各相運行電壓、短路電流如表2所示。

表2 故障時刻的各相運行電壓、短路電流Table 2 Operating voltage and short-circuit current of each phase at fault time

線路故障測量阻抗抗為Za=4.25∠45.69°，Zb=6.34∠88.48°，經(jīng)計算過渡電阻Rag=2.59 Ω，Rbg=1.34 Ω，為低阻接地。

2.2.2 耐雷水平計算

根據(jù)前文公式（5）可計算得22號桿塔絕緣子串的雷電沖擊放電電壓U50%=1 299.27 kV。桿塔分流系數(shù)β=0.936。結(jié)合桿塔實際參數(shù)，從考慮和不考慮運行電壓分別計算一二回線路各相導(dǎo)線耐雷水平見表3。

表3 220 kV一二回線路各相耐雷水平Table 3 Lightning resistance level of each phase of 220 kV transmission line

考慮線路運行電壓的情況下，一二回線A相的耐雷水平分別為75.12 kA、76.8 kA，B相的耐雷水平分別為75.54 kA、76.02 kA，C 相的耐雷水平分別為94.07 kA、93.86 kA，A 相和B 相的耐雷水平較低，C 相的耐雷水平較高。

2.2.3 故障原因分析

由故障錄波圖可知，220 kV 一二回線AB 相電壓均發(fā)生畸變，且均出現(xiàn)零序電壓和零序電流，發(fā)生AB相接地故障。經(jīng)計算，不考慮運行電壓的情況下220 kV 一二回線22 號塔A、B 相反擊耐雷水平分別為83.65 kA、78.48 kA，考慮運行電壓后耐雷水平略有下降。經(jīng)雷電定位系統(tǒng)查詢，雷電流幅值為-107.7 kA的落雷。巡視發(fā)現(xiàn)22 號桿塔左右兩側(cè)A、B 相絕緣子串均有明顯放電閃絡(luò)痕跡，具有典型雷擊閃絡(luò)特征。綜合考慮22號桿塔周圍環(huán)境、AB相絕緣子串放電痕跡、耐雷水平計算結(jié)果，分析認(rèn)為本次故障因雷電擊中22號桿塔，雷電反擊造成220 kV 一二回線同時發(fā)生AB相絕緣串閃絡(luò)，形成兩相接地故障。

2.3 差異化絕緣配置下耐雷水平分析

220 kV 一二回線22 號桿塔各相絕緣子配置相同，均未安裝線路避雷器，通過計算一二回A 相和B相耐雷水平相近，但明顯低于C 相，從而此次雷擊時出現(xiàn)一二回線路AB 相四回同跳的情況，現(xiàn)假定雙回直接絕緣差異化配置，單回線路各相之間絕緣水平差異化配置的情況下，在一定雷電流范圍各相依次擊穿對其他相耐雷水平的影響情況進(jìn)行計算見表4。

表4 220 kV一二回線各相不同絕緣配置下耐雷水平Table 4 Lightning resistance level of each phase of 220 kV line under different insulation configuration

由表4可知，在考慮線路運行電壓的情況下，同塔雙回線路中一回線路出現(xiàn)單相故障后，對其他相形成屏蔽作用，耐雷水平提升約29%；同塔雙回線路中一回線路出現(xiàn)兩相故障后，對其他相形成屏蔽作用，耐雷水平提升約74%；同塔雙回線路中一回線路出現(xiàn)三相故障后，對其他相形成屏蔽作用，耐雷水平提升約111%。

3 結(jié)語

本文從雷擊塔頂時桿塔、導(dǎo)線、絕緣子兩端的電位變化過程，推導(dǎo)了反擊耐雷水平計算理論公式，分析了多回線路在不同運行狀態(tài)下的耦合情況變化，并以某220 kV同塔雙回線路雷電反擊四相同跳故障為例，對上相、中相、下相的導(dǎo)線的耦合系數(shù)及反擊耐雷水平進(jìn)行了計算，剖析了同塔多回線路故障跳閘的原因，一是雷電流幅值超過上相和中相的耐雷水平，二是同塔雙回線路未采取差異化的絕緣配置。

針對同塔雙回線路防范雷擊跳閘的主要建議：一是對同塔多回線路的絕緣配置進(jìn)行差異化改造，確保兩回線路各相不被同時擊穿，減少兩回同跳的概率；二是同塔雙回線路桿塔接地電阻進(jìn)行改造，降低桿塔接地電阻值，雷擊時增強(qiáng)桿塔向大地泄流能力；三是針對同塔雙回線路開展精細(xì)化防雷評估，逐塔評估雷擊跳閘風(fēng)險，結(jié)合防雷改造方案進(jìn)行改造，提高線路的耐雷水平。