不平衡绝缘配置防治同塔双回输电线路雷击同时跳闸效果仿真研究

2020-11-07王锐金亮彭向阳王朋

广东电力 2020年10期

王锐，金亮，彭向阳，王朋

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州510080；2. 广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山528000)

近年来，随着我国经济深入发展，各地区用电需求不断攀升，电网规模进一步扩大，保障供电安全可靠意义重大[1-4]。统计资料表明，雷击是影响输电线路供电安全的主要原因之一[5-6]。在施工建设时，考虑线路走廊占地的因素，110 kV及以上电压等级线路多采用同塔双回或同塔多回架设，各相导线之间空间位置较近，存在较强耦合作用[7-8]，遭受雷击时，容易发生雷击同跳故障，造成重要负荷停电，严重影响供电可靠性。

相比之下，我国东南部地区电网规模大，雷暴活动频繁，对于同塔线路的防雷要求更加迫切[9-10]。以广东电网为例，在2010—2015年期间，每年110 kV及以上电压等级同塔线路遭受雷击发生同跳事件占雷击跳闸总数的15%～30%，发生多起220 kV同塔线路雷击同跳且重合闸失败的事件[11-12]，110 kV同塔双回线路雷击同时跳闸的比例要高于220 kV同塔双回线路。由于500 kV同塔线路的耐雷水平较高，雷击同跳事件很少发生。因此，针对多雷区同塔双回输电线路雷击同跳防治措施的研究十分必要，特别是在防治措施的标准化设计和工程应用实践方面需重点考虑。

本文针对发生雷击同跳比例较高的110 kV和220 kV同塔双回线路进行研究，按照实际杆塔搭建仿真模型，计算采用常规绝缘配置时同塔双回线路单回和双回闪络耐雷水平和跳闸率，对比分析采用降低接地电阻及不平衡绝缘配置方式防治效果。计算结果和研究结论为新建和在运同塔双回线路雷击同跳防治措施的选取提供设计参考。

1 多雷区同塔双回线路防雷技术

1.1 同塔双回线路防雷技术要求

输电线路防雷应在设计、建设、运行等各阶段采取措施，根据线路重要程度、雷电强度、地形地貌、杆塔结构，以及线路不同地域、电压等级、不同设计、运行条件等，采取差异化防雷措施，提高防雷措施的针对性和有效性。

对运行可靠性要求较高的同塔线路，如核电厂出线、换流站出线、铁路牵引站供电、自同一电源送出或向同一负荷供电线路，以及其他重要输电线路，应在设计阶段就采取有效的防雷措施[13-14]。

对同塔线路，宜在不降低单回耐雷水平的基础上，减少多回线路雷击同跳事件，避免雷击导致整个输电通道供电中断；注重降低接地电阻、加强绝缘配置、减小保护角等基础防雷措施应用，并对110 kV、220 kV线路重点采取不平衡绝缘配置，将雷击同跳次数占雷击跳闸总次数比例控制在10%以内[15]。同塔线路不平衡绝缘防雷措施包括：在不同回路间，采取增加绝缘子片数(或各回路采用不同材质、不同电弧距离的盘形悬式绝缘子或复合绝缘子)、安装线路避雷器、安装并联间隙等方式。

1.2 同塔双回线路雷击同跳防治原则

同塔线路防治雷击同时跳闸技术原则如下[15]：

a) 雷电反击是同塔线路同跳的主要原因，强雷暴过程中连续雷电绕击也会导致同跳；因此，除采取不平衡绝缘和降低接地电阻、加强绝缘等防反击措施外，也应采取减小保护角等防绕击措施。

b) 110 kV、220 kV线路应兼顾雷电反击和绕击防护，500 kV线路应以雷电绕击防护为主。

c) 110 kV、220 kV同塔线路宜采用不平衡高绝缘配置，绝缘不平衡度宜大于20%，不宜低于15%，110 kV同塔线路不平衡度宜大于220 kV同塔线路；500 kV同塔线路宜采用平衡高绝缘配置。

2 仿真计算模型及参数

2.1 耐雷水平计算

雷电反击耐雷水平计算采用ATP-EMTP对线路建模，通过连续仿真计算得到[16-19]。雷电流波形采用2.6/50 μs双斜角波冲击电流源，雷电通道波阻抗取300 Ω，雷电流注入点在杆塔顶部中间。雷暴日数取40，对应地闪密度为2.78次/(km2·a)。线路杆塔采用分段多波阻抗模型，杆塔接地电阻采用集中参数电阻进行等值，阻值取杆塔冲击接地电阻值，可采用杆塔工频接地电阻折算。假设杆塔塔头空气间隙足够，不考虑空气间隙击穿。

研究采用先导法作为绝缘闪络判据，即通过绝缘间隙中先导发展长度来判断绝缘是否发生闪络，如先导贯穿间隙，先导长度大于或等于间隙长度时，认为闪络发生[20-22]。先导发展根据式(1)计算：

(1)

式中：L为先导已发展长度，m；k为经验系数，m2/(s·kV2)；E0为先导起始场强，E0取500 kV/m时，k=1.1 m2/(s·kV2)；u(t)为绝缘间隙承受的电压，kV；D为绝缘间隙长度，m。

2.2 跳闸率计算

雷电反击跳闸率采用GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定的方法进行计算，计算公式如式(2)—式(6)：

N=NLηgP1,

(2)

(3)

η=(4.5E0.75-14)×10-2,

(4)

(5)

(6)

式中：N为雷电反击跳闸率，次/(100 km·a)；NL为每年百公里线路落雷次数，次/(100 km·a)；η为建弧率，即绝缘子和空气间隙在雷电流冲击后转为稳定工频电弧的概率；g为击杆率，平原为1/6，山区为1/4；P1为雷电流i超过雷击杆塔顶部反击耐雷水平I1的概率；Ng为地闪密度，次/(km2·a)；ht为杆塔高度，m；b为2根地线间的距离，m；E为绝缘子串平均运行电压(有效值)梯度，kV/m；Un为线路标称电压，kV；li为绝缘子串的放电距离，m。

2.3 计算塔型

由于110 kV和220 kV同塔双回线路的规模较大，且在实际运行中二者雷击同跳的情况较严重，因此本节主要研究110 kV和220 kV同塔双回线路。杆塔塔型、各部分参数及各回线路相序排列如图1所示。图中H为杆塔的呼称高度，A、B、C分别表示导线相别。

图1 同塔双回线路Fig.1 Double-circuit lines on the same tower

3 防治雷击同跳措施研究

3.1 降低接地电阻

依照GB/T 50064—2014的规定，在雷雨季节干燥条件下，每基杆塔不连架空地线的工频接地电阻，高度40 m以下杆塔，土壤电阻率超过2 000 Ω·m时不宜超过30 Ω，高度40 m以上杆塔在相同土壤电阻率条件下不宜超过25 Ω。在土壤电阻率低于500 Ω·m时，变电站进线段杆塔工频接地电阻不宜超过5 Ω。因此，分别选择接地电阻值为30 Ω、15 Ω、10 Ω、7 Ω、5 Ω，研究降低接地电阻方式防治雷击同跳效果，绝缘配置情况为110 kV同塔双回线路为两侧8片绝缘子，220 kV同塔双回线路为两侧14片绝缘子，结果如图2—图5所示。

图2 110 kV同塔双回线路接地电阻对耐雷水平的影响Fig.2 Effect of grounding resistance to lightning withstand level for 110 kV double-circuit transmission line

图3 110 kV同塔双回线路接地电阻对跳闸率的影响Fig.3 Effect of grounding resistance to trip-out rate for 110 kV double-circuit transmission line

图4 220 kV同塔双回线路接地电阻对耐雷水平的影响Fig.4 Effect of grounding resistance to lightning withstand level for 220 kV double-circuit transmission line

图5 220 kV同塔双回线路接地电阻对跳闸率的影响Fig.5 Effect of grounding resistance to trip-out rate of 220 kV double-circuit transmission line

研究发现接地电阻较大时，同塔线路单回闪络和双回闪络耐雷水平接近，容易发生雷击同跳事件。110 kV和220 kV同塔双回线路的耐雷水平和跳闸率随接地电阻变化趋势大体一致。以110 kV同塔双回线路为例，接地电阻为30 Ω时，单回闪络耐雷水平为45 kA，双回闪络耐雷水平为47 kA。降低接地电阻对单回闪络耐雷水平提升效果不如双回闪络效果明显。以110 kV同塔双回线路为例，接地电阻从15 Ω降低至10 Ω时，单回闪络耐雷水平提高11.86%，双回闪络耐雷水平提高14.29%，接地电阻从10 Ω降低至5 Ω时，单回闪络耐雷水平提高12.12%，双回闪络耐雷水平提高23.61%。工频接地电阻较小时，难以单独通过降低接地电阻来提升同塔双回线路单回和双回闪络耐雷水平，需考虑采用不平衡绝缘配置对线路进行防雷改造。

3.2 增加绝缘子片数

以接地电阻为10 Ω为例，研究加强绝缘配置对110 kV和220 kV同塔双回线路单回闪络和双回闪络耐雷水平和跳闸率的影响。110 kV同塔双回线路绝缘配置为两侧绝缘子片数(常规绝缘/高绝缘)为8/8、8/9、8/10、9/9和7/9这5种情况，220 kV同塔双回线路绝缘配置为两侧绝缘子片数为14/14、14/16、14/17、16/16和13/16这5种情况(单片绝缘子的结构高度为146 mm)。计算得到不同绝缘配置下单回和双回闪络耐雷水平及跳闸率见表1和表2。

表1 110 kV同塔双回线路加强绝缘配置对耐雷性能影响Tab.1 Effect of enhancing insulation configuration on lightning withstand performance for 110 kV double-circuit transmission line

表2 220 kV同塔双回线路加强绝缘配置对耐雷性能影响Tab.2 Effect of enhancing insulation configuration to lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

研究发现：在常规绝缘配置基础上，改变一侧绝缘子片数时，同塔双回线路单回闪络耐雷水平保持不变，双回闪络耐雷水平明显提高。以110 kV同塔双回线路为例，两侧绝缘子片数差从0变化至2时，单回闪络耐雷水平保持在65 kA，而双回闪络耐雷水平从72 kA增加至110 kA。同时发现：两侧同时增加绝缘子片数，线路单回和双回耐雷水平均有所提高，但提升效果不明显，双回闪络耐雷水平明显低于差绝缘配置时双回闪络耐雷水平；减少一侧绝缘子片数，增加另一侧绝缘子片数时，单回闪络耐雷水平降低，双回闪络耐雷水平提升。因此，选择改变绝缘子片数提升同塔双回线路耐雷水平时，应考虑实际线路情况，合理选择绝缘子配置方式。

3.3 安装避雷器

对于110 kV同塔双回、220 kV同塔双回线路，可以选择雷击跳闸率较高的一回或易击段安装避雷器来提高线路耐雷水平，优先顺序为上相→中相→下相。研究时以接地电阻为10 Ω为例，分析加强安装避雷器对110 kV和220 kV同塔双回线路单回闪络和双回闪络耐雷水平和跳闸率的影响。选择1条回路，依次在上相、中相和下相安装避雷器，计算安装0～3个避雷器时同塔双回线路单回和双回闪络耐雷水平及跳闸率，结果见表3和表4。其中，110 kV线路避雷器的标称放电电流为10 kA，标称放电电流下的残压值为260 kV；220 kV线路避雷器的标称放电电流为10 kA，标称放电电流下的残压值为520 kV。

表3 110 kV同塔双回线路安装避雷器对耐雷性能影响Tab.3 Effect of surge arrester on lightning withstand performance for 110 kV double-circuit transmission line

表4 220 kV同塔双回线路安装避雷器对耐雷性能影响Tab.4 Effect of surge arrester on lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

研究发现，通过安装线路避雷器可以同时提高线路单回和双回闪络耐雷水平。在一回线路上相安装避雷器可明显提高双回闪络耐雷水平，安装上、中相避雷器时双回闪络耐雷水平达到2～3片绝缘子不平衡配置效果；在上、中、下相同时安装避雷器时，没有同跳事件发生。安装避雷器成本较高，但防治雷击同跳效果明显，因此在雷害严重地区可以考虑采用在其中一回安装避雷器方式提升双回闪络耐雷水平。

3.4 安装并联间隙

以接地电阻为10 Ω为例，研究安装并联间隙对110 kV和220 kV同塔双回线路单回闪络和双回闪络耐雷水平和跳闸率的影响。其中110 kV同塔双回线路分别研究绝缘子片数为8、9、10时单侧安装并联间隙的影响，220 kV同塔双回线路分别研究绝缘子片数为14、16、17时单侧安装并联间隙的影响。计算结果见表5、表6，其中括弧内数据为并联间隙距离与绝缘子电弧距离的比值。

表5 110 kV同塔双回线路并联间隙对耐雷性能影响Tab.5 Effect of parallel gap on lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

表6 220 kV同塔双回线路并联间隙对耐雷性能影响Tab.6 Effect of parallel gap on lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

研究发现：在常规绝缘配置基础上，在一侧安装并联间隙，线路单回闪络耐雷水平降低，双回闪络耐雷水平提高。由于并联间隙时，绝缘子串部分长度被短接，导致单回闪络耐雷水平降低；因此，在采用并联间隙时，应首先增加绝缘子以提高绝缘水平。在高绝缘单侧安装并联间隙时，相比常规绝缘配置，单回耐雷水平基本没有变化，双回闪络耐雷水平提高。

4 防治同塔双回线路雷击同跳案例分析

4.1 加强绝缘配置防雷击同跳案例

220 kV上方甲、乙线全长20.363 km，全线同塔双回架设，于2016年12月13日建成投运，采用加强绝缘的差异化设计，乙线14片玻璃绝缘子(正常绝缘)，甲线17片玻璃绝缘子(加强绝缘)，绝缘子型号为U100BLP-1。

2017年9月7日4时23分，乙线A、C相故障，重合闸闭锁，造成线路故障停运。根据保护测距信息和现场故障查找，乙线28号塔A、C相玻璃绝缘子有闪络痕迹，玻璃绝缘子和金具轻微损伤。根据雷电定位系统查询到故障时刻的落雷信息：故障时刻前后1 min，线路走廊左右3 km存在18次落雷，最大雷电流为04：23：43.308时刻的-133.8 kA雷电，位于29号塔附近，该落雷信息与故障时刻相吻合。分析可知：-133.8 kA的雷电流造成28号塔反击，引起乙线A、C相故障和线路停运；由于甲线为17片绝缘子配置，未发生故障。本案例表明：采用了加强绝缘配置的差异化措施后，避免了1次雷击同塔线路同时跳闸问题。

4.2 安装线路避雷器防雷击同跳案例

220 kV砚后甲、乙线全长20.766 km，1号—40号塔同塔双回架设，41号—51号塔为同塔四回架设，于2009年12月25日建成投运，甲、乙线悬垂绝缘子串均采用FXBW4-220/160-A型复合绝缘子，部分杆塔安装线路避雷器时采取差异化配置原则，即只在其中一回线路进行三相安装。

2015年8月15日14时33分，甲线B、C相故障跳闸，重合闸闭锁，造成线路故障停运。根据保护测距和现场查线，发现甲线23号塔B相、C相复合绝缘子表面和均压环均有放电痕迹。查询雷电定位系统，故障时刻前后2 min，线路走廊左右3 km范围内共有13次雷电信息，其中在23号—24号塔的落雷幅值最大，为-303.0 kA，落雷时间与故障时刻相吻合。分析可知：-303.0 kA的强雷电流造成23号塔反击，引起甲线B、C相故障和线路停运；由于同塔架设的乙线三相安装了线路避雷器，在本次强雷电流(超过300 kA)作用下，乙线未发生跳闸，成功避免了1次同塔线路同时故障停运的“N-2”事件。

4.3 绝缘不平衡度不够防雷击同跳失效案例

220 kV海河甲、乙线全长19.023 km，全线同塔双回架设，于2013年11月21日建成投产，甲、乙线虽然采用了加强绝缘的差异化设计，但并不满足本文推荐的“绝缘不平衡度宜大于20%、不宜低于15%”配置原则。其中，乙线采用加强绝缘，甲线为正常绝缘，在耐张串中，乙线16片绝缘子，甲线15片绝缘子；在悬垂串中，乙线采用FXBW4-220/100-D型复合绝缘子(干弧距离2 350 mm)，甲线采用FXBW4-220/100-C型型复合绝缘子(干弧距离2 200 mm)，乙线绝缘相对甲线增加了6%左右。

2014年6月20日19时48分，甲线、乙线主I、主Ⅱ零序保护动作跳闸，均为C相故障，造成甲、乙线同时跳闸故障。根据保护测距信息和现场故障查找，发现甲、乙线26号塔C相跳线绝缘子和均压环有放电痕迹。根据雷电定位系统查询到故障时刻的落雷信息：故障时刻前后1 min，线路走廊左右3 km存在4次落雷，最大雷电流为19:48:35.303时刻的-233.1 kA雷电，位于26号—27号塔附近，该落雷信息与故障时刻相吻合。甲线和乙线同时跳闸原因为：-233.1 kA的雷电流造成26号塔反击，引起甲、乙线的C相故障，导致一起雷击同跳事件。本案例表明：甲、乙线未按要求采用足够的绝缘不平衡度配置，造成不平衡绝缘措施未能发挥应有的防雷击同跳功效。

4.4 杆塔间隙距离不够防雷击同跳失效案例

220 kV玉四甲、乙线全长21.356 km，全线双回同塔架设，于2012年10月7日建成投运，采用加强绝缘的差异化设计，甲线采用17片玻璃绝缘子(加强绝缘)，乙线采用15片玻璃绝缘子(正常绝缘)，绝缘子型号为U100BLP(W)。

2016年6月11日16时57分，甲线和乙线主I差动保护动作、主Ⅱ纵联距离、纵联零序方向保护动作，均为B相故障，造成甲、乙线同时跳闸故障。根据保护测距信息和现场故障查找，发现35号塔甲线B相(中相)防振锤和下相横担有放电痕迹，乙线B相绝缘子有闪络痕迹。查询雷电定位系统，故障时刻前后1 min，线路走廊左右2 km范围内共有15次雷电信息，其中在36号—37号塔的落雷幅值最大，为-145.7 kA，落雷时间与故障时刻相吻合。分析可知：-145.7 kA的雷电流造成35号塔反击，引起甲、乙线的B相故障，导致雷击同跳事件。虽然甲线采取了加强绝缘设计，绝缘子未闪络，但是，在防雷改造设计校核中未考虑足够的塔头空气间隙裕度，造成甲线B相导线防振锤与下相横担空间间隙放电。本案例表明：在实施加强绝缘的差异化防雷措施时，除应保证足够的绝缘不平衡度外，还应确保足够的塔头空间间隙裕度，这样才能充分发挥加强绝缘措施的防雷作用。