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(lè)

（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(guó)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(guó)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(yáng)[4]等針對(duì)廣東電網(wǎng)220 kV輸電線路雷擊多回同跳問(wèn)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(guò)程，通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)程，因此絕緣子間隙擊穿與桿塔、接地電阻等無(wú)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)電壓沿線路傳播過(guò)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。可查到對(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(guò)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(guò)電壓幅值在線路避雷器之下，但在傳播過(guò)程中發(fā)生折反射產(chǎn)生的疊加波超過(guò)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(guò)電壓波疊加引起絕緣弱點(diǎn)閃絡(luò)導(dǎo)致線路跳閘。