多重雷绕击750 kV同塔双回线的事故分析

韩彦华，邓军波，高 峰，齐卫东，张 鹏，张冠军

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安710054；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049）

多重雷绕击750 kV同塔双回线的事故分析

韩彦华1，邓军波2，高 峰1，齐卫东1，张 鹏1，张冠军2

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安710054；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049）

利用PSCAD/EMDTC电磁暂态仿真软件对一起750 kV同塔双回输电线路跳闸的事故进行了仿真分析，结合现场的录波图确定了事故产生的原因为多重雷电绕击输电线路引起的继电保护动作闭锁了单相重合闸，后续雷击引发的单相对地闪络导致了线路跳闸。针对本次事故原因提出继电保护动作之前对雷电过电压的特征进行分析，以确定是否需要采取单相跳闸。

输电线路；雷电绕击；电磁暂态；单相自动重合闸

0 引言

雷电一直是影响输电线路安全稳定运行的重要因素之一，国内外学术界对此展开了广泛而深入的研究[1-6]。在我国，雷击引起的高压线路跳闸次数占线路总跳闸次数的40%～70%[7-8]。随着电压等级的提高，线路的绝缘水平随之提高，雷电直击

塔顶或避雷线造成的危险程度不断下降。但是杆塔的高度也随之提高，绕击的可能性也越来越大。一旦发生绕击，线路上会出现非常高的过电压，可能会造成绝缘子闪络，或者沿线传播至线路两端，造成继电保护的动作，进而导致线路跳闸，影响供电的可靠性[9]。

750 kV同塔双回输电线路，由于其杆塔非常高，很容易遭受雷击。2014年7月13日，西北电网的750 kV同塔双回输电线路横洛I线发生雷击跳闸事故。该条线路在2013年7月14日也曾出现类似的跳闸事故。雷击跳闸事故的频繁发生，严重影响了供电的可靠性。

由于750 kV同塔双回线路输送的容量非常大，一旦发生跳闸，不仅会造成大面积停电和经济损失，还会对电网的安全运行造成巨大的冲击，有可能造成系统解列的严重后果。例如北美大停电就发生在2003年8月的夏季负荷高峰时期，由于3条345 kV的输电线路相继因为各种不可预测的环境因素发生了跳闸事故，最后造成了整个电网的崩溃，据估算，该次停电造成的损失在500亿美元左右。对于750 kV输电线路来说，其输送的容量甚至会超过3条345 kV输电线路。一旦发生跳闸，对电网的巨大冲击力不可轻视。另外，由于雷电活动范围比较大，如果线路设计不合理，极有可能造成一条750 kV线路在雷电跳闸没有恢复供电之前，发生另一条750 kV线路跳闸，或者发生同塔双回线路的两回路跳闸，这种概率虽然较低，但是也有可能发生。一旦发生这种情况，其巨大的损失无法弥补。因此通过电磁暂态仿真重现事故的真实过程，找到事故产生的根本原因，提出合理的解决策略显得十分迫切。

1 事故发生过程简介

洛横线为750 kV同塔双回线路，线路长度为269 km，每回线路两端均装有100 Mvar的电抗器，见图1。2014年7月13日18时36分32秒，7117洛横I线纵联差动保护动作，故障相别为A相，36 ms后榆横侧A相开关跳闸，86 ms后横洛I线电抗器保护零序比例差动启动，120 ms后B、C相开关跳闸。故障时刻的录波见图2，在T1时刻，线路A相电压和电流波形均出现了高幅值的冲击震荡波，B、C相同时也出现了较低幅值的冲击震荡波；A相电压波形图在T1～T9时刻均出现了幅值不等的高频衰减震荡波；三相电流分别在Ta、Tb、Tc时刻降为0。

图1 750 kV同塔双回洛横线路示意图Fig.1 750 kV double circuit Ruo-Heng transmission line

图2 雷击线路故障录波图Fig.2 Wave of the lightning fault of transmission line

以首次遭受雷击的时刻T1为时间零点，通过检查继电保护设备的动作情况，画出了开关的开关动作时序，如图3所示，洛川变侧的开关动作时刻均晚于榆横变侧，说明雷击点在靠近榆横变的地方。

图3 开关的动作时序Fig.3 Time sequence of the switching

图4为线路所经过区域的地形图，这是典型的黄土高原地形，线路所经过区域沟壑纵横，还有较多的坡地，常常会出现地面倾角较大的情况，由于地面的屏蔽作用减弱，可能会遭受较大雷电流绕击线路的情况。在遭受绕击之后，绝缘子可能因为过电压较高而闪络，但是由于750 kV绝缘子串本身的闪络电压高，也可能会出现绝缘子不闪络，但是有较大的雷电流在线路中向两侧传播的情况。

图4 线路所在区域的地形图Fig.4 Regional geography of the transmission line pass through

2 事故原因分析

经过分析发现，本次事故是由多次雷击造成的，所谓多次雷击，是指我们看到的一次雷云放电都是由多次雷击构成的，每次雷击相隔数十ms至数百ms。雷云放电的机理和发展过程在高电压技术相关的教材上都有描述，如图5所示[10-11]。

雷电的多次放电会走同一个通道，其原理可用图5（a）来解释：雷云中的电荷分布往往并不均匀，形成若干个电荷密集中心，每个电荷中心的电荷为0.1～10 C。通常负电荷中心离地面较近，正电荷中心离地面较高。一次对地雷击时，雷电通道由于强烈的放电，产生了大量的正负电荷，电子移动速度快，迅速通过放电通道泻入大地，而正电荷移动速度慢，在一次放电结束后的短时间内，放电通道依然存在大量的正电荷。雷击伴随的闪光会触发附近的负电荷中心对通道遗留的正电荷放电，使得负电荷和正电荷发生强烈的复合效应，原来放电通道遗留的正电荷会诱导二次雷击走同样的通道。在每次雷云放电之后，地面上可以测到如图5（b）所示的雷电流。

图5 多次雷击的发展示意图Fig.5 The development of continuous lightning stroke

在图2的故障录波图中，A相电压波形在T1～T9时刻发生多次暂态过程，其中高频震荡来自于雷云放电注入到了输电线路中，也就是发生了雷击导线的情况。在这些雷击中，有些对输电线路的冲击较大，甚至造成了跳闸、对地闪络等后果，比如T1、T2、T7时刻的雷击，为了便于后面的分析，分别被称为第一、第二次和第三次雷击；有些雷击影响较小，没有带来大的后果，只表现为一次电压或电流的高频冲击，在本文中被忽略不计。

多重雷击输电线路的事例在国内文献中也有记载，2008年7月30日，广东省220 kV北石乙线A相发生了开关爆炸事故[12]。北石乙线A相遭第一次雷击40 ms后线路A相两端开关跳闸，随后单相重合闸开始启动，但是单相重合闸需要经过800 ms才能出口。在340 ms时刻A相再次遭受雷击并引发了对地闪络，形成单相接地故障，并造成了线路开关A相发生爆炸。

3 仿真模型建立

为了模仿事故发生的经过，笔者针对该输电线路建立了PSCAD/EMTDC仿真模型。模型的具体建立过程如下。

3.1 线路参数

系统额定电压750 kV，最高运行电压800 kV；架空地线为6分裂钢芯铝绞线；导线横截面积400 mm2；导线型号为6×LGJ-400/50，子导线分裂间距400 mm；绝缘子长度通常为6.29～9.73 m，分几个类型，依据线路所处污秽等级、海拔高度不同而不同。年雷电日取40。杆塔段的等效示意图见图6。

图6 杆塔段的等效示意图Fig.6 Equivlent diagram of tower section

3.2 计算模型

国外一些学者在试验基础上提出了超高压线路杆塔的多波阻抗模型，该模型虽然考虑了波在杆塔上的传播过程，并根据这一特点，将杆塔分割成几个部分来模拟，建立了更精确的模型，但仍未考虑杆塔不同部位波速的变化[13-15]。本文模型采用的是基于杆塔多波阻抗模型，杆塔不同位置采用不同视在波速的杆塔模型。750 kV直线型杆塔为多导体系统，按几何结构可分为多段，假定每一部分分布均匀，根据各部分几何尺寸便可以计算出波阻抗。每段杆塔的等效阻抗可以采用IEEE和CIGRE推荐的方法计算得到[16-19]：

式中：H为杆塔高度；R为杆塔的等效半径，可按R=（r1h2+r2H+r1h2）/H计算；r1为塔顶半径；r2为塔中半径；r3为塔基半径；h1为塔基到中点的高度；h2为中点到塔顶的高度。

由于横担的存在，增加了杆塔的对地总电容，杆塔中的视在波速v＜c（光速）。国内外实测到的杆塔v一般在（0.7～1.0）c，横担越长，v越低，据实测，v可估算为

式中：ht为杆塔高度；lh为避雷线横担长度。

3.3 闪络判据

闪络判据采用相交法，即通过比较绝缘子串上的过电压波形U（t）和绝缘子串的50%冲击放电伏秒特性U-t曲线是否相交来判断绝缘子串是否了发生闪络[16]，如图7所示。

图7 绝缘子上的雷电过电压与闪络伏秒特性比较Fig.7 The comparement of the lighning overvoltage and the U-t characteristic curve

4 仿真分析与结果讨论

4.1 第一次雷击

针对以上情况，对A相遭受一次雷击的情况进行了仿真，仿真结果如图8所示。

图8 仿真得到的A相雷击的波形图Fig.8 Waveform when conductor A was stroken

仿真结果能够很好地吻合现场录波图，证明该事故是由于雷击线路A相引起的。根据纵联差动保护的动作原理，线路两端的不平衡电流超过某一个阈值时，就会启动差动保护，如果一旦启动差动保护，单相重合闸就会被闭锁。单相跳闸后，由于零序电流过大，并联电抗器的零序比例差动保护就启动。

4.2 第二次雷击造成A相对地闪络

A相在T2时刻降为0，表明A相发生了对地短路。这个特征和四川电力试验研究院在万龙线单相瞬时人工接地试验报告中描述的一致，图9为川电东送系统调试时500 kV万龙线C相瞬时人工接地试验万县侧C相故障波形图[20]。故障点在万县侧，故障发生时电压接近过零点，直流分量最大，约为200 A。46 ms后万县侧C相开关跳开，10 ms后龙王侧C相跳开，高抗C相电流直流分量约在故障后184 ms衰减至0。184 ms后故障消失，能量在线路的储能元件构成的振荡回路中振荡，出现了震荡波。

图9 万龙线C相瞬时人工接地试验故障波形Fig.9 Experimental waveform when conductor C was artificically grounded

图9的单相人工接地波形与本次事故T2时刻后的波形非常相似，可以怀疑本次是由于雷击导致单相接地造成的，为了进一步验证该猜想，对本线路遭受雷击造成单相接地过程进行了仿真，仿真得到的波形如图10所示，该波形事故录波和四川电科院的试验波形非常吻合，证明了此次雷击造成了A相对地闪络。第2次雷击之所以会造成对地闪络，是因为此时榆横变侧的线路断路器处于打开状态，雷电波传播到开关断口处会发生正的反射，抬高雷电过电压幅值，从而引起绝缘对地闪络。

4.3 第3次雷击造成A相对地闪络

从录波图中可以看出，第3次雷击与第2次雷击性质相同，均为雷击造成A相绝缘子闪络，使A相发生单相接地故障。

4.4 讨论

经过仿真的雷击和继电保护动作的全过程，并参考了大量的相关研究文献，发现本次事故过程中的线路设计和继电保护具有以下几点需要考虑和改进的地方。

图10 仿真A相遭受绕击对地闪络时的波形Fig.10 Waveform when conductor A was stroken and flashover to ground

第一次雷击后线路单相跳闸，使得线路中出现较大的零序分量，继电保护通过判断零序分量，启动了过电量保护，闭锁了单相重合闸。以至于系统几次尝试单相重合闸都被拒绝。过电量保护启动的过早，应该留一定时间给单相重合闸，只有在单相重合闸不成功的时候才闭锁。事实上仿真发现，此时如果使用单相重合闸能够迅速结束系统的过渡过程，线路恢复正常。

由于线路断路器打开，使得第二次雷击时，雷电过电压在开关断口处发生正的全反射，抬升了雷击点的过电压，使得线路很容易发生单相接地闪络。

雷电是短时性故障，如果开关不动作，过电压和雷电流会逐渐衰减消失。仿真结果也证明在开关不动作的情况下，雷击引起的暂态过程会在20 ms内消失。这个时间小于开关得到启动信号并完成跳闸的时间，也就是说，开关动作对雷电暂态过程来说是完全不起作用的。开关的动作总是在雷电暂态完成之后的。

对于雷电引起的过电压来说，单相跳闸并不能起到保护线路和站内设备的作用。因此针对本次事故产生的原因提出继电保护动作之前对雷电过电压的特征进行分析，以确定是否需要采取单相跳闸，类似的故障波特征分析方法在许多文献里多有论述[21-22]，本文不再展开。

5 结论与建议

针对陕西电网750 kV同塔双回线路洛横线多次发生雷击跳闸事故，仿真了其真实的物理过程，对于输电线路防雷给出合理的过程分析，具体如下：

1）事故包括3次雷击过程，雷击点为同一点。

2）第一次没有造成绝缘子串闪络，但是引发了纵联差动保护动作和电抗器过电量保护动作，并造成单相重合闸闭锁。

3）由于开关处于打开状态，因此第2次雷击造成了绝缘子串闪络。

4）第3次雷击使绝缘子串再次闪络。

针对前节的分析，给出以下建议：

1）合理设定三相闭锁时间，给单相重合闸留出动作时间。

2）建议在继电保护动作之前对雷电过电压的特征进行分析，发现是雷击引起的暂时性故障时，启动单相重合闸。

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Fault Analysis on 750 kV Double-Circuit Transmission Line due to Multi Shielding Failure

HAN Yanhua1，DENG Junbo2，GAO Feng1，QI Weidong1，ZHANG Peng1，ZHANG Guanjun2
（1.Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi′an 710054，China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

By using electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMDTC，an accident of line tripping on double-circuit transmission line is analyzed.Combined with the scene recorded wave map，it is found that the multi shielding failure on the conductor causes the relay operation which blocked the single-phase auto-reclosing，and the subsequent lightning strike causes the higher overvolt⁃age and induced single conductor to ground flashover and tripping.To solute this problem，it is proposed to analysis the characteristics of lightning stroke and to evaluate the necessity of single phase tripping.

transmission line；shielding failure；electromagnetic transient；single-phase auto-re⁃closing

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.001

2016-08-31

韩彦华（1975—），男，博士，高级工程师，现从事气体中沿面放电测量，雷电防护等研究工作。

国家自然科学基金（编号：51577150）。