1000kV特高压同塔双回架空输电线路雷击跳闸故障及防雷分析

2017-09-23谢辉，刘静

宿州学院学报 2017年7期

关键词：耐雷同塔避雷线

谢辉，刘静

国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥，230022

1000kV特高压同塔双回架空输电线路雷击跳闸故障及防雷分析

谢辉，刘静

国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥，230022

为解决交流特高压架空输电线路因线路走廊环境多样,网络参数复杂，输送距离远，杆塔高，引雷面积大而造成的易遭受雷击的危险，利用ATP-EMTP进行特高压线路耐雷水平计算，同时采用改进的EGM电气几何模型，进行反击、绕击跳闸率分析，提出特高压同塔双回线路绕击风险最高相不同于超高压同塔双回线路，特高压同塔双回线路的中相导线在地线、上相导线、下相导线的屏蔽下，绕击风险降低；而下相导线远离地面，地面对它的保护屏蔽作用减弱，造成下相导线的绕击率提高，特别是在具有较大的倾斜角下，下山侧的下导线暴露弧面加大，绕击率显著提高，因此应采用不同于超高压线路的防雷重点，兼顾考虑同塔双回中、下相导线特别是上山坡侧的下相导线为重点，采取防雷措施，以保证特高压交流输电线路安全运行。

1 000 kV特高压输电线路；雷击跳闸;EGM电气几何模型

1 000 kV特高压交流输线路廊大多穿过复杂的环境地区，网络参数复杂，输送距离远，杆塔高，引雷面积大，易遭受雷击的危险[1-2]。在防雷保护设计、运行维护等方面，是否能够将 500 kV输电系统的运行经验直接推至1 000 kV输电系统设计，以及在运行经验少的情况下，如何针对雷害特点做好防雷工作，提出防雷策略，提高线路安全的可靠性是业界需要解决的问题。

本文分析了安徽省交流特高压同塔双回输电线路一起雷击跳闸故障，运用ATP-EMTP进行特高压线路的耐雷水平计算，同时研究并改进了EGM电气几何模型，进行典型杆塔反击、绕击跳闸率分析，计算线路的防雷性能，确定防雷工作的重点，以保证特高压交流输电线路的安全运行。

1 特高压同塔双回线防雷研究现状

国内外学者对超、特高压输电线路的反击与绕击耐雷性能进行了大量的理论与应用研究，指出特高压输电线路雷击有两个特点[3-4]：(1)线路的绝缘水平很高，雷击避雷线或者塔顶发生反击闪络的可能性较低；(2)线路杆塔较高，山区线路多，较易发生绕击。因此，对于具有新特点的特高压输电线路防雷，不能完全照搬以往低电压等级的研究成果。线路运行经验表明，500 kV及以上架空输电线路雷击跳闸的主要原因为绕击，杆塔的高度、地线保护角、杆塔所在地区的地形、地貌等地质条件等均对雷电绕击导线的概率产生影响[2]。

交流特高压杆塔由于在设计时选择较高的耐雷水平设计方案，因此在防雷保护方面没有采取其他防雷措施，安徽省交流特高压线路仅试点安装一只线路避雷器。但在2016年发生一起雷击跳闸故障，说明特高压线路依然存在较大的雷击风险，需开展进一步的研究。

2 跳闸概况

2016年，安徽省特高压湖安线发生一起雷击跳闸故障。1 000 kV湖安线途经安徽、浙江两省，线路在安徽境内长度为114.163 km，杆塔228基(1#～228#)，2013年9月25日投入运行，这是首次发生雷击跳闸故障。2016年6月20日9时25分50秒，1 000 kV湖安Ⅱ线B相(同塔双回左中相)故障跳闸，重合成功，故障相B相为中相，根据雷电定位系统查询，与跳闸时间同时有1次落雷位于142#杆塔前后，雷电流幅值为-56.0 kA。经巡查，142#B相绝缘子、导线端均压环上有明显放电痕迹。

142#杆塔型号为SZC306，79.5 m，全高124.8 m；导线型号为8×LGJ-630/45钢芯铝绞线，右侧地线采用JLB20A-240铝包钢绞线，左侧光缆采用OPGW-240复合光缆。绝缘配置为双联I串复合绝缘子，型号为FXBW-1000/420，结构高度9 000 mm，爬距32 000 mm。故障杆塔与前后5个基杆塔设计电阻值为30 Ω，雷害等级为C2级。故障区段平均海拔高度为105 m，主要地形为丘陵，B相导线的地线保护角为-10.85°。

根据现场绝缘子、导线均压环上的放电痕迹，结合雷电定位系统记录，判断此次故障原因为雷击。这是安徽省自特高压交流线路投入运行以来第一次出现雷击跳闸故障，说明特高压线路即使防雷设计水平高，依然存在雷击跳闸风险，有必要进行相关的分析研究。

3 特高压同塔双回线防雷特性分析

本文采用ATP-EMTP进行特高压线路的耐雷水平计算，同时采用规程法、EGM电气几何模型进行反击、绕击跳闸率分析[3]。

绝缘闪络主要采用绝缘子串两端出现的过电压超过绝缘子串或空气间隙的50%冲击放电电压方法作为判断，当雷电流满足Imin>U50%/100，才可能出现闪络，而根据安徽省输电线路的实际运行情况，由于受到污区、风速、温度等自然环境的影响，绝缘子串绝缘水平下降，在雷电流小于该Imin的情况下，也有可能发生雷击跳闸故障。

3.1 反击性能

采用典型直线塔SZC306进行反击耐雷水平和反击跳闸率的计算。

典型杆塔的结构如图1所示。导线绝缘子串的干弧距离为9.8 m，杆塔呼高取63 m，导线弧垂取20 m，避雷线弧垂取18 m。

图1 1000kV同塔双回线路典型杆塔

运用不同的计算方法，典型杆塔在不同杆塔接地电阻下的反击跳闸率计算结果如表1所示。

表1 1 000 kV特高压同塔双回杆塔的反击耐雷性能

根据计算结果可知，特高压杆塔的反击耐雷水平很高，同时降低接地电阻可有效提高杆塔反击耐雷水平和反击跳闸率。根据历年雷电定位系统对落雷的统计，雷电流超过最小值的可能性非常低，近5年安徽省仅发生一起线路雷击跳闸的雷电流超过135 kA。根据运维单位记录，安徽省特高压线路杆塔的接地电阻一般在10 Ω以下，因此特高压杆塔反击风险低，不是防雷工作的重点。

3.2 绕击性能

(1)规程法：根据DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压与绝缘配合》，线路绕击耐雷水平为绝缘子50%放电电压U50%/100，根据特高压线路的绝缘配置可知，该线路绕击耐雷水平约为47 kA。

(2)ATP-EMTP仿真计算：采用ATP-EMTP进行电磁仿真计算，其中雷电流使用软件自带的雷电流源，为2.6/50 μs雷电流波，雷电通道波阻抗取300 Ω；杆塔模型采用多波阻抗模型，不仅考虑波在杆塔中的行进过程，还考虑杆塔自身的结构以及高度对地电容的变化；线路杆塔采用LCC建立Jmarti模型，考虑地线和导线间的耦合以及大地回路的集肤效应，以提高计算精度。

采用电磁暂态仿真程序，结合杆塔、导线等具体参数，计算该基杆塔的绕击耐雷水平为36～42 kA，低于规程法计算值。

(3)绕击风险分析：电气几何模型是将雷电的放电特性与线路结构尺寸联系而建立的一种几何分析计算模型，雷电先导在达到被击物体临界击距前击中点是不确定的，先达到哪个物体的击距之内，就向该物体放电，雷电流对应击距可根据以下公式确定：

由电气几何模型获得Imax后，线路绕击率可根据以下公式进行计算：

根据电气几何模型的原理，112#号杆塔避雷线，上、中、下相导线挂点位置O0、O1、O2、O3如图2所示。假设雷电流Is的击距为rs，以rs为半径，分别以避雷线和上、中、下相导线挂点位置为圆心作圆弧，当雷电流较小时，对应的击距r较小(如如击距为rs1)，此时避雷线仅对上导线有一定的屏蔽作用，中相导线和下相导线完全暴露在绕击弧面上。随着雷电流的增大，击距r增加(如如击距为rs2)，此时避雷线对上、中相导线均有屏蔽作用，上相导线对中相导线也有一定的屏蔽作用，中相导线对下相导线也具有一定的屏蔽作用[4]，击中弧AskCsk，即击中中相导线发生绕击，击中弧C0Csk，即下相导线发生绕击，击中A0Csk，则避雷线发生绕击。

随着雷电流的进一步增加，以避雷线和下导线为圆心圆弧交于Am，以中导线和下导线为圆心圆弧交于Cm，当雷电流再增加时，不会再发生绕击。

根据上述分析可知，对于本基杆塔，上相导线基本处于避雷线和中相导线的保护范围内，绕击概率极低，即便发生绕击，绕击雷电流低，不会对线路绝缘和机电保护系统造成影响而跳闸。

中相导线处于上相、避雷线和下相导线的保护中，由图2可以看出，中相导线的曝露绕击弧面较小，即绕击率较低。

由于特高压杆塔呼高为84 m，去掉绝缘子结构高度9 m，导线挂点距地面仍然有75 m，特别是本基杆塔处于山顶位置，地面倾斜角较大，由图2可以看出，在可发生绕击的雷电流内，地面对下相导线的屏蔽作用可以忽略不计，因此，对本基杆塔来说，下相导线的绕击风险最高。

图2 特高压杆塔改进电气几何模型

采用EGM计算特高压同塔双回输电线路的雷电绕击性能[7]，线路绕击跳闸率结果如表2所示。

表2 典型号杆塔在不同地面倾角下的绕击跳闸率(地线保护角-17°)

由改进后的电气几何模型发现，特高压同塔双回线路由于杆塔结构高，绕击风险最高相已不同于超高压同塔双回线路，此时中相在地线、上相导线、下相导线的屏蔽下，绕击风险降低；而下相导线远离地面，地面对它的保护屏蔽作用减弱，造成下相导线的绕击率提高，特别是在具有较大的倾斜角下，下山侧的下相导线暴露弧面加大，绕击率显著提高。