一起500 kV輸電線路反擊故障分析及仿真驗證

李永明，杜 遠，逯文佳

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

雷電是伴隨著閃電和雷鳴的一種自然界常見的強對流天氣時的集中放電現(xiàn)象，一般情況下，雷電所釋放的能量大，且內(nèi)部放電電壓高。輸電線路特別是超高壓及以上電壓等級的輸電線路，設(shè)計桿塔高度較高，地形地貌復(fù)雜，容易遭到雷擊的侵害，造成輸電線路故障跳閘，影響電網(wǎng)安全。根據(jù)運行經(jīng)驗，雷害事故占輸電線路故障的60%以上［1-3］。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求越來越高，防止輸電線路雷擊跳閘事故，提高電網(wǎng)承受自然災(zāi)害的能力，是保證電網(wǎng)安全可靠運行的重要措施。本文以一起500 kV輸電線路反擊故障為例，分析了故障發(fā)生的原因并進行理論驗證，最后提出了相應(yīng)的防雷措施。

1 線路故障情況

1.1 故障桿塔概況

2020年4月某500 kV輸電線路上相 （B相）故障跳閘，重合成功。

故障區(qū)段始于該線路212號桿塔，止于219號桿塔，故障區(qū)段長度為2.986 km。故障桿塔為214號桿塔，全塔高度為65.4 m，故障相為B相。214號桿塔復(fù)合絕緣子為獨立雙串設(shè)計。故障區(qū)段內(nèi)，212號—217號、219號桿塔地線采用掛點金具直接接地方式，接地型式為TF3，接地電阻設(shè)計值為15 Ω；218號桿塔為換位塔，地線采用直接接地方式，接地型式為TF5，接地電阻設(shè)計值為15 Ω。

故障區(qū)段主要地形為平原，氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，常年主導(dǎo)風(fēng)為南風(fēng)、偏南風(fēng)、北風(fēng)、偏北風(fēng)，常年平均氣溫為13.5℃，年平均降水量為540.4 mm。

1.2 雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)

4月9日3時5分，故障區(qū)段出現(xiàn)強對流雷雨天氣，氣溫為5～8℃，東北風(fēng)風(fēng)力為4～5級。雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，故障時刻214號—218號桿塔區(qū)段附近落雷，發(fā)生雷電流放電，雷電流高達-179.2 kA。

1.3 故障測距

故障錄波測距數(shù)據(jù)顯示故障點距某500 kV變電站18.75 km（位于217號—218號桿塔檔）；保護測距數(shù)據(jù)顯示故障點距某500 kV變電站20～21 km（位于212號—215號桿塔檔）；分布式故障診斷裝置測距數(shù)據(jù)顯示故障位于181號—264號桿塔區(qū)段，距離181號桿塔16.29 km，故障桿塔為214號。

1.4 故障巡視及處理

按照故障測距信息、雷電定位系統(tǒng)初步判斷的故障范圍，結(jié)合故障相及線路地形地貌特征，巡視人員對212號—219號桿塔區(qū)段進行故障巡視。地面巡視發(fā)現(xiàn)214號桿塔B相有疑似放電痕跡。經(jīng)過人工登塔檢查及無人機巡查，發(fā)現(xiàn)214號桿塔B相導(dǎo)線、復(fù)合絕緣子傘裙、均壓環(huán)及上端掛點金具有放電痕跡，判定本處為故障點。

故障區(qū)段桿塔接地電阻測量結(jié)果（僅A腿和C腿設(shè)計有接地引下線）如表1所示。

表1 故障區(qū)段桿塔接地電阻測量結(jié)果

2 雷擊故障原因分析

2.1 故障原因排查

故障區(qū)段輸電線路通道防護區(qū)內(nèi)全部為農(nóng)田，未發(fā)現(xiàn)過高構(gòu)筑物、塑料大棚、漂浮物、超高樹木及施工情況，排除異物短接、樹竹放電、機械施工等原因。故障區(qū)段內(nèi)桿塔上沒有鳥巢，防鳥措施完整合格，排除鳥害原因。

故障發(fā)生時，故障區(qū)段雷雨天氣，風(fēng)力較大，雷電活動頻繁，因此斷定此次跳閘由雷擊引起。雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，故障時刻214號—218號桿塔區(qū)段附近落雷，發(fā)生雷電放電，雷電流高達-179.2 kA。經(jīng)過人工登塔檢查及無人機巡查，發(fā)現(xiàn)214號桿塔B相導(dǎo)線、復(fù)合絕緣子傘裙、均壓環(huán)及上端掛點金具有放電痕跡，構(gòu)成典型的雷擊閃絡(luò)放電通道。因此，初步判斷本次故障為雷擊引起。強雷電擊中桿塔頂部后，雷電流經(jīng)桿塔、接地裝置注入大地。本次故障的雷擊放電路徑如圖1所示。

圖1 雷擊放電通道圖

2.2 最大繞擊電流計算

圖2 改進的雷電流繞擊EGM模型

改進的雷電流繞擊EGM模型如圖2所示，擊距計算時計及導(dǎo)線工作電壓及導(dǎo)線平均高度的影響，地面傾斜角度為0，當(dāng)暴露弧為0時的電流值為最大繞擊電流，理論上超過此電流值的雷電流不會導(dǎo)致繞擊。

擊距公式如下［4-5］：

式中：I為雷電流幅值；rs為雷電對避雷線的擊距；rc為雷電對導(dǎo)線的擊距；Uph為導(dǎo)線工作電壓。

計及導(dǎo)線平均高度hcv，當(dāng)hcv＜40 m時，擊距用式（3）計算；當(dāng) hcv≥40 m 時，擊距用式（4）計算。

式中：rg為雷電對大地的擊距。

計算得出，故障桿塔的上相、中相和下相的最大繞擊電流分別為17 kA、18 kA和18 kA，而本次雷電流高達-179.2 kA，其值遠大于最大繞擊電流值。因此，斷定此次故障不是雷電繞擊造成。

3 仿真驗證

利用暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP建立了反擊仿真模型，計算了不同接地電阻下的線路耐雷水平。其中，雷電流模型選用Heidler type 19型元件與波阻抗并聯(lián)的方式，波阻抗為 300 Ω［6］；桿塔模型選用多波阻抗模型［7］；雷電流中含有大量高次諧波，線路參數(shù)會隨頻率而變化，因此線路采用頻率相關(guān)的JMARTI架空線路模型［8］；絕緣子閃絡(luò)判據(jù)采用與實際情況較為吻合的相交法，即當(dāng)絕緣子串上過電壓曲線與絕緣子串伏秒特性曲線相交時視為發(fā)生閃絡(luò)［9-10］。模型用ATP-EMTP中的MODEL模塊編程模擬，接地電阻不同時線路耐雷水平仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 接地電阻不同時線路耐雷水平

由仿真結(jié)果可見，接地電阻對于反擊耐雷水平影響顯著，當(dāng)接地電阻為1 Ω時，線路反擊耐雷水平為170 kA，小于故障雷電流，由此判斷該故障是雷電流超過線路耐雷水平而引發(fā)的反擊故障。

4 改進措施

1）部分老舊線路的設(shè)計耐雷水平偏低，對強雷電活動的抵御能力較差，存在較大的雷電反擊故障風(fēng)險。針對老舊線路設(shè)計耐雷水平低的現(xiàn)狀，采取雙串化改造、絕緣子更換為插花式等加強線路絕緣的措施。

2）根據(jù)運行經(jīng)驗，雷電反擊故障多由接地電阻值偏高引起，仿真結(jié)果表明接地電阻值為1 Ω左右時的耐雷水平為170 kA，仍有發(fā)生反擊的可能。可見，防范反擊故障時需要綜合考慮其他影響因素，如絕緣水平、桿塔呼高等。

3）安裝線路避雷器可顯著提高線路耐雷水平，但由于線路避雷器價格較高，可以優(yōu)先選擇在接地電阻難以降低、雷擊故障多發(fā)的線路區(qū)段安裝線路避雷器。

5 結(jié)語

本文對一起典型的500 kV輸電線路雷電反擊故障進行了故障原因分析，制定了有針對性的防雷措施，在一定程度上可以起到較好的防雷效果。目前輸電線路防雷技術(shù)和現(xiàn)有的防雷措施尚不能完全避免雷電對輸電線路的影響，特別是近幾年極端天氣頻發(fā)，雷電活動存在諸多不確定因素，雷擊跳閘率沒有顯著下降，需要進一步研究氣候變化和雷電活動規(guī)律，找出更為先進、經(jīng)濟性好的防雷措施，全面提升輸電線路防雷水平，保證電網(wǎng)安全可靠運行。