一起1000kV特高壓交流輸電線路雷擊故障原因分析

國網河北省電力有限公司電力科學研究院 伊曉宇

針對一起1000kV特高壓輸電線路雷擊跳閘事故，對故障巡視、故障原因排查、雷擊故障原因等進行了詳細分析，確定了故障原因為在風偏及雷擊共同作用下造成繞擊雷放電故障。本文并對線路防雷改造措施進行了討論，可為輸電線路防雷改造和降低雷擊跳閘率提供有益參考。

1 故障基本情況

1.1 故障簡述

2020年XX月15日16時29分，1000kV某線B相故障，重合成功。故障前該1000kV線路為正常運行方式，線路故障前負荷為517.26MW，故障電流為7.77kA。

故障測距信息：1000kV線路A變電站行波測距距離該站44.9km，對應桿塔N0086-N0087，位于XX市XX鎮西馬連村；B變電站行波測距距離該站125.6km，對應N0089-N0090，位于XX市XX鎮東馬連村。

分布式故障系統：分布式故障裝置判斷該次跳閘為雷擊跳閘故障，距離A站48.614km，對應桿塔N0093-N0094，位于XX市XX鎮西趙村。故障點N0094塔距離A站48.747km，距離B站123.304km。故障現場放電情況如圖1所示。

圖1 故障現場情況

1.2 故障線路及區段基本情況

1000kV某線起于1000kV A變電站，止于1000kV B變電站。省內責任運維區段為N10號塔小號側第7個間隔棒處（含）至N184號塔大號側第8個間隔棒處（含），運維長度90.394km，鐵塔175基，其中雙回塔38基（耐張塔8基，直線塔30基），單回塔137基（耐張塔22基，直線塔115基）。途徑4個行政縣（市）、13個鄉鎮。

此次故障點N0094塔型為ZB29103，呼稱高60m，位于XX市XX鎮西趙村，地處平原，海拔高度7m。故障區段接地電阻值為15Ω，導線對地高度為49.5m，導線型號為JL1/G1A-630/45，地線型號左側為JLB20A-170，右側為JLB20A-170，邊相導線保護角：≤6°。N0094塔型為ZB29103，高程7m，相鄰大號側N0095為直線塔，檔距527m，高程7m，小號側N0093為直線塔，檔距512m，高程7m。

1.3 故障時段天氣基本情況

故障時現場天氣為中雨，伴有雷電，西風七級，局部十級。

2 故障巡視情況

故障發生后，運維單位立即啟動應急預案，第一時間趕往現場，開展帶電登塔及無人機精確巡檢相結合故障點查找。現場人員先對測距段N0083-N0096進行地面巡視，現場無外破、樹木、異物等痕跡。18時20分，對N0085-N0090完成無人機精準巡查，未發現異常情況。

16日，運維單位8名輸電專業人員分成兩個排查小組，對故障段繼續開展現場排查工作，現場分別對N0092-N0096、N0092-N0086區段開展精確查找。于07時10分，發現N0094塔小號側線夾出口1m處3#子導線有明顯放電痕跡，隨后安排人員開展帶電登塔檢查。發現對應上曲臂側塔材有明顯放電痕跡，初步判斷該處為故障點。專業人員對N0083-N0096進行登塔檢查及無人機巡視，未發現異常。

16日，11時屬地省公司及電科院相關人員到達現場，通過對現場放電點痕跡照片、現場環境、放電通道等情況綜合分析，并結合故障時現場天氣情況、雷電定位系統以及測距信息，最終確認N0094塔為故障點。故障點不影響線路運行。

3 故障原因分析

3.1 故障原因排查

（1）閃絡點痕跡：N0094絕緣子表面和桿塔無鳥糞污染痕跡，周邊未發現易漂浮物，無發生鳥糞閃絡、異物短路閃絡因素；（2）氣象特征：故障當日現場天氣為雷雨天氣，未發生霧霾天氣，不具備污閃環境及氣象特征；（3）風偏放電：經設計核算，在大風工況下（設計風速29m/s時）搖擺角為45.66°，根據當地氣象局信息，當時風速為16.6m/s，導線風偏搖擺角為26.95°，對塔身最小間隙值為6.279m，大于設計規范最小間隙值2.7m的要求，排除風偏放電；（4）桿塔情況：桿塔無固定施工點，不具備外破發生條件。綜合考慮故障的地理特征、天氣特征、閃絡點痕跡等，排除線路發生鳥閃、污閃、風偏、外破故障的可能性。

3.2 雷電定位系統數據分析

故障時刻故障區段線路周邊范圍3km內僅有1次雷電活動記錄，分布在N0094塔區段附近。根據雷電系統信息分析，故障時段，N0094附近，查詢到一負極性的落雷，雷電流為-21.4kA，判斷為雷擊造成跳閘。

3.3 雷擊原因分析

（1）氣象信息復核

風偏復核結果：經相關設計院復核計算，按照設計風速對N0094塔校核，在大風工況下（設計風速29m/s時）搖擺角為45.66°，設計規范最小間隙值要求為2.7m，大風工況下不會對塔身放電。根據當地氣象局信息，當時風速為16.6m/s，導線風偏角搖擺角為26.95°，對塔身最小間隙值為6.279m，確定當時大風工況下不會對塔身放電。

（2）耐雷水平仿真分析

利用ATP-EMTP仿真平臺，對故障桿塔進行建模，進行耐雷水平仿真。考慮風偏后導線對塔身的空氣間隙（導線與塔身空氣距離6.279m），得到不同相角下線路故障桿塔B相平均耐雷水平約為18.4kA。當雷電流為-21.4kA時，通過雷擊閃絡波形如圖2所示，可以看出此時B相導線與塔身之間的空氣間隙發生閃絡，此時耐雷水平比1000kV桿塔繞擊耐雷水平典型值（30kA左右）降低約11.6kA。

圖2 -21.4kA雷電擊中B相導線時各相絕緣子串電壓波形

（3）最大繞擊電流計算

故障桿塔位于平原，導、地線中距分別為16.72m和20.3m，代入計算公式得雷電對避雷線的擊距rsk為80.06，根據IEEE推薦參數可得最大繞擊電流Isk為24.54kA，大于造成此次故障的雷電流幅值，即繞擊耐雷水平（18.4kA）<雷電流幅值（21.4kA）<最大繞擊雷電流（24.54kA），滿足繞擊并閃絡條件，故可以發生繞擊故障。同時通過仿真模型對故障桿塔反擊耐雷水平進行計算，結果表明平均反擊耐雷水平約為325kA，大于此次雷擊故障時的雷電流幅值，故排除反擊可能。

綜上所述，最終判定此次故障原因為風偏造成B相導線與塔身距離明顯減小，同時雷電繞擊B相導線，造成B相導線與塔身放電，即在風偏及雷擊共同作用下，繞擊雷放電故障。

4 防雷措施改進

輸電線路的雷擊跳閘受多種因素的影響，需要結合當地的實際情況在綜合考慮架空輸電線路結構特點以及周圍所具有環境特點的基礎上，合理選擇恰當的防雷措施，從而達到預期的防雷效果。架空輸電線路進行防雷工作的主要工作內容有以下三大部分：第一部分是防雷擊過電壓；第二部分是提高線路絕緣水平；第三部分是提供良好泄放通道。

綜合以上分析，建議可從如下方面進行改進：一是結合線路停電檢修，對塔材進行防腐處理，提高線路的整體絕緣水平；二是可將故障區段列為雷電活動多發區，每年雷雨季節來臨前，開展接地電阻、地線等防雷設施檢測，對不符合要求的及時治理；三是對線路進行防雷評估，制定差異化防雷治理專項方案，采取加裝避雷器、降低桿塔接地電阻等方式，提升線路耐雷水平。