220 kV嘉应-长沙甲、乙线雷击同跳闪络相分布及导线布置方式影响研究

2016-11-23黄振程梦凌张航博金超亮李化周原

广东电力 2016年10期

黄振，程梦凌，张航博，金超亮，李化，周原

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北武汉430074;2.东南大学电子科学与工程学院，江苏南京211189; 3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州510080)

黄振1，程梦凌1，张航博2，金超亮1，李化1，周原3

同塔双回线路已成为主干网架发展的必然选择，由于杆塔高度较高，同塔架设线路面临更加严苛的防雷保护问题，一旦发生双回同时跳闸将对电力系统稳定性造成极大威胁。针对220 kV嘉应-长沙(以下简称“嘉长”)甲、乙线同跳故障案例，综合考虑雷电流幅值、运行相位、导线排列方式、线路避雷器等因素对线路耐雷水平的影响，采用电磁暂态程序(elector-magnetic transient program, EMTP)和ATP(the alternative transients program, ATP)计算软件对线路单相、两相闪络发生规律及闪络相分布特征进行了分析,可提高同塔双回线路的安全性。

嘉长甲、乙线；耐雷水平；仿真计算；导线布置方式

同塔多回线路雷击同跳对系统稳定运行影响较大，广东地区电网密集、雷电活动强烈，以2015年为例，共发生雷击跳闸640次，占全部跳闸次数的74.9%，各电压等级线路雷击跳闸、同跳次数统计：110 kV 分别为516、107次；220 kV分别为103、6次；500 kV 分别为21、0次，从中可见雷击同跳主要发生在220 kV及以下电压等级[1]。雷击同跳造成线路失去较大负荷，极大影响了系统的稳定性[2-4]。本文结合220 kV嘉应-长沙(以下简称“嘉长”)甲、乙线路双回同跳案例，在闪络先导发展模型、杆塔多波阻抗模型、线路避雷器模型的基础上，采用电磁暂态程序(elector-magnetic transient program, EMTP)和ATP(the alternative transients program, ATP)计算软件建立同塔双回输电线路反击计算模型，并考虑系统运行电压及导线布置方式对耐雷水平的影响，对本次跳闸过程及原因进行了深入分析。

1 事故情况

220 kV嘉长甲、乙线全长19.92 km，共47基杆塔，全线同塔架设。2016年4月13日嘉长甲、乙线跳闸，甲、乙线两侧故障电流均分别为8.27 kA、3.23 kA。巡查现场后，发现220 kV嘉长甲线18号塔L2相(下相)合成绝缘子串均压环有闪络痕迹；220 kV嘉长乙线18塔号L2(下相)合成绝缘子串下均压环有闪络痕迹。嘉长甲、乙线电流波形及母线电压波形如图1(a)、(b)所示。

图1 嘉长甲、乙线故障录波曲线

从图1(a)、(b)可看到，嘉长甲线和嘉长乙线同时发生单相(L2相)接地故障，短路电流持续时间0.5 s。查询雷电定位系统，线行周围1 km，前后3 min有雷电活动，记录17—18号铁塔线行附近有1次82.5 kA的正极性落雷。

查设计图纸，220 kV嘉长甲、乙线18号塔塔型为2ASZC232-28，设于山顶位置，保护角为0°。导线型号2×LGJX-300/40，地线型号LGJX-95/55。嘉长甲、乙线18号塔合成绝缘子型号FXBW3-220/100。干弧距离2 000 mm。双回采用了同相序垂直排列，两回线路排列为L3(上)、L1(中)、L2(下)。经设计院计算，线路反击耐雷水平电流为93.5 kA。18号塔与相邻两侧17号塔、19号塔之间的档距分别为626 m、441 m，其中19号塔双回线路L1、L3相安装4支HY10CX1-192/500型避雷器，支撑间隙型。杆塔所处土壤电阻率为2 000 Ω·m，设计接地电阻不小于30 Ω，复测接地电阻10.2 Ω。

2 故障分析及仿真建模

2.1 故障初步分析

事故发生时，雷电定位系统显示雷击电流幅值为82.5 kA，考虑定位系统测量存在15%的误差，仍比一般绕击耐雷水平电流10 kA高很多[5-6]，绕击跳闸可能性极小，此外跳闸前后仅有一个落雷，不能同时造成双回绕击；如果故障为反击跳闸，本次雷电流幅值为82.5 kA，低于杆塔设计参考耐雷水平电流93.5 kA，计及系统测量误差，认为反击的可能较大。分析电流和电压录波曲线(见图1)可知，雷击时刻，L2相运行电压处于电压负半周，且雷电流为正极性，雷击时刻导线电压瞬时值对故障相别影响较大，因此有必要研究杆塔在较严重情况下耐受反击雷的能力。

2.2 杆塔模型

为精确起见采用T.Hara提出的等值分布模型为基础的杆塔多波阻抗模型[7]，根据杆塔不同位置参数计算得出对应的波阻模拟线路杆塔。18号杆塔设置参数见表1。线路终端取10 km的长线模拟，保证仿真时长内反射波未到达闪络点。

表1 18号杆塔参数 m

内容数值内容数值避雷线横担长度l15.65避雷线悬挂点高度H155.1上横担长度l25.2上相导线悬挂点高度H252.1中横担长度l35.65中相导线悬挂点高度H345.4下横担宽度l45.25下相导线悬挂点高度H439塔基底长l59.81横坦Z1与塔身连接处宽度b1.5支架宽度l61.5

2.3 雷电模型及闪络判据

雷电过程是一个很复杂的过程，从雷电的实际观测效果和防雷保护的工程角度出发，将其抽象为数学模型后再等值为简单电路[8]。仿真模型计算选择了波头、波尾时间分别为1.2 μs、50 μs的双指数标准雷电波[5]，其表达式为

(1)

式中：i为雷击电流；I0为雷击电流幅值，对应的时间α=68.5 μs,β=0.404 μs。为便于比较，雷电流均与设置与本次落雷极性相同的正极性，通道波阻抗取400 Ω[9]。为了保证仿真的准确性，建立了发生闪络的18号杆塔及其两侧相邻2基杆塔(其中19号杆塔装设有4只避雷器)的模型。

雷击闪络时，绝缘子串等效为空气间隙，绝缘子闪络可采用空气间隙作为闪络判据[10]，本文采用先导法作为绝缘子闪络判据，通过EMTP 中TACS(transient analysis of control systems, TACS)子程序进行控制，认为在冲击电压下的绝缘的击穿发展时间段可分为5个[11-12]：电晕起始时间t1(单位μs，下同)，流注发展时间t2，离子波传播时间t3，先导发展时间t4和气体加热时间t5，即击穿发展时间

(1)

由于t3、t5可忽略不计，在极不均匀场中，电晕起始电压远低于闪络电压，因此t1也可忽略不计。当间隙达到流注起始场强时，流注开始发展，流注起始场强E0=350kV/m，则

(2)

式中:E0为绝缘子击穿的平均场强，kV/m；E为绝缘上最大电场梯度，kV/m。

流注发展完后，先导开始产生。Rizkd认为先导的起始电压U0(kV)与间隙长度L(单位为m )应满足下列关系，即

(3)

先导的发展速度

(4)

式中：U为间隙承受电压，kV；x为先导发展长度，m；Eex为先导通道电场强度，kV/m；E2为流注平均场强，kV/m；k为先导速度发展系数。在负极性冲击下,k=0.8、E2=500 kV /m的同时

(5)

随着先导的不断发展，间隙L减小，先导速度v加快，当先导长度x发展到一定时，会发生跃变过程，引起L直接击穿。最终跃变长度(m)

(6)

故障双回导线为同相序竖直排列方式，为此，探讨了双回采用逆向序排列时的反击耐雷水平，在两种布置方式下，雷击位置位于甲线上方避雷线悬挂点。导线相序排列方式如图2(a)、(b)所示。

图2 导线相序排列方式

3 线击耐雷水平分析

3.1 雷电反击时杆塔电位分布

当不考虑输电线路运行电压时，影响反击耐雷水平的杆塔结构因素主要有横担高度、导线与避雷器的耦合系数[12-13]，220 kV典型双回杆塔的反击耐雷水平电流是75～110 kA。选取幅值为100 kA的雷电流作用于避雷线时，各层横担上产生的电压波形如图3所示。

上相、中相、下相分别指杆塔从上到下横担，也即上横担、中横担、下横担处电压位置。图3 杆塔电位分布

由图4的仿真波形可知，三相杆塔横担冲击电压波形相同，出现的振荡是两基杆塔之间的折返射形成的。改变雷电流幅值，各层横担及导线电位值见表2。

表2 不同雷电流幅值对应的横担电位

雷电流幅值/kA横担各位置的电位/V上中下903.33×1063.01×1062.69×1061003.66×1063.31×1042.96×106

由表2可见，反击雷电流幅值越大，横担间电压越大，90 kA雷电流对应的相邻横担间电压差为300 kV；100 kA雷电流对应的相邻横担间电压约为350 kV。如用集中电感对电位差进行计算，将塔材等效电感取0.5 μH/m，相邻横担高度差取6.5 m，雷电流幅值取100 kA，波头时间为1.2 μs，得出相邻横担电位差为270 kV，与表2的仿真计算值350 kV相比则更小。

不考虑系统运行电压时的杆塔反击耐雷水平电流见表3。

表3 不考虑系统运行电压情况下的杆塔反击耐雷水平

闪络形式闪络电流/kA闪络相位单相闪络113乙线L3相两相闪络117乙线L3相、乙线L1

由表3可见：

a) 在不考虑运行电压相位情况下，上相耐雷水平最低，最容易发生绝缘子闪络；其次是中相和下相。这是由于上相所处杆塔位置高、杆塔等效电感上压降最大所导致。

b) 闪络发生在避雷线对侧，表明避雷器对导线屏蔽受距离影响，导致闪络电压。事故线路中甲线上方设置避雷线，因此只在乙线发生单相闪络。

以上分析为不考虑系统运行电压的情况，如果考虑系统运行电压影响，220 kV线路相邻两层间可能出现的最高电压为系统最高线电压356 kV，大大高于横担高度在相邻导线上形成的电位差，说明考虑系统运行电压后，单相闪络不一定再出现在顶层，这与故障中下相导线(L2相)处于反极性电压时闪络的情况一致。只有当雷电流幅值继续增大到一定程度，横担间电位差高于系统运行电压在两相间形成的差异，表现为顶层最容易闪络的特性。

3.2 正序时的反击耐雷水平

系统运行电压对反击耐雷水平电流影响大，由于导线上的交流周期电压具有很大的随机性，考虑运行电压对耐雷水平电流的影响必然需要考虑导线排列布置方式及雷击时所处相位[14]。以L1相处于负峰值时刻为时间起点，在1个周期内每隔10°选取一个点，共对36个点的最小单相和双相闪络雷电流进行计算，发现12个点中最小的单相、两相反击雷电流出现时刻均对应于某相导线系统运行电压与雷电反极性峰值时刻，即每个周期有3个时刻(此时L1、L2、 L3三相处于负峰值)线路的反击耐雷水平电流最低。表4列出了1个周期内18号杆塔3个最低反击雷电流对应的单相、双相闪络相和雷电流幅值。

表4 正序闪络电流 kA

雷击时刻运行电压相位单相闪络雷电流双相闪络雷电流L1相91(乙线)103(甲线、乙线)L2相91(乙线)103(甲线、乙线)L3相94(乙线)111(甲线、乙线)

注：雷击时刻，甲线、乙线的L1、L2、L3三相都处于负峰值(下同)。

从表4可以看出：

a) 1个周期内3个最不利条件下的单相闪络均发生在受雷击避雷线的对侧导线，闪络相即为电压反峰值相，说明闪络与横担位置无关。

b) 3个点中最小的单相耐雷水平电流为91 kA，比忽略运行电压时的113 kA降低了22 kA，说明考虑系统运行电压，耐雷水平电流计算更严格。

c) 36个点中引起双相闪络的最小雷电流为103 kA，均为异回线路的同名相，这与本例故障中双回下相闪络情况一致，文献[13]也指出两相闪络多为异回线路同名相闪络。

d) 其他非最不利时刻(例如两相运行电压处于反峰且相近时)也出现了异回线路非同名相闪络。由于双相闪络比单相闪络更为复杂，理论上不排除在一个周期内其他特定时刻出现幅值更低的双相闪络反击雷电流。

3.3 逆序时的耐雷水平

事故双回线路采用同相序排列，文献[15]指出同相序排列强调了回路间的平衡，但牺牲了防雷性能。因此，仿真中，保持甲线三相位置不变，将乙线上、下横担导线互换，模拟了三基杆塔逆序排列的情况如图2(b)所示。在1个周期内每隔10°选取1个点，共对36个点对逆向序排列情况的单相和双相闪络电流进行了计算，得出结论与同相序类似，36个取样点中最小的单相、两相反击雷电流出现时刻均对应于某相导线系统运行电压与雷电反极性峰值时刻，即每个周期有3个时刻的反击耐雷水平最低。表5给出了18号杆塔逆向序排列情况下反击的3个单相、双相最小雷电流幅值及对应闪络相。

表5 逆序闪络电流 kA

从表5可以看出：

a) 在1个周期内，3相处于负峰值的3个最不利时刻中，发生单相闪络的最小雷电流为91 kA，该数值与正序排列情况相同。闪络相即是系统运行电压负峰值相，与导线所处高度无关，表明相序排列方式对耐雷水平电流影响不大。

b) 双相闪络的最小雷电流为102 kA，与同相序相比略低。

3.4 故障工况相位时(电源相位-18°)

事故发生时，导线的系统运行电压并非处于最不利的时刻，为了重现故障时刻反击发生过程，设置L2相电压处于电压负半波相位-18°，得出电压波形如图4(a)、(b)所示。

1—乙线L2相；2—乙线L3相；3—乙线L1相；4—甲线L2相；5—甲线L1相；6—甲线L3相。图4 故障时刻的耐雷情况

仿真发现：当18号杆塔塔顶遭受幅值为82.5 kA的正极性雷电流作用时，三相均不发生闪络；如果雷电流幅值进一步上升达到96 kA时发生单相(L2相)闪络，105 kA发生双相(双回L2相)闪络。对比实际闪络情况，仿真得出的耐雷水平电流比实测值高出13.5 kA，由于雷电流实际测量数据误差为15%～20%，实际落雷电流幅值可能比82.5 kA高，此外仿真采用的标准雷电流模型也可能与实际波形存在差异。

3.5 19号杆塔线路避雷器对仿真结果的影响

仿真测试考虑了临近杆塔装设避雷器对本杆塔的影响。实际上19号塔安装了带并联间隙的线路避雷器(精确出发，忽略间隙击穿而将避雷器本体直接并联在绝缘子两端)，计算仿真结果表明，19号杆塔线路是否安装避雷器对18号杆塔耐雷水平测试结果基本无影响。

4 结束语

对220 kV嘉长甲、乙线雷击导致双回同跳事故进行了仿真计算，考虑系统运行电压及导线排列方式，分析线路单跳及同跳分布规律，得出以下结论：

a) 不考虑系统运行电压， 18号杆塔上相比下相更易发生反击跳闸；考虑系统运行电压，小于100 kA的雷电流，相邻横担间雷击引起电位差小于导线间系统线电压峰值，因此不是每次闪络都发生在上相，而是受挂点高度和系统运行电压的共同作用；大于100 kA的雷电流，相邻横担电位差增大，挂点高度才起决定性作用。

b) 考虑系统运行电压时的反击耐雷水平电流降低，18号杆塔最小单相反击耐雷水平电流出现时刻对应于某相导线与运行电压反峰相位时刻，闪络相为导线相，与导线所处横担位置及相序布置方式无关；对比左右两侧线路，闪络发生在在落雷避雷线对侧的一回导线。从幅值上看，造成单相闪络的最小雷电流幅值分别为正序91 kA，逆序91 kA。

c) 18号杆塔双相闪络，在仿真选取的1个周期36个采样点中，最小的双相反击耐雷水平电流出现时刻同样对应于某相导线与运行电压反峰时刻，闪络相均为双回线路的同名相导线，与导线所处横担位置及相序布置方式无关，在其他非最不利时刻的双相闪络(例如两相电压处于反相且幅值接近时)，也可能出现异回线路非同名相闪络。此外，双相闪络的影响因素复杂，通过对采样点进行计算方式可能无法体现最低幅值。

d) 相邻杆塔是否安装线路避雷器对落雷杆塔耐雷水平没有明显影响。根据文献[16]的规定：竖直排列时使用悬垂绝缘子串杆塔的最小垂直线间距离220 kV为5.5 m。实际运行中220 kV双回竖直排列杆塔各层横担间高度差在6.0～6.7 m范围内，本例中18号杆塔在此范围，由于闪络相分布主要受到横担高度差及系统运行电压幅值两方面影响，可以推断所得出的闪络相分布规律结论对其他典型220 kV双回竖直排列杆塔具有一定的适用性，有必要进行深入研究。

[1] 施纪栋，邓旭，周浩，等. 220 kV 同塔双回线路雷击同跳事故仿真与闪络相分布[J].电力建设, 2014, 35(1):50-56.

SHI Jidong，DENG Xu，ZHOU Hao, et al. Lightning Multi-tripping Accidents and Flashover Phases Distribution Multi-tripping Accidents and Flashover Phases Distribution in 220 kV Double-circuit Transmission Lines[J]. Electric Power Construction, 2014, 35(1):50-56.

[2] 谷定燮. 500 kV 输变电工程设计中雷电过电压问题[J]. 高电压技术，2000，26(6)：60-62.

GU Dingxie. The Research on Lightning Over-voltages of 500 kV Transmission Engineering Design [J]. High Voltage Engineering，2000，26 (6)：60-62.

[3] 赵兴勇，唐震，李伯阳. 1 000 kV 交流同塔双回输电线路反击性能研究[J]. 华东电力，2010，39 (6)：0931-0933.

ZHAO Xingyong，TANG Zhen，LI Boyang. Study on the Properties of 1 000 kV AC Transmission Line on the Same Tower Double Circuit Counter[J]. East China Electric Power，2010，39(6):0931-0933.

[4] 杜林, 陈寰, 陈少卿,等. 架空输电线路雷电绕击与反击的识别[J]. 高电压技术, 2014，40(9):2885-2893.

DU Lin，CHEN Huan，CHEN Shaoqing，et al. Identification Method of Shielding Failure and Back Striking for Overhead Transmission Line[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(9):2885-2893.

[5] 颜喜平. 220 kV同塔双回输电线路防雷性能研究[D].长沙：长沙理工大学, 2009.

[6] 王芳, 张小青, 康春华. 输电线路的杆塔模型[J]. 广东电力, 2006, 19(10):17-19.

WANG Fang，ZHANG Xiaoqing，KANG Chunhua. Tower Models of Transmission Lines[J]. Guangdong Electric Power, 2006, 19(10):17-19.

[7] 崔涛. 输电线路防雷计算中绝缘子串闪络判据研究[D]. 武汉：华中科技大学, 2009.

[8] 陈娜娜. 雷电流数学模型的对比分析[J]. 电气开关, 2010(3):82-84.

CHEN Nana. Contrast and Analysis of the Mathematical Model of Lightning Currents[J]. Electric Switcher，2010(3):82-84.

[9] 杨秋霞,朱立波. 基于ATP-EMTP的输电线路反击耐雷性能计算与仿真[J]. 电气开关, 2010(4):47-50.

YANG Qiuxia，ZHU Libo. Calculation and Simulation of Counterattack Thunder-resisting Performance of Transmission Lines Based on ATP-EMTP[J]. Electric Switcher，2010(4):47-50.

[10] 许亿志. 双指数函数拟合标准雷电波的改进方法[J]. 安全与电磁兼容, 2013(4):69-72.

XU Yizhi. Improved Method of Double Exponential Function Fitting Standard Lightning Wave[J]. Safety & EMC, 2013(4):69-72.

[11] GB/T 311.4—2010,绝缘配合第4部分：电网绝缘配合及其模型的计算导则[S].

[12] 张志劲，廖瑞金，孙才新. 500 kV 同杆双回输电线路耐雷性能分析[J].重庆大学学报，2003, 26(7)：70-72.

ZHANG Zhijin, LIAO Ruijin, SUN Caixin. Analysis on the Lightning Protection Performance of 500 kV Double-circuit Transmission Line[J]. Journal of Chongqing University, 2003，26(7)：70-72.

[13] 李俊华, 黄福勇. 同塔双回线路防雷综述[J].湖南电力，2008, 6(28): 21-240.

LI Junhua, HUANG Fuyong. Survey of Lightning Protection for Double Circuit Transmission Line[J].Hunan Electric Power, 2008,6(28):21-24.

[14] 张殿生. 电力工程高压送电线路设计手册[M].2版.北京：中国电力出版社，2002.

张航博(1994年)，男，广东珠海人。在读本科生，主要研究方向为事电磁干扰与电磁屏蔽。

(编辑王夏慧)

Flashover Phase Distribution due to Simultaneous Tripping and Influence of Conductor Arrangement of 220 kV Jiachang Lines

HUANG Zhen1, CHEN Mengling1, ZHANG Hangbo2, JIN Chaoliang1, LI Hua1, ZHOU Yuan3

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan, Hubei 430074, China; 2. School of Electronic Science and Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 211189, China;3.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080,China)

Double-circuit on the same tower has become necessary for development of the main network, but due to higher depth of the tower, it faces with more rigorous problem of lightning protection. Once double-circuit is in simultaneous tripping, there will be great menace to stability of the power system. In allusion to one case of simultaneous tripping fault on 220 kV Jiachang lines, this paper considers influence of lightning current amplitude, operational phases, conductor arrangement modes and arrestors on lightning resistant level, and uses electromagnetic transient program (EMTP) and the alternative transient program (ATP) to analyze regularities of outbreak of single phase and double phases flashover and flashover distribution features, which can improve security of double-circuit on the same tower.

Jiachang lines; lightning resistant level; simulating calculation; conductor arrangement

2016-07-01

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.023

TM863

1007-290X(2016)10-0133-06

黄振(1990)，男，湖北汉川人。在读硕士研究生，主要研究方向为高电压技术。

程梦凌(1991)，男，湖北襄阳人。在读硕士研究生，主要研究方向为高电压技术。