220 kV同塔双回线路雷电反击四相同跳故障分析

曾凡涛，李籽剑，冯志强，杨伟三，岳海波，李 愿

（1.国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北 恩施州 445000；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430000；

3.国网湖北省电力有限公司宜昌供电公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

输电线路输送容量大，可靠性要求高，输电线路运行环境恶劣，杆塔架设位置相对较高，极易遭受雷击。随着运维水平的提高，线路本体原因造成的故障事件逐渐减少，雷击成了架空输电线路跳闸的主要危害，只有做好输电线路防雷工作，才能使电网更加安全稳定运行［1-7］。

为了高效利用线路走廊，节省建设成本，提高单位面积内的传输容量，目前线路建设趋于采用同塔双回或多回的架线模式［8-12］。同塔双回的输电线路导线大多采用垂直排列，且塔杆相对较高，大地对导线的屏蔽效应减弱，且横担较宽，保护角大，防雷性能较差，使得线路遭受雷击概率增大［6］。雷击时，可能导致单回或多回线路同时跳闸，从而可能引起重要断面停电风险，导致大范围停电，严重影响电网安全稳定。

现有文献对同塔双回线路雷击塔顶的情况开展研究，少有分析各相导线的不同运行状态下对其他导线耦合情况，以及该情形下各相导线耐雷水平的分析［13-27］。本文分析了雷击塔顶时的电位分布情况以及考虑运行电压情况下各相导线的反击耐雷水平。以某220 kV 同塔双回线路雷电反击四相同跳故障为例进行了分析，计算了双回线路各相导线在不同运行状态下的几何耦合系数，校核了各相导线的反击耐雷水平，针对同塔架设多回输电线路提出了有效的防雷措施。

1 同塔双回线路耐雷水平及耦合情况分析

雷电反击是导致10 kV及以上电压等级的架空输电线路故障的主要原因之一，当雷击塔顶时，塔顶的电位与导线电位相差很大，可能引起绝缘子串闪络，从而导致线路故障跳闸。

1.1 绝缘子串两端电压计算

1.1.1 塔顶电位

雷击塔顶后，避雷线起到了分流作用，只有部分雷电流流过杆塔，近似计算用集中电感Lb表示地线电感，忽略地线分布电容［28-31］。雷击杆塔等值电路图，如图1。

图1 雷击塔顶的等值电路图Fig.1 Equivalent circuit at the top of lightning-struck tower

塔顶的电位为

式（1）中，IL为雷电流幅值（kA）；β为杆塔分流系数。

1.1.2 导线上电位

地线与塔顶的电位都为Utd，由于地线与导线间具有耦合作用，导线也具有耦合电位kUtd。耦合电位的极性与雷电流相同。此外，由于空间电磁场的突然变化，在导线上还会出现感应过电压，感应过电压的极性与雷电流相反。导线上的电压可表示为

式（2）中，Uic为雷击塔顶时在导线上形成的感应过电压分量，kV；Uline为导线上的工作电压，kV；k为考虑地线电晕的耦合系数。

1.1.3 绝缘子串两端电压

绝缘子两端的电压为横担高度处杆塔电位和导线电位之差，可表示为

1.2 反击耐雷水平

当UI大于等于绝缘子串的50%冲击放电电压时发生闪络，可令UI=U50%，则可得雷击塔顶的耐雷水平为［13］

根据过电压保护和绝缘配合标准，绝缘子串的雷电冲击放电电压按照式（5）计算。

式（5）中，L为绝缘子干弧距离（m）。

1.3 耦合系数计算及耦合情况分析

当雷击塔顶时，地线上出现电晕，使地线经向尺寸增大，导致地线与导线间的耦合系数增大。考虑地线电晕的耦合系数k可表示为：

式（6）中，k1为电晕校正系数，其值可根据地线及耦合线架设情况，结合电压等级选值；K0为导地线的几何耦合系数［19］计算公式如下：

同塔双回线路正常运行情况下，双避雷线与双回各相导线之间的耦合情况可由公式（6）进行计算。当杆塔遭受雷电直击时，根据雷电流大小，将会最先将耐雷水平较低的单相或多相击穿，当一相或多相击穿后，该故障击穿相导线可视为新增地线，对其他非故障相进行屏蔽，此时，非故障相的耦合系数增大，耐雷水平提高。同塔多回线路宜采用不平衡高绝缘措施，即通过差异化绝缘配置，在一定雷电流范围内引导雷电击穿次序，降低线路的多回同时跳闸率。

2 案例分析

2.1 故障基本情况

2021 年07 月22 日19：42，220 kV 某一、二回线A、B 相接地故障跳闸，重合闸未动作。该线路一二回线路同塔双回架设，故障时刻为雷暴雨天气。根据雷电定位系统查询情况如表1所示，最大雷电流值-107.7 kA。

2.1.1 故障区段运行情况

故障点位于22 号塔，干弧距离为2 190 mm，导线垂直排列，边相导线保护角为0°，小号侧档距959 m，大号侧档距405 m，杆塔运行通道如图2、图3所示。现场接地电阻测量均满足运行要求，主要地形为山地。

图2 故障塔22号塔大、小号侧通道Fig.2 Large and small side channels of tower No.22

图3 故障塔22号塔全景图Fig.3 Panorama of tower No.22

2.1.2 故障杆塔闪络痕迹

故障查找22 号塔的一回A 相联板处、B 相绝缘子有明显放电痕迹如图4 所示；二回A 相绝缘子、B 相绝缘子有明显的闪络痕迹如图5 所示，初步判定该塔为故障位置。

图4 一回线故障塔放电痕迹Fig.4 Discharge trace of the first tower

图5 二回线故障塔放电痕迹Fig.5 Discharge trace of the second tower

2.2 故障原因分析

2.2.1 故障录波分析

2021 年7 月22 日19：42：52，220 kV 一二回线AB相电压同时发生畸变，且均出现零序电压和零序电流，故障录波图如图6所示。

图6 220 kV一回、二回线故障录波Fig.6 Fault recording of 220 kV transmission line

根据录波图可得，线路故障时刻的各相运行电压、短路电流如表2所示。

表2 故障时刻的各相运行电压、短路电流Table 2 Operating voltage and short-circuit current of each phase at fault time

线路故障测量阻抗抗为Za=4.25∠45.69°，Zb=6.34∠88.48°，经计算过渡电阻Rag=2.59 Ω，Rbg=1.34 Ω，为低阻接地。

2.2.2 耐雷水平计算

根据前文公式（5）可计算得22号杆塔绝缘子串的雷电冲击放电电压U50%=1 299.27 kV。杆塔分流系数β=0.936。结合杆塔实际参数，从考虑和不考虑运行电压分别计算一二回线路各相导线耐雷水平见表3。

表3 220 kV一二回线路各相耐雷水平Table 3 Lightning resistance level of each phase of 220 kV transmission line

考虑线路运行电压的情况下，一二回线A相的耐雷水平分别为75.12 kA、76.8 kA，B相的耐雷水平分别为75.54 kA、76.02 kA，C 相的耐雷水平分别为94.07 kA、93.86 kA，A 相和B 相的耐雷水平较低，C 相的耐雷水平较高。

2.2.3 故障原因分析

由故障录波图可知，220 kV 一二回线AB 相电压均发生畸变，且均出现零序电压和零序电流，发生AB相接地故障。经计算，不考虑运行电压的情况下220 kV 一二回线22 号塔A、B 相反击耐雷水平分别为83.65 kA、78.48 kA，考虑运行电压后耐雷水平略有下降。经雷电定位系统查询，雷电流幅值为-107.7 kA的落雷。巡视发现22 号杆塔左右两侧A、B 相绝缘子串均有明显放电闪络痕迹，具有典型雷击闪络特征。综合考虑22号杆塔周围环境、AB相绝缘子串放电痕迹、耐雷水平计算结果，分析认为本次故障因雷电击中22号杆塔，雷电反击造成220 kV 一二回线同时发生AB相绝缘串闪络，形成两相接地故障。

2.3 差异化绝缘配置下耐雷水平分析

220 kV 一二回线22 号杆塔各相绝缘子配置相同，均未安装线路避雷器，通过计算一二回A 相和B相耐雷水平相近，但明显低于C 相，从而此次雷击时出现一二回线路AB 相四回同跳的情况，现假定双回直接绝缘差异化配置，单回线路各相之间绝缘水平差异化配置的情况下，在一定雷电流范围各相依次击穿对其他相耐雷水平的影响情况进行计算见表4。

表4 220 kV一二回线各相不同绝缘配置下耐雷水平Table 4 Lightning resistance level of each phase of 220 kV line under different insulation configuration

由表4可知，在考虑线路运行电压的情况下，同塔双回线路中一回线路出现单相故障后，对其他相形成屏蔽作用，耐雷水平提升约29%；同塔双回线路中一回线路出现两相故障后，对其他相形成屏蔽作用，耐雷水平提升约74%；同塔双回线路中一回线路出现三相故障后，对其他相形成屏蔽作用，耐雷水平提升约111%。

3 结语

本文从雷击塔顶时杆塔、导线、绝缘子两端的电位变化过程，推导了反击耐雷水平计算理论公式，分析了多回线路在不同运行状态下的耦合情况变化，并以某220 kV同塔双回线路雷电反击四相同跳故障为例，对上相、中相、下相的导线的耦合系数及反击耐雷水平进行了计算，剖析了同塔多回线路故障跳闸的原因，一是雷电流幅值超过上相和中相的耐雷水平，二是同塔双回线路未采取差异化的绝缘配置。

针对同塔双回线路防范雷击跳闸的主要建议：一是对同塔多回线路的绝缘配置进行差异化改造，确保两回线路各相不被同时击穿，减少两回同跳的概率；二是同塔双回线路杆塔接地电阻进行改造，降低杆塔接地电阻值，雷击时增强杆塔向大地泄流能力；三是针对同塔双回线路开展精细化防雷评估，逐塔评估雷击跳闸风险，结合防雷改造方案进行改造，提高线路的耐雷水平。