500 kV同塔雙回線路雷電反擊同跳故障分析

馮志強，李籽劍，周學(xué)明，熊文歡，毛曉坡，劉正云，付劍津

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

在輸電線路向超高壓、特高壓方向發(fā)展的行業(yè)背景下，輸送容量隨之增大，電力系統(tǒng)對供電可靠性要求也隨之提升，輸電線路的安全運行是基礎(chǔ)［1-3］。輸電線路運行環(huán)境惡劣，綿延數(shù)百至上千公里，極易遭受雷擊。雷害是造成輸電線路跳閘最多的故障類型之一，湖北地區(qū)近5 年雷害跳閘占比高達33%。同時，大量山區(qū)線路投運，同塔并架線路的大量架設(shè)，雖然降低了建設(shè)征地成本，但是增加了輸電線路雷擊造成同塔雙跳的風(fēng)險［4］。

輸電線路遭受雷擊容易使絕緣子發(fā)生損壞，引發(fā)線路跳閘故障，某些情況下還會直接造成斷線事故，不利于實現(xiàn)安全穩(wěn)定地供電。雷擊線路過程中釋放出來的雷電侵入波若未得到及時處理，那么勢必會以非?？斓乃俣葌鬏斨磷冸娬?，若其過電壓幅值非常高，極易造成站內(nèi)設(shè)備損壞，可能會引發(fā)非常嚴(yán)重的設(shè)備事故，導(dǎo)致大范圍停電，會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。降低或者規(guī)避雷擊跳閘能夠顯著減少輸電線路故障，有助于整個電網(wǎng)系統(tǒng)保持穩(wěn)定、可靠、安全地運行［4-9］。

2019年，湖北電網(wǎng)某500 kV同塔雙回線A相同跳，故障相均為中相，且其中Ⅰ回為中相跳線對下相橫擔(dān)放電。為查明故障原因，對上相、中相的絕緣子和跳線串、空氣間隙的雷電沖擊放電電壓進行了計算，并對上相、中相和中相接地后上相的幾何耦合系數(shù)進行了計算，對比了考慮/不考慮線路運行電壓下線路反擊耐雷水平，剖析了本次線路故障跳閘的原因。通過對比考慮/不考慮線路運行電壓的耐雷水平，超高壓線路考慮運行電壓的耐雷水平比不考慮運行電壓時低約13.6%，表明運行電壓對線路耐雷水平的影響不容忽略。

1 故障基本情況

2019 年6 月21 日15：25：28.238，某500 kV 同塔雙回線A 相發(fā)生同時跳閘，重合成功。Ⅰ回線故障錄波測距為111 號-153 號塔；Ⅱ回線故障錄波測距為118號-153號塔。

故障線路Ⅰ回線全長141.38 km，Ⅱ回線全長140.912 km，故障區(qū)段位于B1 級雷區(qū)，未安裝其他防雷設(shè)施，故障時刻為雷雨天氣，氣溫在20 ℃～28 ℃間，東北風(fēng)，風(fēng)速2 m/s。故障桿塔為136 號塔，導(dǎo)線垂直排列，處于B1 級雷害區(qū)；接地形式為TT22，接地電阻設(shè)計值為10 Ω，實測接地電阻為4.8 Ω，小于設(shè)計值；小號側(cè)檔距355 m，大號側(cè)檔距598 m；Ⅰ回線中相保護角為4.94°，Ⅱ回線中相保護角為6.16°。故障區(qū)段平均海拔高度為760 m，主要地形為山地，故障塔位于山頂，大小號側(cè)通道良好，無超高樹障，如圖1 所示。

圖1 故障塔136號塔大、小號側(cè)通道Fig.1 Large and small side channels of fault tower No.136

通過人員登塔巡視和空中無人機相互配合，發(fā)現(xiàn)故障桿塔136 號塔的Ⅰ回下橫擔(dān)上平面及中相引流線、Ⅱ回中相大號側(cè)第一片絕緣子及中相引流線、地線放電間隙有明顯的閃絡(luò)痕跡，初步判定該塔為故障位置如圖2-圖5所示。

圖2 故障塔136號塔全景圖Fig.2 Panorama of fault tower No.136

圖3 故障塔Ⅰ回放電痕跡Fig.3 Discharge trace of line one of the fault tower

圖4 故障塔Ⅱ回放電痕跡Fig.4 Discharge trace of line two of the fault tower

圖5 地線間隙放電痕跡Fig.5 Discharge trace of ground electrode gap

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢結(jié)果［10-13］，故障時刻故障區(qū)段附近有多次落雷，附近落雷的最大雷電流幅值為-279.4 kA，對應(yīng)最近桿塔為134 號-135 號塔，與故障區(qū)段較為吻合，詳見表1。

表1 故障區(qū)段附近落雷情況Table 1 Lightning strike around the fault section

查詢故障錄波圖可知Ⅰ回故障電流為1.664 kA，Ⅱ回故障電流為3.84 kA。故障阻抗為4.987+j17.357 Ω，阻抗角為73.96°，表現(xiàn)為金屬性接地。

根據(jù)故障發(fā)生時刻的天氣情況、放電痕跡及其通道、大小號側(cè)通道，以及現(xiàn)場地形、外部環(huán)境等，可排除外力破壞、山火、異物、污閃、鳥害、風(fēng)偏、樹（竹）線放電等故障原因，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)，初步判斷本次故障為雷擊故障。由于本次故障為兩回同跳，且雷電流幅值較大，為雷電反擊。

2 故障原因分析

2.1 放電路徑及其放電電壓

為了對比兩回線路的各相導(dǎo)線耐張串、跳線串、跳線與橫擔(dān)的空氣間隙等可能放電路徑的耐雷水平，對上、中相的各類間隙距離進行了測量，詳見表2，其中故障塔136號塔Ⅰ回中相引流線對下橫擔(dān)上平面的空氣間隙距離為4.1 m，Ⅱ回大號側(cè)第一片絕緣子鋼帽對中相引流線的空氣間隙距離為4.0 m。

根據(jù)過電壓保護和絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)［14］，絕緣子串的雷電沖擊放電電壓按照式（1）計算：

按照上述公式分別計算得到故障塔各個絕緣子串和空氣間隙的雷電沖擊放電電壓，詳見表2。

表2 間隙距離及其雷電沖擊放電電壓Table 2 Clearance distance and lightning impulse discharge voltage

2.2 反擊耐雷水平

導(dǎo)地線的幾何耦合系數(shù)［15］計算公式如式（3）：

按照式（3）分別計算上相導(dǎo)線、中相導(dǎo)線的耦合系數(shù)分別為0.356和0.218；當(dāng)中相導(dǎo)線反擊擊穿后接地，相當(dāng)于是上相導(dǎo)線的耦合地線，此時上相導(dǎo)線的耦合系數(shù)為0.538。

由于本次故障相均為中相，故障時刻中相運行電壓位于峰值附近，計算導(dǎo)線的耐雷水平是需要考慮導(dǎo)線的運行電壓［16-22］，如式（4）：

當(dāng)跳線對下相橫擔(dān)放電時，空氣間隙的電位應(yīng)該為下相橫擔(dān)電壓，應(yīng)將式（4）的ha更改為下相橫擔(dān)的高度h'a。

根據(jù)故障時刻的錄波圖，中相運行電壓為300 kV，上相運行電壓為-150 kV，如圖6，分別計算上相、中相的耐雷水平，見表3。當(dāng)不考慮線路運行電壓時，Ⅰ回上相引流線的空氣間隙和絕緣子串的耐壓均為最低，為175.8 kA，放電通道的耐雷水平比上相的耐雷水平高10.2%；若考慮線路運行電壓，Ⅰ回中相引流線對下橫擔(dān)的耐雷水平降為最低，為167.5 kA，耐雷水平降低了13.6%，并且比上相的耐雷水平低9.8%，因此發(fā)生雷電反擊擊穿。同理，考慮線路運行電壓時，Ⅱ回中相未安裝跳線串，空氣間隙距離較小，耐雷水平為145.5 kA，比不考慮運行電壓時降低了13.5%，為放電通道，如表3。依據(jù)輸電線路防雷標(biāo)準(zhǔn)和文件，500 kV雙回線路宜在中相安裝線路避雷器［23-25］。

圖6 故障錄波圖Fig.6 Fault oscillogram

表3 反擊耐雷水平Table 3 Back-flashover withstand level

當(dāng)Ⅰ、Ⅱ回中相發(fā)生擊穿接地后，相當(dāng)于上相的兩根耦合地線，再次校核上相的耐雷水平達到315.3 kA，因此上相未發(fā)生反擊擊穿。

3 結(jié)語

以某500 kV 同塔雙回線路雷電反擊同跳故障為例，對上相、中相的絕緣子和跳線串、空氣間隙的雷電沖擊放電電壓進行了計算，并對上相、中相和中相接地后上相的幾何耦合系數(shù)進行了計算，對比了考慮/不考慮線路運行電壓下線路反擊耐雷水平，剖析了本次線路故障跳閘的原因。

通過對比考慮/不考慮線路運行電壓的耐雷水平，超高壓線路考慮運行電壓的耐雷水平比不考慮運行電壓時低約13.6%，表明運行電壓對線路耐雷水平的影響不容忽略。當(dāng)Ⅰ、Ⅱ回中相發(fā)生擊穿接地后，相當(dāng)于上相的兩根耦合地線，上相耐雷水平大幅上升，因此上相未發(fā)生反擊擊穿。依據(jù)輸電線路防雷標(biāo)準(zhǔn)和文件，500 kV雙回線路宜在中相安裝線路避雷器。

由于Ⅰ回中相對下相的空氣間隙較小，考慮線路運行電壓時該相耐雷水平最低，發(fā)生反擊擊穿。因此，根據(jù)絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)，同塔雙回線路上相、中相對下相橫擔(dān)空氣間隙距離的正極性雷電沖擊50%放電電壓不宜低于絕緣子串干弧距離。