一起500 kV输电线路反击故障分析及仿真验证

李永明，杜 远，逯文佳

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

雷电是伴随着闪电和雷鸣的一种自然界常见的强对流天气时的集中放电现象，一般情况下，雷电所释放的能量大，且内部放电电压高。输电线路特别是超高压及以上电压等级的输电线路，设计杆塔高度较高，地形地貌复杂，容易遭到雷击的侵害，造成输电线路故障跳闸，影响电网安全。根据运行经验，雷害事故占输电线路故障的60%以上［1-3］。随着社会经济的发展，对电网安全稳定运行的要求越来越高，防止输电线路雷击跳闸事故，提高电网承受自然灾害的能力，是保证电网安全可靠运行的重要措施。本文以一起500 kV输电线路反击故障为例，分析了故障发生的原因并进行理论验证，最后提出了相应的防雷措施。

1 线路故障情况

1.1 故障杆塔概况

2020年4月某500 kV输电线路上相 （B相）故障跳闸，重合成功。

故障区段始于该线路212号杆塔，止于219号杆塔，故障区段长度为2.986 km。故障杆塔为214号杆塔，全塔高度为65.4 m，故障相为B相。214号杆塔复合绝缘子为独立双串设计。故障区段内，212号—217号、219号杆塔地线采用挂点金具直接接地方式，接地型式为TF3，接地电阻设计值为15 Ω；218号杆塔为换位塔，地线采用直接接地方式，接地型式为TF5，接地电阻设计值为15 Ω。

故障区段主要地形为平原，气候类型为温带大陆性季风气候，常年主导风为南风、偏南风、北风、偏北风，常年平均气温为13.5℃，年平均降水量为540.4 mm。

1.2 雷电定位系统数据

4月9日3时5分，故障区段出现强对流雷雨天气，气温为5～8℃，东北风风力为4～5级。雷电定位系统数据显示，故障时刻214号—218号杆塔区段附近落雷，发生雷电流放电，雷电流高达-179.2 kA。

1.3 故障测距

故障录波测距数据显示故障点距某500 kV变电站18.75 km（位于217号—218号杆塔档）；保护测距数据显示故障点距某500 kV变电站20～21 km（位于212号—215号杆塔档）；分布式故障诊断装置测距数据显示故障位于181号—264号杆塔区段，距离181号杆塔16.29 km，故障杆塔为214号。

1.4 故障巡视及处理

按照故障测距信息、雷电定位系统初步判断的故障范围，结合故障相及线路地形地貌特征，巡视人员对212号—219号杆塔区段进行故障巡视。地面巡视发现214号杆塔B相有疑似放电痕迹。经过人工登塔检查及无人机巡查，发现214号杆塔B相导线、复合绝缘子伞裙、均压环及上端挂点金具有放电痕迹，判定本处为故障点。

故障区段杆塔接地电阻测量结果（仅A腿和C腿设计有接地引下线）如表1所示。

表1 故障区段杆塔接地电阻测量结果

2 雷击故障原因分析

2.1 故障原因排查

故障区段输电线路通道防护区内全部为农田，未发现过高构筑物、塑料大棚、漂浮物、超高树木及施工情况，排除异物短接、树竹放电、机械施工等原因。故障区段内杆塔上没有鸟巢，防鸟措施完整合格，排除鸟害原因。

故障发生时，故障区段雷雨天气，风力较大，雷电活动频繁，因此断定此次跳闸由雷击引起。雷电定位系统数据显示，故障时刻214号—218号杆塔区段附近落雷，发生雷电放电，雷电流高达-179.2 kA。经过人工登塔检查及无人机巡查，发现214号杆塔B相导线、复合绝缘子伞裙、均压环及上端挂点金具有放电痕迹，构成典型的雷击闪络放电通道。因此，初步判断本次故障为雷击引起。强雷电击中杆塔顶部后，雷电流经杆塔、接地装置注入大地。本次故障的雷击放电路径如图1所示。

图1 雷击放电通道图

2.2 最大绕击电流计算

图2 改进的雷电流绕击EGM模型

改进的雷电流绕击EGM模型如图2所示，击距计算时计及导线工作电压及导线平均高度的影响，地面倾斜角度为0，当暴露弧为0时的电流值为最大绕击电流，理论上超过此电流值的雷电流不会导致绕击。

击距公式如下［4-5］：

式中：I为雷电流幅值；rs为雷电对避雷线的击距；rc为雷电对导线的击距；Uph为导线工作电压。

计及导线平均高度hcv，当hcv＜40 m时，击距用式（3）计算；当 hcv≥40 m 时，击距用式（4）计算。

式中：rg为雷电对大地的击距。

计算得出，故障杆塔的上相、中相和下相的最大绕击电流分别为17 kA、18 kA和18 kA，而本次雷电流高达-179.2 kA，其值远大于最大绕击电流值。因此，断定此次故障不是雷电绕击造成。

3 仿真验证

利用暂态分析软件ATP-EMTP建立了反击仿真模型，计算了不同接地电阻下的线路耐雷水平。其中，雷电流模型选用Heidler type 19型元件与波阻抗并联的方式，波阻抗为 300 Ω［6］；杆塔模型选用多波阻抗模型［7］；雷电流中含有大量高次谐波，线路参数会随频率而变化，因此线路采用频率相关的JMARTI架空线路模型［8］；绝缘子闪络判据采用与实际情况较为吻合的相交法，即当绝缘子串上过电压曲线与绝缘子串伏秒特性曲线相交时视为发生闪络［9-10］。模型用ATP-EMTP中的MODEL模块编程模拟，接地电阻不同时线路耐雷水平仿真结果如图3所示。

图3 接地电阻不同时线路耐雷水平

由仿真结果可见，接地电阻对于反击耐雷水平影响显著，当接地电阻为1 Ω时，线路反击耐雷水平为170 kA，小于故障雷电流，由此判断该故障是雷电流超过线路耐雷水平而引发的反击故障。

4 改进措施

1）部分老旧线路的设计耐雷水平偏低，对强雷电活动的抵御能力较差，存在较大的雷电反击故障风险。针对老旧线路设计耐雷水平低的现状，采取双串化改造、绝缘子更换为插花式等加强线路绝缘的措施。

2）根据运行经验，雷电反击故障多由接地电阻值偏高引起，仿真结果表明接地电阻值为1 Ω左右时的耐雷水平为170 kA，仍有发生反击的可能。可见，防范反击故障时需要综合考虑其他影响因素，如绝缘水平、杆塔呼高等。

3）安装线路避雷器可显著提高线路耐雷水平，但由于线路避雷器价格较高，可以优先选择在接地电阻难以降低、雷击故障多发的线路区段安装线路避雷器。

5 结语

本文对一起典型的500 kV输电线路雷电反击故障进行了故障原因分析，制定了有针对性的防雷措施，在一定程度上可以起到较好的防雷效果。目前输电线路防雷技术和现有的防雷措施尚不能完全避免雷电对输电线路的影响，特别是近几年极端天气频发，雷电活动存在诸多不确定因素，雷击跳闸率没有显著下降，需要进一步研究气候变化和雷电活动规律，找出更为先进、经济性好的防雷措施，全面提升输电线路防雷水平，保证电网安全可靠运行。