1 000 kV特高壓輸電線路特殊形式雷擊故障案例分析

趙俊杰，虞 馳，任 華，顧 浩

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000;2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074)

0 引 言

雷電災(zāi)害為聯(lián)合國認定的10種最嚴重自然災(zāi)害之一，線路雷電防護為電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)的重要部分。特高壓輸電線路連綿數(shù)千公里，縱橫交錯，所處的地形復(fù)雜多變，雷電對特高壓線路威脅巨大。國內(nèi)外運行經(jīng)驗表明，特高壓線路絕大多數(shù)的雷擊跳閘為繞擊，對于相應(yīng)的防雷電繞擊工作已取得了較多的研究成果。

由雷電發(fā)展的先導(dǎo)法(LPM)得知，雷電先導(dǎo)發(fā)展過程具有隨機性及確定性。文獻[1]開展了自然雷云放電路徑的分形特性以及雷電先導(dǎo)分形發(fā)展模擬方法的研究，文獻[2]運用盒維數(shù)法對雷電模擬路徑的分形維數(shù)進行計算，結(jié)果表明這種分析方法能夠高效反應(yīng)出空間分布對雷電發(fā)展過程的影響，能夠更準確地、全面地對雷擊進行分析，文獻[3]基于分形理論，對輸電線路先導(dǎo)發(fā)展情形開展研究，同時給出了超、特高壓輸電線路繞擊耐雷性能評估方法，文獻[4]采用分形模型模擬了先導(dǎo)的發(fā)展過程，分形模型不僅能夠給出先導(dǎo)通道圖形,而且能夠解釋側(cè)面繞擊的機理。

帶有分形特性的雷電先導(dǎo)發(fā)展過程如圖1所示，雷電發(fā)展過程中可以存在多個末端，進而對地面形成多個雷擊點。據(jù)統(tǒng)計，80%以上的雷電在發(fā)展過程中均存在不同程度的分形特性[1]，本研究將這類帶有分形特性的雷電稱為“分叉雷”。

圖1 基于分形特性的雷電先導(dǎo)發(fā)展過程Fig.1 Development of lightning channel based on fractal characteristics

隨著線路監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，大都重要線路上安裝了視頻監(jiān)測裝置，同時我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷完善，輸電線路里程不斷增長，雷擊跳閘樣本數(shù)量不斷增大，區(qū)別于傳統(tǒng)的繞擊和反擊，雷擊跳閘正呈現(xiàn)出新的特性[5-12]。針對1 000 kV特高壓線路的一次特殊雷擊故障案例進行分析，通過獲取故障相關(guān)影像資料并激進型研究，結(jié)果表明分叉雷擊中輸電線路造成特殊類型故障發(fā)生，同時提出了相應(yīng)的防雷應(yīng)對措施。

1 線路故障情況

1.1 故障概述

2019年04月09日17時50分56秒，1 000 kV某線路B相(單回路右相)故障跳閘，重合成功。保護測距距離安吉站171.91公里，距離蘭江站23.15公里。氣象數(shù)據(jù)顯示，故障發(fā)生時相關(guān)區(qū)段天氣為強雷陣雨天氣，氣溫在22 ℃～32 ℃間，西南風(fēng)6級，相對濕度86%。

1.2 線路故障診斷系統(tǒng)查詢情況

根據(jù)1 000 kV該線路上安裝的故障診斷儀信息反饋，2019年04月09日17時50分56秒870毫秒1 000 kV該線路發(fā)生雷擊跳閘，重合閘成功，故障相為B相，位置在301號桿塔和346號桿塔之間，距離301號桿塔大號方向17.179公里，故障測距桿塔是340號桿塔附近。

1.3 故障巡視及處理

經(jīng)組織人工地面特巡、無人機高空巡視及登桿檢查，最終發(fā)現(xiàn)該線路341號塔B相導(dǎo)線側(cè)均壓環(huán)處有輕微放電融斑(見圖2)。該線路337號-343號段地處高山地段，不存在外力破壞情況。實測341號塔接地電阻為7.1 Ω，均滿足設(shè)計及運行要求。

圖2 絕緣子串小均壓環(huán)放電痕跡Fig.2 Flashover trace on vice-grading ring of insulator

故障桿塔341號塔塔型為ZBC271514(呼稱高為79.5 m)，導(dǎo)線、左側(cè)地線、右側(cè)地線型號分別為8*JL/G1A-500/45、JLB20A-170、OPGW-175，絕緣子配置為復(fù)合絕緣子雙聯(lián)串，接地形勢為左側(cè)地線分段接地、右側(cè)光纜逐塔接地。故障區(qū)段雷害等級為D1區(qū)，主要地形為山地，地面傾斜角為30°，邊導(dǎo)線防雷保護角為-7.29°，現(xiàn)場位置為高山山頂。該地區(qū)氣候類型為亞熱帶氣候，常年平均氣溫在16.6 ℃～18.2 ℃之間，降水量963 mm～1 918 mm。

2 故障原因分析

2.1 故障原因排查

根據(jù)雷擊定位系統(tǒng)查詢、變電站故障錄波測距結(jié)果及線路故障診斷裝置提供的參數(shù)，初步判斷故障范圍為338號-342號桿塔，該區(qū)段為高山，線路鐵塔較高，不太可能發(fā)生外力破壞事故。4月9日17時50分左右金華地區(qū)為雷雨天氣，338號-342號桿塔一帶雷電活動較強。因此，初步判斷雷擊跳閘的可能性較大。

2.2 雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢(綜合浙江、江西等鄰近省份站點數(shù)據(jù))，故障時刻前后1分鐘內(nèi)，1 km線路走廊半徑內(nèi)共有4次雷電，綜合考慮故障發(fā)生時間及離開線路的距離遠近，序號3雷電與341號塔跳閘相關(guān)性最大，雷電流幅值為-14.7 kA，如表1所示。

表1 地閃查詢統(tǒng)計結(jié)果Table 1 List of cloud-to-ground lightning flash

2.3 線路雷擊故障分析

2.3.1 繞擊耐雷水平計算

利用ATP-EMTP進行桿塔繞擊耐雷水平計算，對故障桿塔進行建模如圖3所示。根據(jù)仿真結(jié)果，仿真電壓相角不同時，B相的繞擊耐雷水平如表2所示?？梢钥闯?，B相耐雷水平隨電壓相角呈現(xiàn)波動，總體來說，B相平均繞擊耐雷水平約為25.4 kA，當電壓相角為300°時，B相繞擊耐雷水平為24.5 kA，此時繞擊耐雷水平最低。

表2 繞擊耐雷水平仿真結(jié)果Table 2 Lightning withstand level of shielding failure

圖3 故障桿塔仿真圖Fig.3 Simulation of target tower

根據(jù)桿塔繞擊跳閘率電氣幾何模型(EGM)計算方法[7]，計算該基桿塔的最大繞擊雷電流，電氣幾何模型計算示意圖如圖4所示。

圖4 電氣幾何模型示意圖Fig.4 Sketch of EGM

依據(jù)公式(1)和公式(2)，得到該基桿塔B相的最大繞擊雷電流約為80.67 kA。匯總前述計算可知，故障桿塔的繞擊雷電流幅值范圍為24.5 kA～80.67 kA。

rs=8I0.65

(1)

(2)

式中，rs為導(dǎo)線擊距，單位為m；I為雷電流幅值，單位為kA；rsk為臨界擊距，單位為m；β為對地擊距與對導(dǎo)線擊距比值；Y0為導(dǎo)線與地線中點高度，單位為m；α為地面傾角；d為導(dǎo)線與地線連線長度的一半，單位為m。

2.3.2 反擊耐雷水平計算

根據(jù)現(xiàn)場實測接地電阻7.1 Ω，對故障桿塔進行反擊耐雷水平計算，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，當電壓相角位于180°～240°時，B相將發(fā)生反擊閃絡(luò)，平均反擊耐雷水平約為297 kA。

表3 反擊耐雷水平計算結(jié)果Table 3 Lightning withstand level of lightning back-flashover

2.3.3 耐雷水平分析

故障桿塔的反擊耐雷水平約為297 kA，本次雷電幅值僅為-14.7 kA，接地電阻滿足設(shè)計要求，故排除反擊雷的可能。

故障桿塔的繞擊雷電流幅值范圍為24.5 kA～80.67 kA，發(fā)生在2019年04月09日17時50分56秒870毫秒時刻的雷電流發(fā)生時間、地點等信息和故障發(fā)生時間及故障桿塔位置相吻合，幅值為-14.7 kA，未達到故障相繞擊耐雷水平?？紤]到雷電定位系統(tǒng)探測的電磁波沿地表傳播，其受土壤電磁參數(shù)及地形起伏影響，易發(fā)生衰減和畸變，存在一定偏差(一般偏差率小于20%)，故此次實際雷電流幅值最大可能為-14.7×1.2=-17.64 kA，仍小于桿塔繞擊耐雷水平，無法使線路發(fā)生繞擊跳閘，排除繞擊雷的可能。

2.4 在線監(jiān)測視頻圖像分析

為了進一步查清線路跳閘原因，運維人員調(diào)取了當天雷擊故障發(fā)生時段的線路附近通道可視化視頻。從安裝于該線路341號桿塔小號側(cè)的在線監(jiān)測視頻球機觀測，當跳閘故障發(fā)生的瞬間，故障桿塔附近出現(xiàn)一次閃電，閃電以一個主通道向下發(fā)展，產(chǎn)生兩個分支后以相對均衡的速度向地面發(fā)展，其放電路徑的形狀類似倒“Y”字形(見圖5，最終兩個閃電分支相繼接地，形成分叉雷[4]。

圖5 視頻監(jiān)控中分叉雷截圖Fig.5 Image of “bifurcate lightning”in monitoring system

通過觀察天氣良好情況下的視頻畫面(見圖6)，可確認分叉雷放電路徑的一個末端位于靠近341號桿塔，另一個末端位于山體，該雷電連通了故障桿塔和山體。

圖6 視頻監(jiān)控顯示時間為17:50:56時截圖Fig.6 Image at 17:50:56 in monitoring system

為驗證分叉雷的存在，根據(jù)視頻畫面中的分叉雷放電路徑在山體側(cè)的接地位置，采用無人機進行探查，發(fā)現(xiàn)山體側(cè)一棵樹木存在雷電燒傷痕跡(見圖7)。由于雷電流較小，僅部分樹枝被燒傷，現(xiàn)場情況與本次-14.7 kA較小的雷電流幅值相吻合。

圖7 本次雷擊樹木燒傷痕跡Fig.7 Burn mark on the tree struck by lightning

2.5 雷擊原因分析

根據(jù)相關(guān)研究[13]，分叉雷這類具有多接地點的雷電并不是罕見現(xiàn)象，部分地區(qū)50%的地閃雷電具有多接地現(xiàn)象，當分叉雷的某一支先導(dǎo)通道先接地后，地面零電位波以接近光速向上傳輸，如果零電位沒有趕上另一支分叉通道的向下發(fā)展，則可能形成多接地先導(dǎo)。

結(jié)合雷電特點，根據(jù)線路跳閘故障情況、雷電定位信息、現(xiàn)場視頻圖像分析等情況分析，可判定此次雷擊故障為特殊的閃電在線路附近分叉，形成倒“Y”字形的分叉雷，兩分叉末端分別擊中341號桿塔和山體，這兩個分支之間形成了導(dǎo)線對地的放電通道。此過程在該線路B相導(dǎo)線上形成的短時放電脈沖，進而引起保護動作跳閘。

根據(jù)故障分析過程，分叉雷引起線路跳閘的發(fā)生機理與傳統(tǒng)的繞擊、反擊存在較大差異，具體對比分析見表4。

表4 分叉雷、繞擊與反擊對比Table 4 Comparison with bifurcate lightning,shielding and lightning back-flashover

3 結(jié)論與建議

通過以上分析，本次該線路跳閘是由分叉雷直接導(dǎo)致341號塔B相導(dǎo)線對地接地所致，并非由常見的繞擊雷或反擊雷引起。這表明特高壓架空輸電線路雖然具有較高的耐雷水平，但受復(fù)雜自然環(huán)境影響，可能遭受具有產(chǎn)生多點接地點特點的分叉雷，仍存在較大的雷電防護難度。筆者根據(jù)該線路發(fā)生的一起特殊雷電跳閘故障，結(jié)合雷電特點，根據(jù)線路跳閘故障情況、雷電定位信息、現(xiàn)場視頻圖像分析等情況分析，得出以下結(jié)論。

1)此次雷擊故障為國網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)首次獲取分叉雷擊中輸電線路相關(guān)影像資料，為輸電線路分叉雷擊故障形式的存在提供了直接證據(jù)，同時為雷擊故障研判技術(shù)完善提供了重要支撐。今后可選擇易發(fā)區(qū)段安裝視頻裝置進行監(jiān)測，積累分叉雷等特殊雷擊故障形式的防護經(jīng)驗。

2)分叉雷的不同分支之間可直接形成導(dǎo)線對地的放電通道，因此此類情況下線路是否跳閘與雷電流幅值、桿塔耐雷水平等因素無關(guān)。

3)引起線路跳閘故障的分叉雷，其不同分支將在線路導(dǎo)線側(cè)和地面?zhèn)攘粝吕讚艉圹E；可根據(jù)現(xiàn)場排查情況，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)、故障點現(xiàn)場視頻圖像等輔助信息，判定是否為分叉雷引起的線路跳閘故障。

4)根據(jù)故障發(fā)生機理，分叉雷引起線路跳閘時需直接擊中導(dǎo)線，因此采用減小地線保護角、加裝側(cè)向避雷器等防雷措施，可提高對導(dǎo)線的屏蔽性能，起到預(yù)防分叉雷的作用。